直升机与力学

大家都熟悉直升机，知道它能悬停、前飞、侧飞、后飞、垂直起飞和降落。但是知道它为什么能实现这些动作吗?很显然这与力学知识有关。飞机的发明，使人们在普遍受益的情况下又产生了新的不满足。飞机起飞需要滑跑，需要修建相应的跑道和机场。这就带来了诸多不便。于是有人开始探索可以进行垂直起落的飞行器，通称直升机。它是由发动机驱动的旋翼来提供升力和飞行作用力，并能进行垂直起落的飞行器。它的主要组成部分有:旋翼和尾桨、机身、起落架、动力系统、传动系统、操纵系统和仪表设备等七大部分。它与普通飞机的明显区别是，它没有普通飞机那样强劲的机翼，但却有旋翼。普通飞机的机翼只产生升力，直升机的旋翼不仅提供升力，把直升机托举在空中(即悬停)，还能驱动直升机前飞、侧飞和后飞，并实现垂直起飞和降落。悬停是直升机特有的飞行本领之一。悬停时，直升机在空中既不前飞、侧飞、也不后飞，既不上升，也不下降，就好像停在空中一样。不过，与它停在地面不同，因为它的旋翼在不停地旋转。在这种悬停飞行状态下，旋翼不提供前飞、侧飞和后飞的作用力，它提供的升力又正好等于直升机的重量，所以直升机不会往下掉。如果要直升机垂直上升，只要让升力大于重量即可实现。垂直下降则与此相反。当飞行员启动发动机带动旋翼旋转后，由于旋翼桨叶与空气的相对运动，就会产生向上的气动力。如果旋翼不向任何方向倾斜，气动力是垂直向上的，实际上它就是托起直升机的升力。如果旋翼向前倾斜，那么它产生的气动力也会向前倾斜，那么它产生的气动力也会向前倾斜。这个倾斜的力，可分解为一个垂直向上的力和一个水平向前的力。垂直向上的力就是直升机飞行所需的升力，而水平向前的力就是驱动直升机向前飞行的作用力。直升机有一个独特的本领，就是它能够在空中向后倒退飞行。飞行员只要操纵旋翼向后倾斜，旋翼产生的气动力就会向后倾斜，这个向后倾斜的力可分解为一个垂直向上的升力和一个水平向后的拉力，正是这个水平向后的拉力使直升机实现向后倒退飞行的。同样，如果直升机要向左或向右侧飞，飞行员只要操纵旋翼向左或向右倾斜就能实现。单旋翼直升机在飞行时，旋翼不停地旋转，空气对旋翼就会产生一个大小相等、方向相反的反作用力矩。在这个反作用力矩的作用下，直升机机体就会向旋翼旋转的反方向扭转，造成无法飞行。而尾桨所产生的侧力对直升机重心形成的力矩，正好与空气对旋翼的反作用力矩相反。只要控制尾桨侧力的大小，它就可以抵消空气对旋翼的反作用力矩，防止直升机机体的扭转。直升机常采用的是轮式起落架，有三点式和四轮式两种。三点式一个起落架在前，两个主起落架在后；四轮式前后各两个起落架，主起落架在后。两者相比，四轮式停机较稳，有利于侧风着陆和在地面装卸货物，缺点是重量较重，如果是不可收放的固定式起落架，飞行阻力也较大。还有的是使用滑橇式起落架，机身下左右各一个，较大的直升机有的也采用三个，按三点式布置。它有利于直升机在冰雪场地、松软场地和草地上起降。不过，使用它的直升机地面移动不方便，而且起飞滑跑距离较长，也易与冰雪场地的冰雪冻结在一起。水上直升机则使用的是浮筒式起落架。直升机的这些特点使它十分方便。