想設計一架直升機？這是你必須先做的第一步——氣動布局概談

圖——貝爾最新傾轉旋翼機 V-280 勇氣 總裝下線

今天這篇的內容都是乾貨（沒法直接跳過正文專業理論只看結論啦），對直升機設計有興趣的小夥伴認真看看正文吧，雖然專業概念多了些，但是很實用！

後面我會響應讀者要求，儘快出幾期文章專門講講直升機專業名詞，以免諸君看文章時候被名詞弄混淆。

下面是正篇。

直升機氣動布局導言

圖——典型直升機氣動部件示意圖

直升機的氣動布局是指直升機氣動外形、各部件的外形、參數及相互位置的確定，其目的是使直升機具有所要求的空氣動力性能一飛行性能及撰縱性、穩定性。因此，以前所討論的型式選擇及設計參數選擇也應包括於其中。

氣動布局和總體布置都是直升機總體布局的工作內容，這兩方面工作是不可分的。氣動布局要通過總體布局才能體現，也就是說，進行氣動布局時必須考慮到總體布局的可能性，進行總體布局時又必須滿足氣動布局的要求。在進行總體設計時，這兩方面的工作往往是同時進行、相互協調的。

但是，對於航空飛行器而言，其飛行環境都在大氣層內，氣動問題是一切問題的基礎，因而氣動布局也是一切設計的基礎。在分析氣動布局時，除了主要從空氣動力的要求考慮以外，還必須考慮到最小重量、使用、工藝等方面的要求及結構布置的可能性。

操縱性和穩定性方面的考慮

圖——執行運輸任務的支奴干，縱列式直升機由於沒有尾槳和平尾，航向穩定性比常規直升機較弱

直升機是否具有良好的飛行動力學特性在很大程度上取決於氣動布局。在氣動布局中必須保證直升機在前飛時，具有一定的迎角靜穩定性、速度靜穩定性、航向靜穩定性、上反效應及角速度阻尼等。

直升機的旋翼及機身往往是迎角靜不穩定的，因此，必須採取其他措施，來抵消這些部分的迎角靜不穩定性，如安裝水平尾面。假如通過氣動布局能使直升機在平衡狀態時旋翼合力位於重心之後，也可以改善迎角靜不穩定性。除此以外，氣動

布局還必須保證飛行狀態改變時，如由懸停轉入前飛、前飛轉入自轉等，作用在直升機上的力矩不致於產生突然的變化。通過氣動布局及重心定位，還應保證在各種飛行狀態及極限重心位置直升機的平衡，並留有一定的操縱餘量。

直升機特有的複雜的氣動干擾

圖——阿帕奇複雜的干擾流場

在直升機氣動布局設計時，各部件相互氣動干擾是要考慮的重要內容之一。在直升機研製史上，曾多次因為氣動布局失誤而導致研製工作的反覆。

氣動干擾主要是旋翼與機身（包括機身、動力艙、短翼等）的氣動干擾，旋翼下洗流對平尾和垂尾及尾槳的干擾，尾槳與垂尾的干擾。

小速度時，旋翼下洗流對動力艙和短翼及機身產生「垂直增重」效應，即由於下洗流作用在機身等部件上時產生相應的阻力，從而減少了旋翼的拉力，一般在性能計算中，採用「垂直增重」係數對旋翼產生拉力做出修正。因此，在機身氣動外形設計時，要充分考慮這一因素。下洗流作用在動力艙時，還會產生一種「迫振效應（又稱迴轉顫振）」，導致機身強烈的振動，這在國外和國內都發生過。

旋翼下洗流對平尾的效率產生較大的影響，同時下洗流也是產生機身後段（包括平尾、垂尾）振動的重要原因之一，AH-64、SA365、EC-120直升機就曾因為這些原因，導致平尾和機身後段的重新設計。

垂尾對尾槳將產生「阻滯效應」，即處於垂尾一側的尾槳，由於垂尾對尾槳進氣產生一種阻滯作用，從而降低尾獎的效率。因此，在氣動布局時要恰當地安排兩者相互位置，避免或減少這種影響。

直升機氣動干擾計算分析中的困難

圖——直升機旋翼CFD流場圖_NASA

一般來說，對上述部件間相互干擾，還很難採用計算分析方法確定，因此在考慮全機氣動布局時，要對已有機型加以分析總結（因而目前分析手段實則是一種基於經驗和統計數據的簡化模型方法），以減少這種布局上的失誤。

有的讀者朋友可能會說——現在計算流體力學（CFD）不是搞得如火如荼嗎？國產大飛機都能進行全場CFD模擬了，怎麼直升機就不行嗎？

是的！大飛機行，直升機就不行！其主要原因就在於直升機的旋翼，直升機的旋翼與常規空氣螺旋槳的最大區別有兩點：

第一點是——旋翼在旋轉的同時，還存在變距運動、揮舞運動以及擺振運動，並且，三種運動之間還存在強耦合關係！

第二點是——旋翼的旋轉平面與來流的方向幾乎平行，這就導致了旋翼周期旋轉的過程中，左右兩側的來流與旋轉速度相反，這就導致了旋翼流場各處的雷諾數（表徵流場中慣性力與粘性力關係的參數）等湍流特性都不一致，很難用一種統一的湍流模型表示出來；

綜合以上兩點，常規飛行器的網格繪製和計算手段都不能滿足複雜的旋翼流場，雖然說直升機的旋翼CFD計算已經有了長足的進步，然而在世界範圍內，快速高效而且準確的旋翼CFD分析還是難以實現的。

總結

氣動布局是直升機總體設計的第一步，也幾乎是所有航空飛行器設計的第一步，但是氣動布局在直升機設計中本身也是一個不斷調整完善的過程，也就是說，隨著直升機設計的推進和迭代，氣動布局也將隨之變化，甚至有可能在最終的直升機設計中氣動布局已經完全不同於最初的設計。

圖——準備地面開車試驗的V-280

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