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直升机和飞机:我们一样/不一样(飞行篇)

时间:2023-04-27 07:03:23

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直升机和飞机:我们一样/不一样(飞行篇)

志合者,不以山海为远。

也许有很多人经常乘坐飞机出行,但是乘坐过直升机的要少得多。直升机和飞机都属于航空飞行器,那么两者之间又有什么相同、不同之处呢?

飞行是一架航空飞行器最根本的能力,所以今天就从飞行方面概述一下直升机和飞机的异同点。

1.升力来源

旋翼是直升机的升力面,当旋翼在动力装置的驱动下旋转时,便产生了与空气的相对运动,因此,即使没有前飞速度,旋翼也能产生升力,使直升机具备垂直起飞的能力。前飞时,桨叶旋转与机体运动叠加,使得桨叶剖面上的气流不对称性增加,可以说桨叶始终工作在一个复杂、交变的气动环境。

对于飞机来说,需要依靠动力装置的推力/拉力,飞机产生与空气的相对运动后,机翼上才会产生升力,前飞速度足够大时飞机才能离地。前飞时,除了发动机/螺旋桨与机翼气动干扰引起的非定常特性,与旋翼相比,机翼面对的气动环境还是要更加稳定。

实际上,为了提升飞行性能,直升机和飞机也会采取一些类似的设计手段。比如:

(a)负扭转

无论是桨叶还是机翼,都会将桨尖/翼尖剖面的前缘相对根部剖面向下扭转,包括结构扭转和气动扭转等措施,其目的都是为了改善升力分布,防止桨尖/翼尖过早失速。

(b)桨尖/翼尖优化

直升机和飞机面临同一个问题,下表面的高压气流绕过桨尖/翼尖流向上表面的低压区,形成翼尖涡,导致气动效率降低。因此,直升机旋翼设计时,通过采取桨尖下反、后掠、尖削等措施,以起到延缓气流分离、改善气动载荷分布以及降低振动、噪声的作用;飞机上则采用增加端板或翼梢小翼的措施。

2.操纵特点

直升机的旋翼既是升力面,又是操纵面。直升机各种飞行动作,都需要依靠旋翼的操纵及其产生的气动力来实现,各种外部扰动的抑制也主要依赖于旋翼。不得不说,直升机气动和操纵都存在着复杂的耦合特性。

对于飞机来说,各个通道的操纵则相对更加“单纯”。飞机上有专门负责各通道控制的操纵面,比如,副翼控制飞机滚转,襟翼用于增加机翼升力/阻力,升降舵控制飞机抬头/低头,方向舵控制飞机偏航,各个操纵面各司其职。虽然飞行过程中也需要各操纵面的协调配合,但是与直升机相比,其耦合性还是要低不少。

3.使用范围

直升机和飞机都是在大气层内活动,但是直升机和飞机又有各自的活动区间。

(a)实用升限

因为直升机典型应用场景为近地面飞行,除了少数专为高原使用设计的直升机外,多数直升机的实用升限在海拔4000~6000米之间。由法国航宇公司研制的SA315B“美洲驼”直升机曾创下最高12000米的飞行记录。

而飞机的实用升限则要比直升机高的多,通常军用飞机实用升限在15000~20000米;民航客机多活动于10000米附近(对流层顶部或平流层底部),气流相对平稳的地方。美国SR-71高空侦察机和前苏联米格-25战斗机,都曾创下最高2万米以上的飞行记录。

(b)飞行速度

直升机依靠旋翼作为升力和推进力来源,前飞过程中,因为受到前行桨叶激波、后行桨叶失速等因素影响,常规直升机的最大巡航速度通常在300km/h附近,山猫直升机创下了400km/h的常规直升机最大速度记录。

而飞机前飞时两侧机翼的来流对称分布,从气动方面来说主要面临激波的影响,因此为提高飞行速度而采用了特殊翼型,能够使机翼在接近音速时阻力剧增的现象推迟发生。目前飞机想要实现超音速早已不在话下,民航客机巡航速度多数在800~1000km/h之间,战斗机能达到2倍声速,美国SR-71高空侦察机和前苏联米格-25战斗机的飞行速度更是达到了3倍声速以上。

4.相互融合

如果说直升机和飞机都垂涎于对方的优势,那么其中必然有:直升机要提高飞行速度,飞机要实现垂直起降。当然,直升机和飞机的技术进步很大程度上来源于当前能力不能满足实际应用需求,必须要去弥补自身的劣势。

为了提高最大前飞速度,诞生了各种型式的复合式直升机。比如,美国波音和贝尔公司联合研制的V-22倾转旋翼飞行器,飞行速度可达到500km/h以上;美国西科斯基公司研发的S-97直升机,在尾部增加螺旋桨推力,结合前行桨叶概念(ABC旋翼),前飞速度达到了480km/h以上;法国空客推出的RACER复合式直升机,在常规旋翼基础上配置盒式机翼、推进式螺旋桨,前飞速度达到400km/h以上。

固定翼飞机则主要是拓展垂直起降能力。比如,英国“海鹞”垂直/短距起降飞机,以及美国F-35垂直起降飞机。

总结

直升机和飞机各具特点,以及适于自身应用场景的技术优势。与固定翼飞机相比,直升机旋翼既是升力面又是操纵面,与气动耦合和操纵耦合特性都更加复杂。为提升前飞速度,目前已涌现出多种构型的复合式直升机,但是其面临着各气动面之间的更加复杂的气动干扰,以及过渡过程的飞行控制问题。

志合者,不以山海为远。

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