直升机是怎么在空中做到360度筋斗翻转的?我非常好奇

直升机是怎么在空中做到360度筋斗翻转的?我非常好奇
直升机是怎么在空中做到360度筋斗翻转的?
我非常好奇

直升机是怎么在空中做到360度筋斗翻转的?我非常好奇
近圆周的筋斗动作实质上是一种将运动物体的动能转换成势能,又从势能转换到动能的能量转换过程.

这个道理和游乐园中的过山车颇有些相似,过山车首先加速,达到一定速度后,具备了足够的动能,而铁轨又提供了向心力,于是过山车便沿着圆形轨道向上作曲线运动,此时速度降低,高度增加；到达轨道顶点后,由轨道导引向下作曲线运动,这时过山车的势能开始转化成动能,它越跑越快,高度也随之下降.玩过过山车的朋友一定能体会到这种现象.

在空中飞行的直升机,同样具有动能和势能,只要掌握能量转换的规律,直升机也能做筋斗飞行.过山车在做筋斗之前需要做的只是加速,其他问题的都交给铁轨,而直升机却不能这样.

直升机的筋斗是一个较为复杂的过程.通常说的直升机筋斗,是指直升机在铅垂平面内做一个近似圆周的飞行动作.把问题简化一下,假设直升机在筋斗过程中线速度保持不变,航线也是标准的圆周,在飞行中直升机受到自身重力(w)、旋翼拉力(T)和空气阻力(D)的作用.

在这一假设下,直升机作筋斗时需要的向心力也应该恒定,此时空气阻力也因线速度不变而恒定,重力方向指向地心,大小当然也不会改变(不考虑燃油消耗带来的重量改变),唯一变化的就是旋翼产生的拉力.当直升机处于筋斗航线底部时,重力与旋翼拉力方向相反,要满足直升机筋斗飞行所需的向心力,此时旋翼拉力应最大；当直升机位于筋斗航线顶点时,重力与旋翼拉力方向相同,为保持向心力不变,旋翼拉力需要变为最小.直升机处于筋斗航线垂直上升和垂直向下阶段时,重力与旋翼拉力几乎垂直,此时旋翼拉力除了要继续保持维持圆周运动所需的向心力外,还必须要产生平衡空气阻力需要的向前的作用力.

如果该型直升机的重量为3000千克,筋斗飞行中的速度V=185km/h,那么在底都开始进入筋斗时旋翼需要产生9吨的拉力,并且桨盘要向前倾斜1.62度,也就是说旋翼拉力必须保证有一定的前倾,以平衡空气阻力.在筋斗顶部,旋翼需要产生的拉力为3011千克,桨盘需要前倾4.85度.直升机垂直向上时,旋翼需要产生的拉力为6250千克,桨盘前倾角为28.5度；垂直向下时旋翼拉力为6600千克,桨盘向后倾斜24.5度.

由此可见,在直升机的筋斗飞行中,旋翼拉力的大小和方向都要持续发生变化,这种工作环境对于旋翼而言相当苛刻.更为重要的是,在进入筋斗时需要的旋翼拉力达到了直升机自重的三倍,大多数当代直升机都难以满足这一要求,目前我国直9直升机的旋翼最大过载能力也只有2.67.所以,直升机要想在空中完成一个速度、半径都保持不变的标准垂直筋斗,是难以实现的.

尽管如此,凭着飞行员娴熟的驾驶技术,充分发挥直升机机动飞行特性,在铅垂平面内翻飞360度,完成一个速度、半径都变化的椭圆形筋斗却是完全可能的.这是一个怎样的筋斗呢?在筋斗航线的底部,直升机会按较大的半径开始上升,而筋斗的上部,直升机会沿半径较小的航线飞行,完成一个不太规则的椭圆形筋斗,在整个飞行过程中,高度、速度、航线曲率半径和飞行姿态都会发生连 续的变化.

做这样的飞行对直升机有一些特殊的要求.
首先,要有一副空气动力性能良好的旋翼,这副旋翼不仅要能产生较大的拉力,而且在飞行中不易失速,稳定工作边界范围大.而且,旋翼的拉力大小和桨盘姿态还要能够随驾驶员的操纵做出快捷的变化.

其次,发动机也要有较高的剩余功率和良好的加减速性能,在直升机姿态发生“天翻地覆”的变化时,发动机也要能够稳定工作,保证不停车.

筋斗飞行中,直升机机体要承受各种交互变化的力和力矩,这要求其结构足够结实,重量轻、强度大、刚度好,这样才能经受住如此“折腾”.

筋斗飞行时,驾驶员的操作负荷较大,这就要求直升机的操纵系统必须灵活、可靠,作用在驾驶杆上的力和力矩的位移变化和操作界面十分协调.

需要强调的是,能够完成筋斗飞行的,大多是轻型直升机,而且在做这一动作时都要尽量减轻起飞重量.

实施筋斗时,飞行员要注意控制好三个速度：进入速度、经济速度和最小速度.进入速度,即进入筋斗时的速度,决定着直升机动能的大小,为了积累足够的动能,要求以较大的速度进入筋斗.但速度也不能过大,过大的飞行速度会使旋翼前行的桨叶尖端受到空气压缩性的影响而形成波阻；后行桨叶出现严重的气流分离,引起直升机振动,操纵失稳甚至失速.筋斗进入速度大致在240～250km/h为宜.
根据旋翼空气动力学特性,每种平飞速度所需用的功率大小不等,因此剩余功率也会有小有大,对应最大剩余功率的速度称为经济速度,大于或小于这一速度,直升机的剩余功率都会降低.直升机在做筋斗时如果用经济速度爬升,就能获得最大的上升率.经济速度的确切数值通常可以从旋翼平飞特性曲线上查到,现代直升机的经济速度大约在100km/h附近.

直升机到达筋斗顶点时的速度称为最小速度,此时直升机处于倒飞状态,动能最小,势能最大.这时候直升机的上升率为零,但要注意的是飞行速度不能为零,不能出现过载为零的现象,否则直升机就会一头栽下来.

除了上面说的三个速度,驾驶员在操纵直升机做筋斗时还必须时刻注意杆、距、舵的位置.所谓杆,就是驾驶杆,又称为周期变距杆,它直接控制旋翼拉力的倾斜方向.当直升机达到预定的筋斗进入速度后,及时拉杆,减小拉力方向的前倾角,使得过载达到最大,航迹向上弯曲,直升机便开始筋斗飞行.当直升机处于垂直上升状态时,重力方向与旋翼拉力方向近乎垂直,拉杆量就需要作适当调整.垂直向上时,旋翼拉力方向需要前倾；垂直向下时,拉力方向要向后倾斜.直到筋斗飞行结束才能松杆改出.
距,是指总距杆,它的作用是改变旋翼桨叶的安装角,直升机进入筋斗时速度大,总距已是在高距位置,调整总距有利于帮助飞行员完成筋斗飞行.速度增加时增加总距,减小时降低总距；筋斗底部为最大距,顶部为最小距.除了注意杆和距,飞行员还应该时刻注意舵的使用.筋斗飞行中,由于直升机的速度、方向以及发动机功率等均会发生持续变化,会引起一些牵连运动带来的力和力矩,比如旋翼的陀螺效应产生的进动性以及旋翼的反扭矩引起的偏航,这就要求飞行员随时动用杆和舵给予修正,才能保证在铅垂平面内顺利完成筋斗飞行.

直升机做筋斗,难度远大于固定翼飞机,其操纵较为复杂,难以准确控制,存在一定风险,要求飞行员具有相当丰富的飞行知识和经验.在正常作业或者武装直升机作战中,筋斗飞行实际意义不大,只是偶尔作为飞行表演的一个科目,用以展示直升机良好的机动性能和飞行员的高超技术.