直升機懸停性能是怎樣影響旋翼的設計？看我這篇就夠了

摘要

對於直升機而言，懸停和低速機動是它有別於固定翼飛機的重要特點，也是它在種種特殊任務的執行中，脫穎而出的巨大優勢。

本文將從理論方法開始，論述下直升機懸停性能在直升機旋翼設計中的重要影響。

在直升機的設計、研製過程中，研製、試驗、試飛是最為重要的環節，在早期的直升機製造工業中，這也是最常見的直升機研發步驟，然而，由此而研製出的直升機，出現了各種各樣的問題，結構上的、動力上的，不一而足。

也是由此，人們開始重視理論方法在直升機型號發展中的重要作用，如今，無論輕型、中型、重型直升機，甚至微型無人直升機的研製過程中都會把理論設計擺在第一步，畢竟，若是理論上都行不通，那麼造出來的直升機也別想著飛了。

對於直升機而言，懸停和低速機動是它有別於固定翼飛機的重要特點，也是它在種種特殊任務的執行中，脫穎而出的巨大優勢。

下面，我將從理論方法開始，論述下直升機懸停性能中的重點內容。

理論方法

動量理論來源於牛頓經典力學定律——力的作用是相互的，當一方給另一方施加一個力的時候，另一方也必將施加一個大小相等，方向相反的力給這一方。

這個理論很好地解釋了直升機能夠通過轉動旋翼來獲得拉力的原因——轉動的旋翼切割空氣，吸引空氣穿過槳盤運動到旋翼下方，在這個過程中，旋翼給氣流一個作用力，氣流必將反饋給旋翼一個反向的作用力，當短時間內穿過的氣流足夠多的時候，氣流反饋的作用力就足夠強，便能將整個直升機拉起。

旋翼的這種能將氣流牽引到下方的能力，我們一般會稱之為「誘導」（Induced），由此，旋翼牽引氣流穿過槳盤的速度就被稱為「誘導速度」，因「誘導」氣流而穿過槳盤所需用的發動機功率就被稱為「誘導功率」。

因為旋翼這種誘導氣流的行為從宏觀上看就像流體滑過槳盤，因而動量理論又被稱為滑流理論。

現在我們意識到了旋翼拉力的大小是和其誘導穿過槳盤的空氣量是直接相關的，那顯然可以發現，槳盤越大，只需要更小的誘導速度就能夠誘導足夠多的氣流穿過槳盤，這也是為什麼旋翼尺寸越小，越需要轉得快的一個原因——它需要更大的誘導速度。

設計上的折衷

上文說了，旋翼槳盤越大，就能夠輕鬆地誘導更多地氣流，那麼為什麼旋翼槳葉不做得儘可能大呢？

一方面是——材料製作工藝不允許，旋翼槳葉較為細長，若半徑過大，很容易斷裂；

另一方面是——發動機不允許，大尺寸的旋翼更容易達到較大地扭矩，發動機無法承受。

最大槳盤載荷

上文說到了旋翼不能太大，現在說說旋翼為什麼不能太小。

較小的旋翼對應著較小的槳盤面積，針對相同的拉力情況下，小面積旋翼，其槳盤平面內單位面積所需提供的拉力——這就是槳盤載荷——就比較大，這種情況下，旋翼的操縱性將會變差，此外，旋翼的自轉下滑能力也會變得更差（關於自轉這項內容感興趣的可以翻閱本號之前的文章，有詳細說明），也就是旋翼的安全性就會變差，因而旋翼也不能太小。

品質因子

品質因子又叫做懸停效率，它是懸停誘導功率與懸停整機需用功率的比值，通過上文說明，我們已經知道，懸停時，旋翼產生升力依賴於誘導作用，因而可以認為，誘導功率就是懸停時的「實用功率」，而其他比如型阻功率、傳動損耗等都是「無效功率」，因而品質因子越大，直升機懸停效率越高。

而型阻功率意指旋翼翼型阻力帶來的功率損耗，這一項往往通過選取更合適的翼型來改善。

干擾作用

且不說多旋翼直升機其多個旋翼之間的干擾，單個旋翼不同槳葉之間，其尾流也會互相干擾，這被稱為——槳渦干擾。

由於懸停時，旋翼尾流不會被前飛來流吹向後方，所以其槳渦干擾現象特別顯著。

槳渦干擾會影響氣動性能、槳葉振動載荷以及造成巨大的噪音。為了降低槳渦干擾，現代化的直升機旋翼一般都會採用槳尖下反的設計，這樣，前一片槳葉的槳尖產生的尾流就會比後一片較低，就不容易造成干擾了。

發動機功率

一般來說，一架典型直升機懸停時，需用功率是整個飛行過程中最高的，所以發動機的功率必須要能夠滿足懸停所需，此外，還要計入功率傳遞損失等問題，從能選擇合適的發動機。

總的來說，直升機旋翼的設計是一項統籌兼顧的工作，除了上述的問題，材料工藝水平、動力學結構問題也是相當複雜，但這些一般都作為直升機動力學的內容來考慮，本文著重懸停性能，故而不詳談了，如有讀者感興趣，可以留言，下期可作個專題講講。

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