直升機前飛性能_Forward Flight Performance
本文內容上接前一篇文章——直升機前飛性能概談（一）
# 海拔的影響
圖——直升機飛過摩天大廈
現在假設一架直升機爬升到了較高的海拔進行前飛。
就我們對氣體密度的認知，可以了解到，高海拔的空氣往往更為稀薄，因而從宏觀上講，直升機要產生與海平面一樣大小的升力（至少維持與直升機總重相同）就需要更快地誘導空氣穿過槳盤平面，藉此從空氣中獲得能量來維持飛行，顯然，在這一過程中，直升機所需要用到的誘導功率增加了。
同樣是由於空氣變得稀薄了，直升機機體各個氣動部件帶來地廢阻力將會降低，而直升機旋翼槳葉各個葉素微段的型阻力也會降低（當然，型阻降低的前提是葉素微段的氣動迎角是在失速迎角之下）。然而，在高海拔的情況下，直升機為了產生足夠的拉力，槳距一般會更大，槳葉的許多葉素微段也將更快達到失速迎角，從這個角度上來看，高海拔下，直升機的型阻功率不僅不會降低，很多時候反而會更快升高。
綜合上面所說的升升降降，通過對直升機飛行過程中的實際統計和理論分析可以發現，在高海拔的情況下，直升機懸停或者高速飛行狀態下，其功率需求一般都是要大于海平面飛行的功率需求。
但是，對於大多數中等速度（如巡航速度）前飛的直升機而言，其高海拔需用功率一般要比海平面需用功率小一點，但這一規則不適用於所有直升機。總的來說，這一條規則與兩個參數相關性較大——一是槳盤載荷，一是廢阻力——如果一台直升機槳盤載荷比較小，而廢阻力本身比較大的話，那麼它在高海拔巡航飛行時侯，功率需求將會比較低。
# 最優速度
對於直升機而言，不同飛行速度之間的優劣差異可以很大，根據這一點，就可以為直升機的不同飛行狀態選擇不同的最優飛行速度，在最優速度下飛行可以獲得最佳的性能、效率、經濟性或者安全性。
之所以存在種種最優速度，其基本原理就在於直升機需用功率的那一張馬鞍形曲線圖（國外也稱為碗狀曲線圖），在本文第一篇中已經列過直升機需用功率組成成分的圖，並配有詳細說明，此處不列出功率成分圖，若希望了解需用功率詳細組成，請參考上一篇。
圖——直升機功率-速度馬鞍形曲線圖
通過這張圖，直升機氣動設計師就可以確定一系列最優速度，包括：最佳爬升速度、最小自轉下滑速度、最大滑翔距離速度、最大盤旋時間速度以及最大航程速度。
最佳爬升速度的選取原則是在該速度下，直升機發動機的剩餘功率應當保持最大，從功率曲線來說，就是選取直升機需用功率和發攻擊可用功率之間間隔最大的速度。對於活塞式發動機而言，其可用功率隨速度基本不變；而渦輪軸發動機則由於隨著速度增加帶來的衝壓恢復使得其可用功率會隨著速度增大而有所增大。
圖——活塞式發動機
從我們的馬鞍形曲線來說，最適合爬升的速度一般就在馬鞍形的最低點。從理論分析的角度來說，與功率最低點速度直接相關的參數有：槳盤載荷（直接影響著誘導功率）、廢阻面積（直接影響著廢阻功率）。外形複雜且槳盤載荷低的直升機其最佳爬升速度往往要比外形光滑且槳盤載荷高的直升機要低。一般來說，典型的直升機的需用功率最低點速度會處於75到185千米時之間。
# 最大爬升速率
在的文章中，我已經對垂直爬升進行過說明——對於一台升降機（比如電梯）來說，垂直上升實則就是不斷將能量轉為勢能的結果，而對於直升機而言，由於垂直上升的過程中，大量的空氣不需要誘導速度就會自發穿過槳盤平面為直升機提供能量，因而垂直爬升對於直升機而言，比升降機可簡單多了。然而對於前飛爬升來說，自發穿過槳盤的氣流變化已經不大，因而直升機所需用的誘導功率的變化已經不再顯著。
除此之外，直升機垂直爬升過程中，機身姿態往往處於負迎角狀態，因而機身的廢阻力實則是增大了，並且為了保持平衡，直升機的尾槳需用功率也會增大。由此而言，想必垂直飛行，直升機需要更多的功率來克服廢阻力和供給尾槳功率需求。因而，總的來說，直升機的最大前飛速度比一台牽引功率和總重相同的理想升降機的爬升速度要低40%左右。
# 最大下降速率
功率速度曲線中功率最低點的速度也同樣是最適合用來進行自轉下滑的最小速度。在該速度下，用以維持直升機飛行的功率需求是最低的，因而直升機所積累的動能和高度勢在這種情況下可以儘可能緩慢地被用盡。
這一點也可用來解釋一個在實際飛行中被發現的驚人事實：在相同的旋翼轉速狀態下，那些載荷較多或者說總重較大的直升機反而會有更為穩定平緩的自轉下滑曲線，那些近乎空載或者較輕的直升機自轉下滑曲線反而更為陡峭。我們可以考慮一架直升機負載有50%空重的貨物以及空載的兩種不同情況——如果它們都在最佳自轉下滑速度下滑——重50%的直升機其高度勢能要大了50%，但是需用功率並不會大50%，因為對同一架直升機而言，更重一些往往只是對應了更多的誘導功率，而型阻功率和廢阻功率都是基本相同的，因而重量增大導致的需用功率增大不會達到50%，從這個角度來說，更重的直升機將會有更多的可用的高度勢能，從而具備更加的自轉下滑能力。但是，還是有特殊情況的，比如說，這一架直升機的槳盤面積較小，那麼他的槳盤載荷就會比較高，更大的重量意味著更高的槳盤載荷，也就意味著槳葉更容易失速，顯然，槳葉一旦失速，自轉下滑性能將大大變差，甚至會失敗。
# 最大滑翔距離
以最慢的速度自轉下滑與儘可能延長自轉下滑的距離是完全不同的兩種飛行狀態。要獲得最大滑翔距離的前飛速度，需用另外繪製一條切線（如上文功率曲線圖中Tangent Line所示），該切線與功率曲線的交點，就是最大滑翔距離的速度。這條切線的繪製原理大致類似於固定翼飛行器最大滑翔距離速度的確定——在該滑翔速度，飛行器的升力和阻力的比值應該達到最高點。
這個速度一般來說都會比最小自轉下降速度要來得大。
# 最大盤旋時間
圖——直升機著陸
相信讀者朋友坐飛機的時候，多半碰到過飛機需要在空中盤旋的情況，這種時候，要麼是氣候原因，要麼就是地面（機場）存在意外情況，無法降落或者不適宜降落，必須等地面工作人員處理好突發情況之後，飛行器才能降落。
直升機降落對場地要求雖然較低，但是仍然會碰上這種情況，這時候，我們就需要讓直升機保持停留在空中，等待合適降落時機，這時候，我們就需要讓直升機油箱中的燃油消耗儘可能慢。
對於活塞發動機而言，其燃油消耗與其功率輸出往往成正比，這時候，只需要按照最低需用功率速度飛行即可，而對於渦輪軸發動機而言，其燃油消耗往往比出軸功率更大，這時候，最佳的盤旋速度就需要改變了，雖然這種情況下也有一定的理論方法可以分析，但是實際情況不盡相同，往往要根據實際情況進行分析判斷來確定合適的盤旋速度，總的來說，這個速度是要大於最低需用功率速度的。
# 最大航程
圖——直升機在水面飛行
最大航程速度的獲取和最大滑翔距離速度的獲取方法有些類似，就是要在功率曲線圖上繪製一條燃油消耗切線，該切線與功率-速度曲線的交點就是所需的最大航程速度。
當然，上述一切討論都是相對於靜止的空氣而言的，但是實際飛行過程中，直升機一般都會在兩種情況下飛行——順風或者逆風。逆風情況下，直升機最大航程前飛速度一般需要更大，順風則更小，然而，儘管逆風情況下直升機飛行速度會更大，但是其單位油耗對應的公里數仍要比順風情況下小。
還有一點值得注意的是，對於渦輪軸發動機而言，雙發直升機在單發失效的情況下，往往更夠在經濟速度下獲得更大的航程，這主要是因為單個渦輪軸發動機消耗在壓縮機功率方面的燃油消耗比雙發少，當然，雙發顯然安全性和可靠性都更高，如果飛行員正在進行遠距離飛行（例如跨越大片水域）還是不要嘗試雙發失效後單發繼續飛行了，畢竟安全最重要，墜機入水可是最糟糕的情況了。
## 最大航程與發動機高度性能的關係
圖——渦輪軸發動機
對於目前直升機最常用的發動機——渦輪軸發動機——而言，其最大可用功率一般會隨著高度下降而下降，因此直升機在飛行過程中，其飛行速度的極值往往就在可用功率曲線和需用功率曲線的交點。
從性能的角度來考慮發動機的高度性能，可以發現，在某些具體的高度飛行可以獲得最大的好處，比如說，一台特定的渦輪軸發動機往往在某一具體的高度具備最大的可用功率或者在某一具體高度下，對應某一輸出功率需求，其消耗的燃油最少。
一般來說，一台典型的渦輪軸發動機在海拔3千米處的燃油消耗要比海平面處低10%到15%。因此，一架直升機若要獲得最大航程，就必須在發動機性能最佳的高度飛行。
但是，對大多數直升機而言，這一結論是和其總重直接相關的，也就是說，直升機重量不同的時候，其發動機最佳高度是不一樣的。對於滿載的直升機而言，其最佳高度往往靠近海平面，然而隨著飛行時間的增加，燃油逐漸消耗，直升機總重逐漸降低，其最佳高度將逐步提升，因此對於一架直升機而言，若要繪製一條最優飛行曲線，其海拔數值必然會隨著航程的增加而升高。到飛行快結束的時候，燃油即將耗盡，理論上的最佳高度往往會相當高，甚至可能說駕駛艙已經需要供氧了。
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