飞行器家族中的“铁蜻蜓”

　　文/ 秦嘉政　图/ 刘擦擦

　　在飞行器家族中，有一类飞行器是十分特殊的，它们不需要专门在跑道上起飞、降落，不仅可以从任何地方垂直起降，而且可以在天上悬停甚至倒飞，这就是飞行器家族中的“铁蜻蜓”——直升机。

　　直升机是如何飞起来的？

　　直升机最引人注目的部分就在于它头顶上巨大的螺旋桨，这个螺旋桨的专业名词叫作旋翼，意思为“旋转的机翼”。旋翼的基本原理和家用电风扇、竹蜻蜓玩具差不多，是通过加速空气的流动来获得空气的反作用力。直升机发动机驱动旋翼将空气向下加速，空气对直升机的旋翼就有向上的反作用力，当这种反作用力大于飞机所受的重力时，直升机就能飞起来了。

　　复杂的旋翼系统

　　直升机的飞行原理看似简单，但是要控制它平稳飞行却是十分复杂的，需要我们了解直升机的旋翼系统是如何工作的。

　　在讲旋翼之前，有一个专业名词我们必须要了解，那就是“桨距”。从生活中，你可以观察到电风扇、吹风机、电脑散热器的风扇上，每个叶片都是倾斜一定角度的，这样当风扇转动起来时才能够使空气向着一个方向流动，叶片和风扇旋转平面之间的角度，就叫作桨距角。

　　早期飞机的螺旋桨都是活塞发动机驱动的，桨距也是固定的。到了二战期间，为了提升战斗机的性能，设计师将机头的螺旋桨设计成变距桨——螺旋桨的转速是不变的，增加桨距会增加螺旋桨的推力，反之会降低螺旋桨的推力，这样更便于飞行员控制飞机的动力。而直升机的旋翼使用的就是一种更加复杂的变距桨。

　　那直升机是如何在天上保持平衡的？飞行员又是如何控制直升机向各个方向飞行的呢？奥妙就在改变旋翼的桨距上。直升机的旋翼旋转一周时，它的桨距并不是一个固定的值，假如飞行员想让直升机向前飞，首先需要让直升机“低头”，此时他控制旋翼，让旋翼转到后面的时候桨距变大，转到前面的时候桨距变小，也就是说，旋翼在转到直升机后面的位置时，给飞机的升力变大，转到前面时，给飞机的升力变小，旋翼不断旋转，就会产生一个让飞机“低头”的力矩。

　　飞机“低头”后，再将桨距变为恒定值，气流对旋翼的推力就是向斜前方的——可以分解为向上的升力和向前的推力，直升机就可以向前飞行了。同理，通过控制旋翼转到哪一边桨距大、哪一边桨距小，便可以让直升机向指定的方向飞行。而当操纵每个方向的桨距一起变大或者一起变小时，直升机就会上升或者下降。

　　其实这里面还含有一个冷知识：和许多人设想的不一样，直升机飞行时旋翼转速是基本不变的——飞机上升、下降或改变飞行方向，飞行员改变的只是旋翼的桨距。

　　长相奇特的直升机

　　大部分直升机的结构大同小异，螺旋桨都是一大一小——机身上面有个大大的主桨，尾部还有个小小的尾桨，而且有一些尾桨是藏在洞里的。也有些直升机长相奇特，它们有的前后两个都是主桨，纵列排列；有的两个主桨摞起来，反向旋转，尾部也没有尾桨，这都是为什么呢？咱们首先来了解尾桨存在的意义。大部分直升机都有尾桨，但是尾桨并不能产生升力，那它有什么用呢？前面讲过，螺旋桨在空气中旋转产生升力，同时空气会给螺旋桨一个阻力。螺旋桨受到的空气阻力被转化为了扭矩，这是一种“使物体旋转”的驱动力，扭矩沿着螺旋桨中间的轴传送给了机身。如果螺旋桨向左转，直升机的机身就会跟着向右转。显然，这样直升机没办法飞行。所以，设计师在离旋翼较远的地方安装了一个小小的尾桨，尾桨旋转会产生一个力矩，正好能够抵消机身旋转的力矩，直升机才能直线飞行。尾桨对直升机飞行至关重要，这也就是为什么你在电影里看到直升机尾桨受损后，都是打着转掉下去的。

　　如果直升机有两个主桨，而且它们的转速相同，旋转方向相反，会有什么结果呢？结果是两个主桨产生的旋转力矩正好抵消，直升机就不需要尾桨了。所以一些特殊构型的直升机，比如纵列双旋翼构型、共轴反转旋翼构型的直升机，就见不到尾桨了。但是这些构型的直升机也有不足之处，双主桨的结构更复杂，研发和保养难度都更大，所以目前大部分直升机还是采用单旋翼带尾桨的构型。

　　新型直升机：打破飞不快的魔咒

　　直升机最大的长处就是能够垂直起降，但是它也有一个致命的缺点——飞不快。

　　直升机飞不快，并不是因为发动机动力不够，而是因为直升机飞行原理的“先天不足”。直升机在静止不动时，旋翼上任何相同半径位置上的桨叶和空气的相对速度都是一致的。可当直升机向前飞起来之后，单旋翼直升机总有一侧的旋翼桨叶是相对于机身向后转的，而另一侧是向前转的，这会导致在直升机左右两侧对称的位置，旋翼和空气相对速度不一样，升力也不一致。虽然直升机可以依靠桨距调节器来平衡左右的升力差距，但效果是有限的。直升机的最大时速很少能够超过300 千米，因为过高的速度会导致直升机左右对称位置处的旋翼速度差距过大，从而失去升力，甚至有发生翻滚的危险。为了避免出现这种情况，单旋翼直升机的速度会有一个上限——这被称为直升机的临界速度。你看，不到300 千米的时速甚至比不过现在的高铁呢。

　　为了突破临界速度，近年来出现了若干种混合式高速直升机。这些直升机水平飞行时，有的依靠固定机翼提供升力，有的使用一对共轴反转旋翼来提供升力。它们都是直升机的发展方向。

　　旋翼飞行器大家族

　　除了直升机，实际上还有很多其他通过旋翼来飞行的飞行器。

　　比如现在最先进的垂直起降飞行器——倾转旋翼机。严格来说，倾转旋翼机属于横列式双旋翼直升机的变种。在起降时，它的两副旋翼垂直向上，这时对它的操控和对直升机的一致；在起飞后，它的两副旋翼会转向前方变成一对螺旋桨，此时飞机将作为固定翼飞机飞行。

　　这种飞行器不受直升机临界速度的影响，既能够像直升机那样垂直起降，还兼具传统固定翼飞机速度快和省油的优势。但是它价格昂贵，且由于升力系统需要变形，结构复杂，所以事故率居高不下。目前，美国投入了大量人力与资金对此进行研发，已经初见成效。

　　还有一种很像直升机的飞行器，叫作旋翼机。这种飞机上也有一副旋翼，还有一个用于推进的螺旋桨。但和直升机不同，它的旋翼没有动力，只由空气推动来旋转产生升力。旋翼机不需要反扭矩用的尾桨，但同时也失去了垂直起飞的能力，需要像固定翼飞机一样滑跑起飞，好在它滑跑的距离非常短。由于没有发动机驱动的复杂的旋翼系统，所以旋翼机的结构简单，操纵它自然也十分简单。它的飞行速度只有几十千米每小时，和街上的汽车差不多快。因为简单的外形、缓慢的速度和低廉的价格，它被称为“空中三蹦子”，在军事和民用领域都很受欢迎。

　　直升机因其可以垂直起降的特性，除了在军事上有应用外，在民用运输、抗震救灾、森林灭火、维护治安等领域也能大显身手。目前直升机制造业是世界各国争相发展的热门产业，我国在直升机研发领域起步较晚，但是发展迅速，目前军用、民用直升机都已接近或达到世界先进水平。未来，随着无人直升机、电动直升机等新技术、新产品的广泛应用，直升机将成为飞行器家族中一颗耀眼的明星。

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