【簡介：】直升機主要由機體和升力（含旋翼和尾槳）、動力、傳動三大系統(tǒng)以及機載飛行設(shè)備等組成。旋翼一般由渦輪軸發(fā)動機或活塞式發(fā)動機通過由傳動軸及減速器等組成的機械傳動系統(tǒng)來驅(qū)動

直升機主要由機體和升力（含旋翼和尾槳）、動力、傳動三大系統(tǒng)以及機載飛行設(shè)備等組成。旋翼一般由渦輪軸發(fā)動機或活塞式發(fā)動機通過由傳動軸及減速器等組成的機械傳動系統(tǒng)來驅(qū)動，也可由槳尖噴氣產(chǎn)生的反作用力來驅(qū)動。目前實際應(yīng)用的是機械驅(qū)動式的單旋翼直升機及雙旋翼直升機，其中又以單旋翼直升機數(shù)量最多。

??? 直升機的最大速度可達300km/h以上，俯沖極限速度近400km/h,使用升限可達6000m（世界紀錄為12450m）,一般航程可達600～800km左右。攜帶機內(nèi)、外副油箱轉(zhuǎn)場航程可達2000km以上。根據(jù)不同的需要直升機有不同的起飛重量。當前世界上投入使用的重型直升機最大的是俄羅斯的米-26（最大起飛重量達56t，有效載荷20t）。

直升機的突出特點是可以做低空（離地面數(shù)米）、低速（從懸停開始）和機頭方向不變的機動飛行，特別是可在小面積場地垂直起降。由于這些特點使其具有廣闊的用途及發(fā)展前景。在軍用方面已廣泛應(yīng)用于對地攻擊、機降登陸、武器運送、后勤支援、戰(zhàn)場救護、偵察巡邏、指揮控制、通信聯(lián)絡(luò)、反潛掃雷、電子對抗等。在民用方面應(yīng)用于短途運輸、醫(yī)療救護、救災(zāi)救生、緊急營救、吊裝設(shè)備、地質(zhì)勘探、護林滅火、空中攝影等。海上油井與基地間的人員及物資運輸是民用的一個重要方面。

目前直升機相對飛機而言，振動和噪聲水平較高、維護檢修工作量較大、使用成本較高，速度較低，航程較短。直升機今后的發(fā)展方向就是在這些方面加以改進。

直升機的發(fā)展簡史

中國的竹蜻蜓

中國的竹蜻蜓和意大利人達芬奇的直升機草圖，為現(xiàn)代直升機的發(fā)明提供了啟示，指出了正確的思維方向，它們被公認是直升機發(fā)展史的起點。

??? 竹蜻蜓又叫飛螺旋和“中國陀螺”，這是我們祖先的奇特發(fā)明。有人認為，中國在公元前400年就有了竹蜻蜓，另一種比較保守的估計是在明代(公元1400年左右)。這種叫竹蜻蜓的民間玩具，一直流傳到現(xiàn)在。

??? 現(xiàn)代直升機盡管比竹蜻蜓復(fù)雜千萬倍，但其飛行原理卻與竹蜻蜓有相似之處?，F(xiàn)代直升機的旋翼就好像竹蜻蜓的葉片，旋翼軸就像竹蜻蜓的那根細竹棍兒，帶動旋翼的發(fā)動機就好像我們用力搓竹棍兒的雙手。竹蜻蜓的葉片前面圓鈍，后面尖銳，上表面比較圓拱，下表面比較平直。當氣流經(jīng)過圓拱的上表面時，其流速快而壓力??；當氣流經(jīng)過平直的下表面時，其流速慢而壓力大。于是上下表面之間形成了一個壓力差，便產(chǎn)生了向上的升力。當升力大于它本身的重量時，竹蜻蜓就會騰空而起。直升機旋翼產(chǎn)生升力的道理與竹蜻蜓是相同的。

《大英百科全書》記載道：這種稱為“中國陀螺”的“直升機玩具”在15世紀中葉，也就是在達芬奇繪制帶螺絲旋翼的直升機設(shè)計圖之前，就已經(jīng)傳入了歐洲。

《簡明不列顛百科全書》第9卷寫道：“直升機是人類最早的飛行設(shè)想之一，多年來人們一直相信最早提出這一想法的是達?芬奇，但現(xiàn)在都知道，中國人比中世紀的歐洲人更早做出了直升機玩具?！?br>
??? 意大利達芬奇的畫

意大利人達芬奇在1483年提出了直升機的設(shè)想并繪制了草圖。

19世紀末，在意大利的米蘭圖書館發(fā)現(xiàn)了達芬奇在1475年畫的一張關(guān)于直升機的想象圖。這是一個用上漿亞麻布制成的巨大螺旋體，看上去好像一個巨大的螺絲釘。它以彈簧為動力旋轉(zhuǎn)，當達到一定轉(zhuǎn)速時，就會把機體帶到空中。駕駛員站在底盤上，拉動鋼絲繩，以改變飛行方向。西方人都說，這是最早的直升機設(shè)計藍圖。

人類第一架直升機

1907年8月，法國人保羅?科爾尼研制出一架全尺寸載人直升機，并在同年11月13日試飛成功。這架直升機被稱為“人類第一架直升機”。這架名為“飛行自行車”的直升機不僅靠自身動力離開地面0.3米，完成了垂直升空，而且還連續(xù)飛行了20秒鐘，實現(xiàn)了自由飛行。

保羅科爾尼研制的直升機帶兩副旋翼，主結(jié)構(gòu)為一根V形鋼管，機身由V形鋼管和6個鋼管構(gòu)成的星形件組成，并采用鋼索加強，以增加框架結(jié)構(gòu)的剛度。V形框架中部安裝一臺24馬力的 Antainette 發(fā)動機和操作員座椅。機身總長6.20米，重260千克。V形框架兩端各裝一副直徑為6米的旋翼，每副旋翼有2片槳葉。

世界上第一種試飛成功的直升機

1938年，年輕的德國姑娘漢納賴奇駕駛一架雙旋翼直升機在柏林體育場進行了一次完美的飛行表演。這架直升機被直升機界認為是世界上第一種試飛成功的直升機。

1936年，德國福克公司在對早期直升機進行多方面改進之后，公開展示了自己制造的FW-61直升機，1年后該機創(chuàng)造了多項世界紀錄。這是一架機身類似固定翼飛機，但沒有固定機翼的大型雙旋翼橫列式直升機，它的兩副旋翼用兩組粗大的金屬架分別向右上方和左上方支起，兩副旋翼水平安裝在支架頂部。槳葉平面形狀是尖削的，用揮舞鉸和擺振鉸連接到槳轂上。用自動傾斜器使旋翼旋轉(zhuǎn)平面傾斜進行縱向操縱，通過兩副旋翼朝不同方向傾斜實現(xiàn)偏航操縱。旋翼槳葉總距是固定不變的，通過改變旋翼轉(zhuǎn)速來改變旋翼拉力。利用方向舵和水平尾翼來增加穩(wěn)定性。FW61旋翼轂上裝有周期變距裝置，在旋翼旋轉(zhuǎn)過程中可改變槳葉槳距。還有一根可變動槳距的操縱桿來改變旋翼面的傾斜度，以實現(xiàn)飛行方向控制。FW61就是靠這套周期變距裝置和操縱桿保證了它的機動飛行。該機旋翼直徑7米。動力裝置是一臺功率140馬力的活塞發(fā)動機。這是世界上第一架具有正常操縱性的直升機。該機時速100~120公里，航程200公里，起飛重量953千克。

第一架實用直升機
1939年春，美國的伊戈爾?西科斯基完成了VS-300直升機的全部設(shè)計工作，同年夏天制造出一架原型機。這是一架單旋翼帶尾槳式直升機，裝有三片槳葉的旋翼，旋翼直徑8.5米，尾部裝有兩片槳葉的尾槳。其機身為鋼管焊接結(jié)構(gòu)，由V型皮帶和齒輪組成傳動裝置。起落架為后三點式，駕駛員座艙為全開放式。動力裝置是一臺四氣缸、75馬力的氣冷式發(fā)動機。這種單旋翼帶尾槳直升機構(gòu)型成為現(xiàn)在最常見的直升機構(gòu)型。

自首次系留飛行以來，西科斯基不斷對VS-300進行改進，逐步加大發(fā)動機的功率。1940年5月13日，VS-300進行了首次自由飛行，當時安裝了90馬力的富蘭克林發(fā)動機。

世界上第一種投入批生產(chǎn)的直升機
??? R-4是美國沃特-西科斯基公司20世紀40年代研制的一種2座輕型直升機,是世界上第1種投入批量生產(chǎn)的直升機，也是美國陸軍航空兵、海軍、海岸警衛(wèi)隊和英國空軍、海軍使用的第一種軍用直升機。該機的公司編號為VS-316，VS-316A。美國陸軍航空兵的編號為R-4，美國海軍和海岸警衛(wèi)隊的編號為HNS-1，英國空軍將其命名為“食蚜虻”1(Hoverfly1)，英國海軍將其命名為“牛虻”(Gadfly)。早期的活塞式發(fā)動機和木質(zhì)槳葉直升機
??? 在20世紀40年代至50年代中期是實用型直升機發(fā)展的第一階段，這一時期的典型機種有：美國的S-51、S-55/H-19、貝爾47；蘇聯(lián)的米-4、卡-18；英國的布里斯托爾-171；捷克的HC-2等。這一時期的直升機可稱為第一代直升機。

貝爾47是美國貝爾直升機公司研制的單發(fā)輕型直升機，研制工作開始于1941年，試驗機貝爾30于1943年開始飛行，1945年改名為貝爾47，1946年3月8日獲得美國民用航空署(CAA)的適航證，這是世界上第一架取得適航證的民用直升機。該機是單旋翼帶尾槳式布局、兩葉槳葉的蹺蹺板式旋翼。旋翼下面有穩(wěn)定桿，與槳葉呈直角。普通的自動傾斜器可進行總距和周期變距操縱。尾梁后部有兩個槳葉的全金屬尾槳。

卡-18是蘇聯(lián)卡莫夫設(shè)計局設(shè)計的單發(fā)雙旋翼共軸式輕型多用途直升機，于1957年年中首次飛行，此后不久投入批生產(chǎn)。采用兩副旋轉(zhuǎn)方向相反的3槳葉共軸式旋翼，槳葉為木質(zhì)結(jié)構(gòu)。裝1臺275馬力的九缸星形活塞式發(fā)動機。機身為鋼管焊接結(jié)構(gòu)，具有輕金屬蒙皮和硬殼式尾梁。座艙內(nèi)可容納1名駕駛員和3名旅客。采用四輪式起落架，前起落架機輪可以自由轉(zhuǎn)向。

這個階段的直升機具有以下特點：動力源采用活塞式發(fā)動機，這種發(fā)動機功率小，比功率低(約為1.3千瓦/千克)，比容積低(約247.5千克/米3)。采用木質(zhì)或鋼木混合結(jié)構(gòu)的旋翼槳葉，壽命短，約為600飛行小時。槳葉翼型為對稱翼型，槳尖為矩形，氣動效率低，旋翼升阻比為6.8左右，旋翼效率通常為0.6。機體結(jié)構(gòu)采用全金屬構(gòu)架式，空重與總重之比較大，約為0.65。沒有必要的導(dǎo)航設(shè)備，只有功能單一的目視飛行儀表，通信設(shè)備為電子管設(shè)備。動力學(xué)性能不佳，最大飛行速度低(約為200千米/小時)，振動水平在0.25g左右，噪聲水平約為110分貝，乘坐舒適性差。渦軸發(fā)動機和金屬槳葉直升機
20世紀50年代中期至60年代末是實用型直升機發(fā)展的第二階段。這個階段的典型機種有：美國的S-61、貝爾209/AH-1、貝爾204/UH-1，蘇聯(lián)的米-6、米-8、米-24，法國的SA321“超黃蜂”等。這個時期開始出現(xiàn)專用武裝直升機，如AH-1和米-24。這些直升機稱為稱為第二代直升機。

這個階段的直升機具有以下特點：動力源開始采用第一代渦輪軸發(fā)動機。渦輪軸發(fā)動機產(chǎn)生的功率比活塞式發(fā)動機大得多，使直升機性能得到很大提高。第一代渦輪軸發(fā)動機的比功率約為3.62千瓦/千克，比容積為294.9千瓦/米3左右。直升機旋翼槳葉由木質(zhì)和鋼木混合結(jié)構(gòu)發(fā)展成全金屬槳葉，壽命達到1200飛行小時。槳葉翼型為非對稱的，槳尖簡單尖削與后掠，氣動效率有所提高，旋翼升阻比達到7.3，旋翼效率提高到0.6。機體結(jié)構(gòu)為全金屬薄壁結(jié)構(gòu)，空重與總重之比降低到0.5附近。已采用減振的吸能起落架和座椅。機體外形開始考慮流線化，以減小氣動阻力。直升機座艙開始采用縱列式布置，使機身變窄。性能明顯改善，最大飛行速度達到200~250千米/小時，振動水平降低到0.15g左右，噪聲水平為100分貝，乘坐舒適性有所改善。

第三代直升機

20世紀70年代至80年代是直升機發(fā)展的第三階段，典型機種有：美國的S-70/UH-60“黑鷹”、S-76、AH-64“阿帕奇”，蘇聯(lián)的卡-50、米-28，法國的SA365“海豚”，意大利的A129“貓鼬”等。

在這一階段，出現(xiàn)了專門的民用直升機。為了深入研究直升機的氣動力學(xué)和其它問題，這時也設(shè)計制造了專用的直升機研究機(如S-72和貝爾533)。各國競相研制專用武裝直升機，促進了直升機技術(shù)的發(fā)展。

這個階段的直升機具有以下特點：渦輪軸發(fā)動機發(fā)展到第二代，改用了自由渦軸結(jié)構(gòu)，因此具有較好的轉(zhuǎn)速控制特征，改善了起動性能，但加速性能沒有定軸結(jié)構(gòu)的好。發(fā)動機的重量和體積有所減小，壽命和可靠性均有提高。典型的發(fā)動機耗油率為0.36千克/千瓦小時，與活塞式發(fā)動機差不多。旋翼槳葉采用復(fù)合材料，其壽命比金屬槳葉有大幅度提高，達到3600小時左右。翼型不再借用固定翼飛機的翼型，而是為直升機專門研制的翼型，即二維曲線變化翼型。槳尖呈拋物線后掠。槳轂廣泛使用彈性軸承，有的成無鉸式。尾槳已開始采用效率高又安全的涵道尾槳。旋翼升阻比達8.5左右，旋翼效率提高到0.7左右。機體次結(jié)構(gòu)也采用復(fù)合材料制造，復(fù)合材料占機體總重的比例通常為10%左右，直升機的空重/總重比一般為0.5。對于軍用直升機，特別是武裝直升機來說，提出了抗彈擊和耐墜毀要求。美軍方提出了軍用直升機耐毀標準MIL-STD-1290，已成為軍用直升機的設(shè)計標準。為滿足這些標準，軍用直升機采用了乘員裝甲保護，專門設(shè)計了耐墜毀起落架、座椅和燃油系統(tǒng)。電子系統(tǒng)已發(fā)展到半集成型。直升機采用大規(guī)模集成電路通訊設(shè)備、集成的自主導(dǎo)航設(shè)備、集成儀表、電子式與機械式混合操縱機構(gòu)等。機上的電子設(shè)備之間靠一條雙向數(shù)字數(shù)據(jù)總線交連，通過這條總線可進行信息發(fā)射和接收。直升機采用混合布置的局部集成駕駛艙。第一代夜視系統(tǒng)的使用使直升機具備了夜間飛行能力。這種較為先進的半集成電子設(shè)備使直升機通訊距離顯著增大，導(dǎo)航距離與精度明顯提高，儀表數(shù)量有所減少，飛行員工作負荷得到減輕，也使直升機具備了機動/貼地飛行以及在不利氣象/夜間條件下的飛行能力，從而提高了直升機的整體性能。動力學(xué)性能明顯提高。直升機的升阻比達到5.4，全機振動水平約為0.1g，噪聲水平低于95分貝，最大飛行速度達到300千米/小時。

現(xiàn)代直升機

20世紀90年代是直升機發(fā)展的第四階段，出現(xiàn)了目視、聲學(xué)、紅外及雷達綜合隱身設(shè)計的武裝偵察直升機。典型機種有：美國的RAH-66和S-92，國際合作的“虎”、NH90和EH101等，稱為第四代直升機。

這個階段的直升機具有以下特點：采用第3代渦軸發(fā)動機，這種發(fā)動機雖然仍采用自由渦軸結(jié)構(gòu)，但采用了先進的發(fā)動機全權(quán)數(shù)字控制系統(tǒng)及自動監(jiān)控系統(tǒng)，并與機載計算機管理系統(tǒng)集成在一起，有了顯著的技術(shù)進步和綜合特性。第3代渦軸發(fā)動機的耗油率僅為0.28千克/千瓦小時，低于活塞式發(fā)動機的耗油率。其代表性的發(fā)動機有T800、RTM322和RTM390。槳葉采用碳纖維、凱芙拉等高級復(fù)合材料制成，槳葉壽命達到無限。新型槳尖形狀繁多，較突出的有拋物線后掠形和先前掠再后掠的BERP槳尖。這些新槳尖的共同特點是可以減弱槳尖的壓縮性效應(yīng)，改善槳葉的氣動載荷分布，降低旋翼的振動和噪聲，提高旋翼的氣動效率。球柔性和無軸承槳轂獲得了廣泛應(yīng)用，槳轂殼體及槳葉的連接件采用復(fù)合材料，使結(jié)構(gòu)更為緊湊，重量大為降低，阻力大大減小。旋翼升阻比達到10.5，旋翼效率為0.8。這個階段應(yīng)用了無尾槳反扭矩系統(tǒng)，其優(yōu)點是具有良好的操縱響應(yīng)特性、振動小、噪聲低，不需要尾傳動軸和尾減速，使零部件數(shù)量大大減小，因而提高了可維護性。復(fù)合材料在直升機上獲得了前所未有的廣泛應(yīng)用。直升機開始采用復(fù)合材料主結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料的應(yīng)用比例大幅度上升，通常占機體結(jié)構(gòu)重量的30~50%。這一時期的民用型直升機的空重/總重比約為0.37。高度集成化的電子設(shè)備。計算機技術(shù)、信息技術(shù)及智能技術(shù)在直升機上獲得應(yīng)用，直升機電子設(shè)備朝著高度集成化方向發(fā)展。這一時期的直升機，采用了先進的增穩(wěn)增控裝置，用電傳、光傳操縱取代了常規(guī)的操縱系統(tǒng)，采用先進的捷聯(lián)慣導(dǎo)、衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備及組合導(dǎo)航技術(shù)，先進的通訊、識別及信息傳輸設(shè)備，先進的目標識別、瞄準、武器發(fā)射等火控設(shè)備及先進的電子對抗設(shè)備，采用了總線信息傳輸與數(shù)據(jù)融合技術(shù)，并正向傳感器融合方向發(fā)展。機上的電子、火控及飛行控制系統(tǒng)等通過多余度數(shù)字數(shù)據(jù)總線交連，實現(xiàn)了信息共享。采用了多功能集成顯示技術(shù)，用少量多功能顯示器代替大量的單個儀表，通過鍵盤控制顯示直升機的飛行信息，利用中央計算機對通訊、導(dǎo)航、飛行控制、敵我識別、電子對抗、系統(tǒng)監(jiān)視、武器火控的信息進行集成處理從而進行集成控制。采用這類先進的集成電子設(shè)備，大大簡化了直升機座艙布局和儀表板布置，系統(tǒng)部件得到簡化，重量大大減輕。更主要的是極大地減輕了飛行員工作負擔，改善了直升機的飛機品質(zhì)和使用性能。直升機的全機升阻比達到6.6，振動水平降到0.05g，噪聲水平小于90分貝，最大速度可達到350千米/小時。

直升機的飛行原理

直升機的頭上有個大螺旋槳，尾部也有一個小螺旋槳，小螺旋槳為了抵消大螺旋槳產(chǎn)生的反作用力。直升機發(fā)動機驅(qū)動旋翼提供升力，把直升機舉托在空中，旋翼還能驅(qū)動直升機傾斜來改變方向。螺旋槳轉(zhuǎn)速影響直升機的升力，直升機因此實現(xiàn)了垂直起飛及降落。


水平面內(nèi)的機動，如加速和減速、盤旋、轉(zhuǎn)彎、水平“8”字機動、蛇形機動等；

鉛垂平面內(nèi)的機動，如急躍升和俯沖；

空間立體機動，如盤旋下降、戰(zhàn)斗轉(zhuǎn)彎，躍升中的回轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)彎。

? 這些動作屬于簡單特技。 屬于復(fù)雜特技的有：筋斗、橫滾、蘭威斯曼特技和若干其他特技，如倒飛等。在一定條件下這些特技動作，能在某些型號直升機上完成。另外，按照直升機運動的特性，機動飛行分為穩(wěn)定和不穩(wěn)定兩種，其加速度保持不變的稱為穩(wěn)定機動，如穩(wěn)定盤旋；而變加速度機動，則稱作不穩(wěn)定機動。下面分析幾種典型機動飛行。下面分析幾種典型機動飛行。

水平直線加速機動

當速度加大后，機身阻力也隨之加大，若要保持同樣大小的加速度，則要求增大槳盤傾斜角和旋翼拉力。如果得不到滿足，則直升機平飛加速度就會隨之減小至零，而直升機就會在一個較大的飛行速度下平飛。

水平轉(zhuǎn)彎?

假設(shè)直升機以一定速度、一定高度向右轉(zhuǎn)彎，即所謂等高、等速水平轉(zhuǎn)彎。這種情況下，槳盤側(cè)向傾斜17．3度，旋冀拉力增大5％。此時，旋翼拉力的鉛垂分力平衡直升機的重力，法向過載等于l，以保持高度不變；旋翼拉力的水平分力指向右側(cè)，得到0．311g的側(cè)向過載，這就是直升機作水平轉(zhuǎn)彎所需要的側(cè)力。

垂直機動飛行

? 垂直機動飛行通常需要變化高度、速度、總距以及飛行姿態(tài)和曲率半徑。假設(shè)某型直升機在鉛垂平面內(nèi)作一圓圈飛行，即所謂垂直筋斗；見下圖。為了簡化分析，假設(shè)直升機在筋斗過程中速度保持不變，直升機只受重力的作用(這種假設(shè)實際上不可能，因為還有其他力的影響)。當半徑和速度保持不變時(見下左圖)表明直升機的向心力是恒定的。 在筋斗的底部重力與旋翼拉力的方向是相反的；在垂直向上、向下時，重力與拉力垂直；在筋斗頂部，重力與拉力方向相同。這就清楚表明旋翼產(chǎn)生的拉力要持續(xù)變化，才能保持向心力恒定并指向圓圈中心。當直升機在筋斗底部的時候，旋翼必須向上產(chǎn)生3倍于直升機自身重量的拉力，并且槳盤要向前傾斜28.5度或向后傾斜24.5度。這樣的要求，對于大多數(shù)直升機來說是難以辦到的。