直升机原理与技术（南昌航空工业学院）非常有用的教材

superdby · 发表于 2013-3-11 13:11:26

前言
直升机是以航空发动机驱动旋翼旋转作为升力和推进力来源，能在大气中垂直起
落及悬停并能进行前飞、后飞、侧飞﹑定点回转等可控飞行的重于空气的航空器。
直升机主要由机体和升力（含旋翼和尾桨）、动力、传动三大系统以及机载飞行
设备等组成。旋翼一般由涡轮轴发动机或活塞式发动机通过由传动轴及减速器等组成
的机械传动系统来驱动，也可由桨尖喷气产生的反作用力来驱动。目前实际应用的是
机械驱动式的单旋翼直升机及双旋翼直升机，其中又以单旋翼直升机数量最多。机身
上方的旋翼轴上装一副或几副大直径的旋翼，由活塞式发动机或涡轮轴发动机驱动。
旋翼转动能在空气中产生向上的升力，只要升力大于直升机重量就可垂直升空。驾驶
员操纵旋翼上的自动倾斜器，当旋翼向左右前后倾斜时，就能相应产生向左右前后的
水平分力，直升机即可向任一方向飞行。如果保持旋翼升力与直升机重量相等，就能
悬停在空中。万一发动机在空中停车，直升机可利用旋翼自转下滑，强迫着陆。
直升机的最大速度可达300km/h 以上，俯冲极限速度近400km/h,使用升限可达
6000m(世界纪录为12450m),一般航程可达600～800km 左右。携带机内、外副油箱转
场航程可达2000km 以上。根据不同的需要直升机有不同的起飞重量。当前世界上投
入使用的重型直升机最大的是俄罗斯的米-26(最大起飞重量达56t，有效载荷20t)。
直升机的突出特点是可以做低空(离地面数米)、低速(从悬停开始)和机头方向不变的
机动飞行，特别是可在小面积场地垂直起降。由于这些特点使其具有广阔的用途及发
展前景。在军用方面已广泛应用于对地攻击、机降登陆、武器运送、后勤支援、战场
救护、侦察巡逻、指挥控制、通信联络、反潜扫雷、电子对抗等。在民用方面应用于
短途运输、医疗救护、救灾救生、紧急营救、吊装设备、地质勘探、护林灭火、空中
摄影等。海上油井与基地间的人员及物资运输是民用的一个重要方面。
目前直升机相对飞机而言，振动和噪声水平较高、维护检修工作量较大、使用成
本较高，速度较低，航程较短。直升机今后的发展方向就是在这些方面加以改进。

目录
第一章直升机的发展史 …………………………………………………………… 1
1.1 绪论 …………………………………………………………………………… 1
1.2 直升机概念的萌芽 …………………………………………………………… 1
1.3 早期直升机的发展 …………………………………………………………… 3
1.4 直升机的起飞 ………………………………………………………………… 6
1.5 进入涡轮发动机时代 ………………………………………………………… 8
1.6 现代直升机 …………………………………………………………………… 10
1.7 中国直升机发展历史 ………………………………………………………… 11
第二章直升机的飞行原理 ……………………………………………………… 15
2.1 直升机的力 …………………………………………………………………… 15
2.1.1 直升机的升力来源 ………………………………………………………… 15
2.1.2 直升机的旋翼 ……………………………………………………………… 16
2.1.3 直升机的力平衡 …………………………………………………………… 18
2.1.4 直升机的反扭矩 …………………………………………………………… 19
2.1.5 旋翼的布局形式 …………………………………………………………… 19
2.1.5.1 单旋翼直升机 …………………………………………………………… 20
2.1.5.2 双旋翼直升机 …………………………………………………………… 22
2.2 直升机的旋翼系统 …………………………………………………………… 23
2.2.1 桨毂结构特点 ……………………………………………………………… 24
2.2.1.1 铰接式 …………………………………………………………………… 24
2.2.1.2 桨毂减摆器 ……………………………………………………………… 26
2.2.1.3 万向接头式及跷跷板式 ………………………………………………… 27
2.2.1.4 无铰式 …………………………………………………………………… 29
2.2.1.5 无轴承式旋翼 …………………………………………………………… 33
2.2.2 桨叶 ………………………………………………………………………… 34
2.2.2.1 桨叶的作用 ……………………………………………………………… 34
2.2.2.2 桨叶的构造 ……………………………………………………………… 34
2.2.3 自动倾斜器 ………………………………………………………………… 35
2.2.4 旋翼技术的发展 …………………………………………………………… 37
2.3 直升机尾桨 …………………………………………………………………… 40
2.3.1 尾桨的作用 ………………………………………………………………… 40
2.3.2 尾桨的形式 ………………………………………………………………… 41
2.4 直升机垂直飞行的力 ………………………………………………………… 42
2.5 直升机水平飞行的力 ………………………………………………………… 44
第三章直升机的空气动力学原理 ……………………………………………… 46
3.1 旋翼的空气动力学特点 ……………………………………………………… 46
3.1.1 旋翼和桨叶的运动速度 …………………………………………………… 46
3.1.2 旋翼桨叶的铰接形式 ……………………………………………………… 49
3.1.3 旋翼桨叶的挥舞 …………………………………………………………… 50
3.1.4 桨叶在旋翼旋转平面上的摆动 …………………………………………… 57
3.1.5 桨叶各剖面上的气流速度 ………………………………………………… 59
3.2 旋翼的空气动力学理论 ……………………………………………………… 59
3.2.1 旋翼的滑流理论 …………………………………………………………… 59
3.2.1.1 垂直飞行时的滑流理论 ………………………………………………… 59
3.2.1.2 前飞时的滑流理论 ……………………………………………………… 60
3.2.2 叶素理论 …………………………………………………………………… 62
3.2.3 旋翼的涡流理论 …………………………………………………………… 63
第四章直升机性能………………………………………………………………… 66
4.1 航空发动机特性 ……………………………………………………………… 66
4.2 悬停性能 ……………………………………………………………………… 68
4.2.1 直升机悬停时的力的平衡 ………………………………………………… 68
4.2.2 直升机悬停时的需用功率…………………………………………………… 69
4.3 直升机垂直上升性能 ………………………………………………………… 70
4.3.1 垂直上升时直升机的力的平衡 …………………………………………… 70
4.3.2 垂直上升时直升机的需用功率 …………………………………………… 71
4.3.3 悬停升限和垂直上升时间 ………………………………………………… 72
4.4 垂直下降性能 ………………………………………………………………… 72
4.4.1 垂直下降的直升机的力的平衡 …………………………………………… 73
4.4.2 垂直下降的直升机的需用功率 …………………………………………… 75
4.5 直升机前飞性能 ……………………………………………………………… 75
4.5.1 平飞时力的平衡 …………………………………………………………… 75
4.5.2 平飞需用功率及其随速度的变化 ………………………………………… 77
4.5.3 直升机水平飞行速度 ……………………………………………………… 79
4.5.4 桨叶的气流分离和激波对最大飞行速度的限制 ………………………… 80
4.6 爬升性能 ……………………………………………………………………… 81
4.7 直升机的续航性能 …………………………………………………………… 82
4.8 直升机的自转性能 …………………………………………………………… 83
第五章直升机的特殊飞行特性 ………………………………………………… 85
5.1 直升机的贴地飞行 …………………………………………………………… 85
5.2 直升机的侧飞 ………………………………………………………………… 86
5.3 直升机的机动飞行 …………………………………………………………… 86
5.3.1 水平直线加速机动 ………………………………………………………… 86
5.3.2 水平转弯 …………………………………………………………………… 87
5.3.3 垂直机动飞行 ……………………………………………………………… 87
5.3.4 空间立体机动 ……………………………………………………………… 88
5.4 直升机的起飞 ………………………………………………………………… 88
5.4.1 正常直起飞 ………………………………………………………………… 88
5.4.2 超越障碍物起飞 …………………………………………………………… 89
5.4.3 滑跑起飞 …………………………………………………………………… 90
5.5 直升机的着陆 ………………………………………………………………… 90
5.5.1 正常垂直着陆 ……………………………………………………………… 90
5.5.2 垂直超越障碍物着陆 ……………………………………………………… 91
5.5.3 滑跑着陆 …………………………………………………………………… 91
5.5.4 旋翼自转状态的下滑着陆 ………………………………………………… 91
第六章直升机的操纵原理………………………………………………………… 93
6.1 直升机操纵特点 ……………………………………………………………… 93
6.2 直升机的操纵机构 …………………………………………………………… 94
6.2.1 总距操纵杆…………………………………………………………………… 95
6.2.2 周期变距操纵杆……………………………………………………………… 95
6.2.3 自动倾斜器…………………………………………………………………… 95
6.3 直升机的操纵原理 …………………………………………………………… 96
6.3.1 旋翼自动倾斜器的操纵 …………………………………………………… 96
6.3.2 布局形式对旋翼操纵的影响 ……………………………………………… 98
第七章直升机的结构与系统 …………………………………………………… 101
7.1 直升机机体结构……………………………………………………………… 101
7.2 动力系统……………………………………………………………………… 104
7.2.1 航空涡轮轴发动机………………………………………………………… 104
7.2.2 典型的四代航空涡轴发动机……………………………………………… 105
7.2.3 涡轴发动机分类…………………………………………………………… 105
7.2.4 涡轴发动机的主要机件及其工作原理…………………………………… 105
7.2.5 进气装置…………………………………………………………………… 106
7.2.6 压气机……………………………………………………………………… 107
7.2.7 燃烧室……………………………………………………………………… 108
7.2.8 涡轮………………………………………………………………………… 109
7.2.9 排气装置…………………………………………………………………… 110
7.3 主减速器……………………………………………………………………… 110
7.3.1 主减速器工作特点及要求 ………………………………………………… 111
7.3.2 主减速器的结构和工作原理 …………………………………………… 112
7.3.3 主减速器的润滑…………………………………………………………… 113
7.3.4 主减速器工作情况的检查………………………………………………… 113
7.4 传动轴………………………………………………………………………… 113
7.4.1 联轴节……………………………………………………………………… 114
7.4.2 发动机和传动装置的技术创新…………………………………………… 115
7.5 机载设备……………………………………………………………………… 115
7.5.1 机载设备对直升机技术发展的影响……………………………………… 115
7.5.2 直升机的飞行自动控制系统……………………………………………… 116
7.6 液压助力器…………………………………………………………………… 117
7.7 配平机构 ……………………………………………………………………… 117
7.8 燃油系统 ……………………………………………………………………… 118
7.9 起落架 ………………………………………………………………………… 119
第八章直升机设计技术 ………………………………………………………… 121
8.1 任务与要求 …………………………………………………………………… 121
8.1.1 性能要求 …………………………………………………………………… 121
8.1.2 稳定性和操纵性 …………………………………………………………… 121
8.1.3 可靠性﹑可用性和可维护性 ……………………………………………… 122
8.1.4 生存性 ……………………………………………………………………… 123
8.1.5 舒适性 ……………………………………………………………………… 123
8.1.6 易损性 ……………………………………………………………………… 123
8.1.7 任务要求 …………………………………………………………………… 123
8.2 直升机总体参数的确定 ……………………………………………………… 124
8.2.1 主旋翼参数 ………………………………………………………………… 124
8.2.2 尾桨参数 …………………………………………………………………… 131
8.2.3 尾翼与机翼 ………………………………………………………………… 134
8.3 几何与结构布置 ……………………………………………………………… 136
8.3.1 总布置图 …………………………………………………………………… 136
8.3.2 机体内部布置图 …………………………………………………………… 138
8.4 部件系统 ……………………………………………………………………… 139
8.4.1 系统控制 …………………………………………………………………… 139
8.4.2 动力传递 …………………………………………………………………… 142
8.5 应急状态的设计 ……………………………………………………………… 142
8.5.1 武装直升机的抗损性 ……………………………………………………… 142
8.5.2 抗坠毁 ……………………………………………………………………… 142
8.5.3 直升机地面共振 …………………………………………………………… 143
8.5.4 直升机空中共振 …………………………………………………………… 144
第九章直升机技术的应用与展望………………………………………………… 146
9.1 武装直升机 …………………………………………………………………… 146
9.1.1 武装直升机战术使用特点 ………………………………………………… 146
9.1.2 武装直升机的用途 ………………………………………………………… 148
9.1.3 军用直升机电子战生存性设备的现状与发展 …………………………… 152
9.1.3.1 分离式设备 ……………………………………………………………… 153
9.1.3.2 发展趋势 ………………………………………………………………… 154
9.1.4 专用武装直升机简介 ……………………………………………………… 155
9.1.4.1 欧洲直升机公司“虎”式直升机 ……………………………………… 155
9.1.4.2 美国AH-64“阿帕奇”武装直升机 …………………………………… 156
9.1.4.3 俄罗斯卡-50/卡-52 武装直升机 ……………………………………… 157
9.1.4.4 法国“小羚羊”武装直升机 …………………………………………… 159
9.1.4.5 英国“山猫”直升机 …………………………………………………… 159
9.1.4.6 意大利A129“猫鼬”直升机…………………………………………… 159
9.1.4.7 俄罗斯米-24/米-28 武装直升机 ……………………………………… 160
9.1.4.8 中国直9 型攻击直升机………………………………………………… 160
9.2 运输直升机…………………………………………………………………… 161
9.2.1 运输直升机的作用………………………………………………………… 161
9.2.2 运输直升机在战术使用上的特点………………………………………… 161
9.2.3 现代军用运输直升机在战斗中可承担的运输任务……………………… 162
9.2.4 运输直升机简介…………………………………………………………… 163
9.2.4.1 UH-60 “黑鹰”直升机………………………………………………… 163
9.2.4.2 美国CH-47 重型运输直升机…………………………………………… 164
9.2.4.3 俄制米-8“河马”通用直升机………………………………………… 165
9.2.4.4 中国直-8 型机 ………………………………………………………… 166
9.2.5 其他运输直升机…………………………………………………………… 166
9.3 战勤直升机…………………………………………………………………… 168
9.4 民用直升机…………………………………………………………………… 168
9.4.1 民用直升机类型…………………………………………………………… 168
9.4.2 民用直升机的经济性……………………………………………………… 170
9.4.3 民用直升机的适航管理…………………………………………………… 170
9.5 直升机的新技术……………………………………………………………… 171
9.5.1 “反重力”新概念技术…………………………………………………… 171
9.5.2 新型先进材料的工程实用化……………………………………………… 173
9.5.3 直升机与机载系统的综合一体化………………………………………… 174
9.5.4 直升机振动控制技术……………………………………………………… 174
9.5.5 无人驾驶直升机…………………………………………………………… 176
9.5.6 军用直升机对抗对策的最新发展………………………………………… 177
9.6 新概念飞行机………………………………………………………………… 178
9.6.1 复合式飞行器……………………………………………………………… 178
9.6.2 飞行汽车…………………………………………………………………… 179
9.6.3 水下直升机………………………………………………………………… 180
第一章直升机的发展史
人类有史以来就向往着能够自由飞行。古老的神话故事诉说着人类早年的飞行
梦，而梦想的飞行方式都是原地腾空而起，像现代直升机那样既能自由飞翔又，能悬
停于空中，并且随意实现定点着陆。例如哪阿拉伯人的飞毯，希腊神的战车，都是垂
直起落飞行器。然而它们毕竞只存在于神话故事中，那个时代的科学技术水平太低，
不可能创造出载人的飞行器，可以说，那是人类飞行的幻想时期。
1.1 绪论
人类的航空发展史始于十六世纪，早期观察鸟类的飞行，人类梦想着有朝一日能
像鸟类一般自由自在的遨游于天空。自然地，由观察鸟类飞行所得的现像，引导着早
期航空的发展。鸟类的飞行大底上可划分为三个阶段：起飞，飞行及降落；而起飞亦
可分为两种：跑步起飞和跳跃起飞；而飞行亦可分为两种：前进飞行和空中停留。一
开始，人们想利用可上下移动的翅膀靠着其运动而如鸟类般的飞行，但是此一构想除
了玩具外并无法真正地让人类飞上天空。
虽然如此，人类并不因此而放弃，经过长期的努力终于在十九世纪发明了固定翼
的飞行机器，此即目前大家所熟悉在运输上扮演非常重要角色的飞机。而飞机的发明
虽然让人类可以飞上天空，但这只能仿真鸟类的跑步起飞以及前进飞行。对于另外的
跳跃起飞及空中停留的现像却一直无法达成。但当时航空的先驱们并不因此而停止，
他们晓得如果要完全的了解飞行的现像，必须解决在无前进速度下空中的停留以及在
限制的环境下垂直地起飞和降落。而此方向的探讨一直持续到直升机的开发。
当时研究直升机的他们所面临的最大问题有三：（1）降低机身结构及引擎的重量，
以便飞行器有足够剩余的升力可供使用；（2）抵消因主旋翼转动时所产生的扭力；（3）
飞行时如何操控。降低重量主要朝着利用较轻的材料和提高引擎的效益，亦即提高引
擎所能提供的有效功率和引擎的重量比着手，前者导致铝合金的使用和最近复合材料
的使用，而后者因限于早期只有往复式引擎而无法有突破性的进展，一直到后来涡轮
引擎的发明才有进一步的发展。其次为克服旋翼所产生的扭力，结果导致目前所能看
到的各种不同的直升机外型，如主尾旋翼、横向双主旋翼、前后主旋翼、同轴上下旋
翼等。最后对于飞行的操控则导至目前主旋翼的通用型态，包括翼插梢及翼切面集合
倾角（collective pitch）和循环倾角（cyclic pitch）的控制。所谓集合倾角即同
时改变所有翼片的倾角来达到不同升力的效果，此时升力垂直于旋翼旋转平面。另外
旋翼循环倾角即翼片倾角随着旋转翼的转动做周期性的改变，而其功用在于旋翼的升
力随着翼片旋转时的位置不同而改变，使得旋翼的旋转平面由水平往侧边倾斜，造成
旋转翼之升力由垂直向上往旁倾斜，因此有水平的分量来拉直升机做水平的飞行，如
果其往前倾斜，则直升机亦往前飞行。
1.2 直升机概念的萌芽
即使在幻想时期，仍然产生了直升机的基本思想，昭示了现代直升机的原理。最
有价值、最具代表性的是中国古代的玩具“竹蜻蜒”和意大利人达·芬奇的画。最早