地面翻車，前飛後仰？直升機揮舞對操穩性的影響 一

# 引言

圖——直升機揮舞鉸偏置

直升機的揮舞對直升機的穩定性和操縱性而言（有時合起來稱之為操穩性），都是相當重要的因素。所謂穩定性就是指直升機能夠維持自身狀態不變的性能，若要從低到高來描述擁有不同穩定性的直升機的話，可以類比成——獨輪車、自行車、三輪車；所謂操縱性就是指直升機收到駕駛員的指令之後，是否能做出適當的響應的性能，若要分辨從操縱性好壞，你可以想像一下把一輛電瓶車、一輛重型貨車或者一輛重型坦克倒車入庫其操縱的區別。

依照上述定義，直升機的揮舞既可以是穩定性方面的因素，也可以是操縱性方面的因素。比如說，直升機旋翼揮舞狀態隨著飛行狀態的改變而發生了改變（期間，駕駛員沒有進行任何操縱），那麼揮舞這時候就應當看作是影響穩定性的因素來分析；而假如說，駕駛員進行了操縱，旋翼揮舞發生了改變，那麼揮舞就是一項影響操縱性的因素。不管是哪一種情況，揮舞主要產生的影響往往是體現為繞直升機重心的力矩的變化。

而造成力矩變化的原因主要有兩個：其一是揮舞導致旋翼槳尖平面發生改變，從而使得旋翼拉力矢量方向發生改變（旋翼拉力始終垂直於槳尖平面），從而對直升機重心形成一個力矩；其二是揮舞過程中，由於揮舞鉸偏置量的存在，產生了一個槳轂力矩。

從上述說明可以看出，對於全鉸接式旋翼而言，沒有揮舞鉸偏置量，旋翼揮舞對機身的力矩全部來自於拉力矢量的偏轉，對於這類旋翼而言，其旋翼軸一般比較長，使得旋翼離直升機重心的距離比較遠，這樣拉力矢量偏轉能產生較大的力矩，於操縱而言是比較有利的。

槳轂力矩是由旋翼槳葉高速旋轉的離心力產生的，對於偶數對槳葉來說，兩片相對的槳葉其離心力在旋翼軸方向的分量在對應兩側形成一對力偶，從而產生了槳轂力矩。通過槳轂力矩來形成繞直升機重心的力矩是很有好處的，首先，先對於前述的全鉸接式旋翼，帶揮舞偏置量的旋翼可以離直升機機身更近一些，並且，即便在旋翼拉力很小的時候，槳轂力矩仍然能為操縱直升機提供足夠的力矩，因此，這一特性在低拉重比機動飛行時很有用（Low-G Maneuvers）。

當然，揮舞偏置量也有其弊端——偏置量的存在會使得揮舞導致的不穩定特性被放大。比如說，對大揮舞偏置量的旋翼，起飛操縱必須非常小心，不然直升機很可能在地面開車過程中就發生側翻事故。

直升機揮舞帶來的穩定性問題主要可以歸為旋翼軸傾角相對於初始飛行軌跡的變化、俯仰或滾轉速率以及飛行速度的改變。若要對揮舞的特點做一個最基礎的說明，那就是作用在旋翼上的重力、離心力、氣動力和慣性力在揮舞鉸或等效揮舞鉸（對應無鉸式旋翼）上的合力矩必須為零。

穩定性和操縱性對於直升機的飛行品質而言都是最基本的屬性，下文就將對幾個典型狀況下上述的種種因素對直升機的影響做出論述。

# 懸停狀態下姿態的變化

圖——直升機懸停

直升機在懸停過程中如果發生姿態的改變，氣動作用會自發驅動旋翼揮舞到與旋翼軸垂直的狀態，下面以兩片槳葉的右旋旋翼懸停後仰為例進行說明。

首先直升機懸停後仰的初始階段，旋翼就如同陀螺儀一樣，仍然保持初始位置不變，但是旋翼的後仰導致了變距平面的改變，對於右旋旋翼而言，其右手側槳葉的槳距自然就增大了，氣動力因而增大了，左手側的槳葉的槳距自然就減小了了，氣動力自然就減小了，兼之旋翼的揮舞響應會滯後90°，從而使得旋翼槳盤平面因揮舞而後倒，後倒的旋翼槳盤平面在垂直於旋翼軸的時候將會因此進入新的平衡狀態。對於快速的後仰來說，這個自平衡的過程是很快的，往往不會超過旋翼轉一圈的時間，由此來說，旋翼的揮舞運動對直升機懸停姿態穩定性而言，是基本沒有影響的。

# 前飛狀態下姿態的變化

圖——直升機前飛

如果是前飛過程中，直升機滾轉的話，因為飛行過程中不存在橫向來流，所以這時候情況和懸停時後基本沒差別，旋翼相對於旋翼軸的揮舞運動將會很快實現平衡。但是，對過旋翼縱向姿態發生變化（俯仰），由於氣流速度的不均勻分布，情況就不大相同了。

同樣以直升機後仰為例，初始階段，前飛和懸停並沒有太大差別，旋翼首先短暫保持初始槳盤平面不變，隨後由於槳距角改變而揮舞后倒，這時候，與懸停不同的地方出現了，旋翼揮舞后倒到與旋翼軸垂直的狀態時，旋翼仍然沒有達到平衡位置。

這是直升機前飛來流速度導致的現象。旋翼槳葉周圍的氣動環境可以參考我之前的關於直升機前飛和旋翼槳葉氣動環境的專題，這裡簡略說下——旋翼前行側和後行側槳葉來流分別是旋轉相對來流速度和前飛來流速度的矢量和與差，因此考慮前行側的合速度比較大，迎角比較小，後行側的合速度比較小，但迎角因而比較大，且兩者都是正迎角。最終結果是前行側的升力要大一些，畢竟升力與迎角和合速度平方的乘積成正比，顯然速度的影響更大一些。

這就使得旋翼揮舞后倒角將比懸停的位置更大一些才會達到平衡位置。揮舞后倒角在數值上，大致與前飛來流速度的平方成正比。也就是說，從總體結果上來看，前飛過程中，揮舞對穩定性產生了不利的影響，因為，揮舞后倒角變大之後，會產生一個抬頭力矩，會使得直升機進一步抬頭。

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