主题：【原创】像鸟儿一样腾飞（一） -- 晨枫

过两天，周四有个deadline

单桨直升机的起飞重量终归有限，要增大起飞重量，就要增加旋翼直径，增加旋翼转速，增加桨叶数目，加强传动轴，这些都增加了旋翼系统的机械复杂性和重量。旋翼直径和转速受到翼尖速度不能超过音速的限制，否则音障带来的阻力和振动将不可忍受，更大的旋翼直径也迫使尾撑长度增加，增加结构重量。较大的旋翼也对狭小场地的起落造成不便。大幅度提高起飞重量最有效的途径，还是采用两个甚至更多的旋翼，分担负担。除了一些设想中的四旋翼方案，三旋翼没有见到过，还是双旋翼最常见。既然采用两个旋翼，如果旋转方向相反，一个顺时针旋转，一个逆时针旋转，就自然抵消相互的反扭力。反转的双旋翼不需要特别考虑尾桨和尾撑的结构，也没有尾桨吃掉对推进和升力没有作用的功率的问题，可以把所有功率都用于升力和推进，这是双旋翼额外的优点。双旋翼（也称双桨）有多种方案，可以前后串列，可以左右并列，可以上下共轴，还可以上下不共轴。串列双桨的典型有美国的CH-46、CH-47；并列双桨的典型有俄罗斯的米-12，直升机状态的美国V-22也可以算作并列双桨；共轴双桨（co-axial或contra-rotating）的典型当然非俄罗斯的K-25、K-31等卡莫夫直升机莫属；异轴双桨（更准确地说，是交替双桨，也称交叉双桨，intermeshing）的只有美国卡曼的H-34 Husky和K-Max等少数例子。

串列和并列双桨布局示意图

串列双桨的CH-47

并列双桨的米-12

共轴双桨示意图

共轴双桨的卡-31

交替双桨示意图

交替双桨的K-Max

串列双桨对于最大限度地利用机身长度有利，CH-46、CH-47机舱长但并不累赘，总长并不为此增加多少，而单桨的米-6就“横阔竖大”了。串列双桨中离发动机较远的那副旋翼（一般是前旋翼）的功率要求比驱动尾桨高得多，为了保证前后旋翼的同步，串列双桨需要长长的沉重的同步传动轴，而不能简单地由前发动机驱动前旋翼，后发动机驱动后旋翼。串列双桨的前后旋翼一般上下错开一点，这样可以容许前后旋翼之间在高度上有一定的重合，缩短全机长度。上下的高度差太少了，不能保证安全，尤其是大幅度机动动作时，上下桨叶可能发生碰撞。高度差太大了，支撑后旋翼的“柱子”太过高大，阻力巨大。

并列双桨通常是安装在机翼翼尖的，翼展由旋翼半径决定，没有办法靠上下重合而缩短翼展，在气动上难于优化。左右旋翼之间要设交叉的同步轴，以保证左右两副旋翼永远同步。还有一个问题是，左右旋翼都在机身中段附近，仅靠周期距，俯仰控制力矩不足。但这都不是最大的问题，最大的问题是横滚稳定性，两侧旋翼升力不均匀时，飞机会发生横滚，如果在急速下降过程中，飞机不幸进入自己的下洗气流，旋翼效率急剧降低，旋翼越用力，越使不上劲，好像汽车轮子打滑一样，加剧横滚的不稳定倾向，飞机在几秒钟内就可以倾覆失控， V-22的几次坠毁就是这样造成的。强烈的不对称气流扰动也可以造成这个现象。发动机安装在机身还好说，要是发动机安装的机翼翼尖，离重心很远，进一步加强了横滚不稳定的倾向。

共轴双桨用套筒轴驱动上下两副反转的旋翼，同样有串列双桨的上下旋翼之间的间距问题，间距小了，上下旋翼有可能打架；间距大了，不光阻力高，对驱动轴的刚度要求也高，而大功率的套筒轴本来在机械上就难度很大。套筒轴不光要传递功率，还要传递上面旋翼的总距、周期距控制，在机械设计上有相当的难度。由于非对称升力的缘故，反向旋转的上下旋翼的旋转平面有在一侧“交会”的倾向，这进一步增加了对上下旋翼之间间距的要求，并且带来向交会一侧转弯必须比向另一侧转弯轻缓的要求。上旋翼处在“干净”空气中，下旋翼处在上旋翼的下洗气流中，这样，上下旋翼之间有相当的气动耦合，增加了气动设计的难度。由于共轴双桨没有尾桨，短短的尾撑用于支持垂直安定面，后者在前飞中提供像固定翼飞机一样的气动控制，减小周期距控制的负担。由于共轴双桨的机身短，受侧风影响较小。共轴双桨的振动也由于两副反转的旋翼而较好地对消了，平稳性和悬停性好。共轴双桨在同等升力下，旋翼直径可以较小，直升机总尺寸较紧凑，“占地面积”较小，特别适合海军上舰的需要。

交替双桨可算是共轴双桨的一个变种，从正面看，两副旋翼的翼尖路径（tip path plane，TPP）有交叉，会打架，但只要在算好时间差，你方唱罢我登场，不会打架的。最简单的情况，两副旋翼都是双叶，也就是只有一直线的前后两片桨叶，左旋翼的起始位置是东西向，右旋翼的位置是南北向，两副旋翼同步反向旋转，一个转到东西向的时候，另一个转到南北向，永远不会交会。交替双桨的优点是机械上比串列、并列和共轴双桨简单得多，缺点是旋翼的桨叶数也受到限制，到现在为止，没有超过双叶的，所以只适用于不超过一定尺寸的直升机。

所有双桨布局均采用分别的总距和周期距控制，所有桨叶都有各自的“三铰”（变距铰、挥舞铰、摆振铰，或起同等作用的相应的弹性元件）。对于共轴双桨和交替双桨布局来说，转向是通过改变上下或左右旋翼的扭力来实现的。增加顺时针旋翼的桨距，使其更能吃上劲，减少逆时针旋翼的桨距，使其吃劲小一点，就造成扭矩差，使直升机向逆时针方向偏转，反之亦然。交替双桨的方向控制和共轴双桨相同。由于上下或左右旋翼的桨距增减是对称的，共轴双桨或交替双桨向左右转向的速度是一样的。主旋翼也比尾桨更能吃上劲，所以转向也更快捷，可以作所谓的“急转”（snap turn）。

对于串列和并列双桨布局来说，转向是通过使前后或左右旋翼在水平方向上通过周期距控制产生差动的扭转推力来实现的。换句话说，前旋翼向左倾斜，在产生升力的同时，产生向右的水平推力分量；后旋翼向右倾斜，同样在产生升力的同时，产生向左的水平推力分量。前后一“夹攻”，飞机就向右偏转，反之亦然。前后旋翼反向倾斜，偏转的支点是机身中央。如果光倾斜前旋翼，就可以绕后机身打转转；光倾斜后旋翼，当然也就可以绕前机身打转转；如果控制得当，甚至可以一面转一面侧飞。事实上，串列双桨几乎像超市里四个轮子可以分别转向的购物车一样，爱怎么走就可以怎么走，爱怎么转就可以怎么转，不过有的时候太灵活了，选择太多了，反而容易弄糊涂，这个道理是一样的。并列双桨也是同样道理，只是把前后双桨变成左右双桨。

直升机不光可以垂直起落，还可以悬停、侧飞、倒飞、原地转弯。直升机的这些非常规机动动作提供了空前的战术灵活性，比如，反坦克直升机可以在低于树梢的极低空高度悬停，在战机恰当的时刻，突然冒起来发射武器，然后迅速下降到树梢以下高度隐蔽，既可以躲避对方直射武器的打击，又有利于隐蔽地转移阵地。如果装备桅杆顶的观察装置装置的话，可以更好地隐蔽观察敌情、掌握战机。同样的战术也适用于山脊、建筑物等适当的隐蔽物背后。在巷战中，直升机可以隐蔽在建筑物后悬停，在适当时机侧飞出来发射武器，然后迅速返回隐蔽位置，这样可以避开敌人从远处房顶的观察和伏击。在营救和精确定点空降作业中，悬停中的侧飞和倒飞更是必不可少的。然而，成也萧何，败也萧何，直升机的旋翼不光提供了空前的机动能力，也从根本上限制了前飞速度。旋翼尺寸和桨叶数的限制不谈，飞机的前飞速度不可能超过旋翼翼尖的线速度，在极限情况下，假定飞机的前飞速度和翼尖速度都为音速的一半，前行方向上，翼尖速度在3点钟方向已经达到音速，而后行方向上，翼尖在9点钟方向的速度就为零，要发生失速。实际上，翼尖失速速度要高于零速度，所以飞行速度比理论上的极限情况要低。另外，由于半径的关系，旋翼前倾时，旋翼翼尖附近是产生推力的部分，中间部分的线速度低，实际上不产生推力，是在迎风气流的作用下像风车一样地自旋，靠近圆心的部分的线速度低于失速速度，已经处在失速区了。由于前飞时旋翼前倾，阻力在旋翼上形成一个向下的分量，造成速度越大，“降力”越大的尴尬局面，必须用增加的升力来补偿，白白浪费发动机功率。据计算，直升机的理论速度不能超过420公里/小时。英国Westland公司对旋翼翼尖进行加大后掠角的修形，使直升机速度有了不小的提高，但还是没有突破这个理论限制。

英国Westland的先进旋翼翼尖采用复杂形状的后掠角

桨叶的截面（翼型）也从翼根到翼尖不断变薄，以延迟激波的产生，这个道理和超音速飞机用大后掠角、薄翼型的机翼一样

这是一架Westland大山猫直升机在做斤斗特技，其先进桨叶的特别形状清晰可见

理论上，只要旋翼线速度突破音障，直升机速度进一步提高就是可能的。固定翼超音速飞机的机翼理论早已解决。但固定翼飞机的机翼处于相对简单的气流流场，直升机旋翼所处的流场实在太复杂了，不光有前进方向，还有旋转的切向和径向方向，此外，在机身上发动机结构和旋翼之间，还有复杂的纵向的马蹄形流和横向的涡漩。即使这些问题都解决了，理论上有可能研制出一种弯弯的马刀形状的桨叶，延迟超音速激波的产生，但桨叶受力情况十分复杂，包括扭曲、拉伸，在材料上要制造足够坚固耐用又轻巧的旋翼很困难，旋翼要突破音障不是一件容易的事。要突破直升机速度的限制，只有突破旋翼既作为升力装置又作为推力装置的局限。

发动机舱周边有马蹄形流

发动机舱两侧也有横向的涡流

音障是啥咱明白,不过是凑巧这个速度和音速一样呢,还是背后有什么道理?

谢谢

具体请见《比声音还快》。

兄取名puff，是不是因为那首歌“Puff the magic dragon”？当年学英文，也跟着学唱过这首歌，是中央电视台里彭文兰和她弟弟一起教的。

就是声波传播的时候也有类似的效应.所以声音到达一定的速度就无法再变快了?同样的原理造成了飞机的音障?不过老实说,还是不太明白.

puff是从那个歌来的.很久以前玩BBS的时候用的ID.

声波是压力波的一种，压力波的传递速度是音速，飞机低于音速飞行的时候，压力波的传递快于飞机飞行，前方的空气受到压力波的挤压，为飞机“让”出一条路来；飞行速度达到音速的时候，压力波和飞机同时达到，前方空气不再能“让路”，所以阻力剧增，这就是音障的由来。飞行速度超过音速后，音障落到飞机的后面，对飞机的阻力反而降低。

突破旋翼既作为升力装置又作为推力装置的第一步就是为旋翼减轻负担，用单独的推进装置提供推力。从50年代开始，大量方案就是从在普通直升机上加装推进发动机开始，将常规直升机改装为复合直升机（compound holicopter）。采用专用的推进发动机，前飞时，旋翼就不必前倾，既减小迎风面积带来的阻力，又避免了前倾旋翼造成的“降力”。为了进一步减轻旋翼的负担，直升机还可以安装短翼，在前飞时提供气动升力，这样，对旋翼产生升力的要求可以降到最低，后行桨叶失速也就不成为问题，消除了直升机速度上不去的一大障碍。

很多常规直升机并没有专用的推进发动机，但安装了短翼，就是为了在前飞中产生升力，减低对旋翼升力的依赖，以提高前飞速度。对于攻击直升机来说，短翼还是提供武器挂架的好地方。采用短翼的典型直升机有米-6、AH-64等，米-24的短翼也有提供升力的作用，但最主要的目的却是加强横滚稳定性。就像世上所有的好事一样，没有免费的午餐。短翼不光增加结构重量，最大的问题是遮挡旋翼的下洗气流，削弱了旋翼的效率。所以强调悬停和直升机特有的非常规机动性能的直升机常常不选用短翼，即使采用短翼，也使短翼有较大的下反，以减小对旋翼下洗气流的不利遮挡。有人把这种采用短翼的直升机也称为复合直升机，因为升力的产生已经不再单纯依靠旋翼，但通常人们还是把升力和推力两者都不再依靠旋翼的直升机称为复合直升机。

米-6的短翼用于在平飞时产生升力，为旋翼卸载

AH-64的短翼同时兼作武器挂架，一物两用

卡莫夫Ka-22是早期复合直升机的一个典范，曾创造多项速度和载重记录

MBB的BBH攻击直升机，采用常规的“开放”推进螺旋桨作推动力，计划被取消后，转入和法国合作发展“虎”式直升机

西科斯基S-66，和洛克希德AH-56“夏延”竞争落败，但速度比“夏延”更快，号称世界第一。S-66的尾部螺旋浆可以转向，向后做推进用，向左作反扭力用，而不像“夏延”那样，用两个专用的推进螺旋桨和反扭力尾桨

50-60年代时，采用单独的推力发动机的复合直升机方案如雨后春笋，有不少达到试飞阶段，其中Piasecki的16H是其中的佼佼者。Piasecki 16H采用一个尾置的涵道螺旋桨提供推力，涵道螺旋桨后有控制舵面，利用后洗气流提供偏航和俯仰控制。主旋翼依然保留周期距控制，用于悬停或非常规机动时提供控制。Piasecki的方案在60年代没有引起足够的兴趣，但是在90年代，重新引起美国军方的兴趣。Piasecki将16H的概念用在UH-60上，试制了所谓“速度鹰”（Speed Hawk），不仅提高了速度，还将航程提高了3倍，使“速度鹰”的航程和F-18战斗机相当，用作海军的搜索救援直升机十分有利。同样的概念还用在AH-64“阿帕奇”攻击直升机上，速度提高25%。环形尾的问题主要有两个：环形尾套件增加重量，“速度鹰”比基型的UH-60要重800公斤。另一个问题是即以对旋翼下洗气流的遮挡减低旋翼效率，旋翼功率要增加，否则悬停性能要受到损失。

Piasecki 16H采用尾置涵道螺旋桨（也称“环形尾”，ringtail）作为平飞的推进器，短翼提供平飞升力，将旋翼“解放”出来，大大提高平飞速度，也大大降低机械振动和疲劳

“速度鹰” （Speed Hawk），这是Piasecki用UH-60的机体和主要机械系统作基础，研制的“推力转向涵道推进”（Variable Thrust Duct Propeller）研究机

VTDP前飞时的状态，略微向前进方向的左侧偏转，反扭力作用部分由气动舵面完成

VTDP在悬停时的状态，可伸缩的“斗篷”向左偏转90度，加强反扭力作用

Piachecki也推出了“速度眼镜蛇”和“速度阿帕奇”方案

• X-39、41、42是保密的，我也不知道……

第一是压力。但是压力不是到了音速的时候就突然出现的。根据数据，当飞机用亚音速（M＜0.75）以下的速度飞行时，在机头前方的空气受到的冲击压力不大，空气微团可避让飞行。音波也能向机头前方传播，飞机能顺利飞行。把飞机速度提高到接近音速（M≥0.8）时，机头前部（包括机翼前缘）的空气来不及避让飞机，此时飞机的迎流面对空气的压力加大，空气密度即随之增大，飞机要消耗更多的能量推开机头前方的高压空气。

第二，声波的本质是纵波，即介质粒子的位移和波的传播方向一致。当飞机达到音速的时候，音波就不能向前传播，产生很大的激波阻力。

所以当飞机的速度逐渐接近音速，机头前部的空气温度升高，能量迭聚，形成一堵高温高压的空气墙，使飞机难以逾越，这种现象就是“音障”。

飞机速度的马赫数到　0.7　或　0.8　时，机身前半部分是亚音速的，但由于机身机翼对周围空气的加速作用，空气在机身中间某一个位置就会超过音速。这样在机身周围、中间某一个位置就会形成激波。激波前面是超音速，后面是亚音速，激波面前后的空气速度、压力、密度都发生突变。

民航客机的速度就是在跨音速范围内。

当一端旋翼翼尖接近音速，转到另一端时必将因速度过低而进入失速的范围(空速接近零)，而在失速的情况下迎角怎么变也无法提供任何升力补偿，挥舞铰完全无用，那么横滚将无可避免。这是否说明如果没有额外的动力提供左右升力平衡，直升机将不可能超越甚至接近音速的一半？

交替、并列或共轴双桨是否能避免这一问题？或者使用有相当面积的控制面的固定翼来补偿？

使用单独推进装置的问题在于，哪怕主旋翼完全不需负责提供前进动力，负担已经不大，单侧失速依然会发生(如果我的理解没错的话)，那么这仍将限制直升机的极速。所以我不太明白“后行桨叶失速也就不成为问题”这一说法，可否解释一下？