爲什麼直升機沒有固定翼飛機飛得快?

上帝之杖


我說說直升機前飛速度的三個限制條件,讀者就可以認識到直升機為什麼飛不快了。



1. 功率限制

直升機是通過旋翼前傾來使得旋翼拉力同時具有升力分量和前進推力分量的,看一下直升機的功率曲線圖就知道直升機發動機的功率是有限的,發動機既要驅動旋翼旋轉提供升力,又要克服前飛時候的各個氣動部件的阻力;圖中紅線就是發動機可用功率,圖片的橫軸就是前飛速度,顯然當速度到某個值的時候,直升機功率就不夠用了,這就是功率限制的前飛速度。

2. 前行側限制

再說前行側和後行側的概念前,大家先看下圖:


從圖中可以看到,該直升機旋翼逆時針旋轉,業內一般稱為——右旋。這時候,右手側 ,槳葉上的速度是來流速度和槳葉旋轉速度的疊加,這一側稱為前行側;左手側,槳葉上的速度為槳葉旋轉速度和來流速度之差,這一側稱為後行側。


槳葉旋轉速度是相當快的,一般來說,常規直升機槳尖速度大概在180~220m/s,也就是大概有0.55~0.6馬赫數(馬赫數為實際速度與音速的比值)的樣子,這個數值是很大的,再疊加上來流速度,很容易接近音速,就會出現激波現象,形成巨大的激波阻力,旋翼將會失穩,失穩的直升機基本就廢了,這就是前行側速度限制。


3. 後行側限制

同樣的圖,看左側後行側,因為旋翼旋轉線速度是角速度乘以半徑,因此,越靠近旋轉中心,轉速越小,因此,在靠近槳根的區域內,來流速度大於旋轉速度,這時候,氣流將從槳葉的幾何後緣吹向前緣,導致槳葉無法產生升力,也就是失速,隨著前飛速度增大,來流速度大於旋轉速度的區域也會擴大,最終形成大面積失速,導致旋翼失穩,這就是後行側速度限制。


綜合以上三點,直升機的速度就被限制在一個較低的水平下,常規直升機的極速無法超過300公里時,甚至連如今的高鐵都比不上,更何談和固定翼飛機比?


但是,最最重要的是,常規直升機本來最強的就是懸停和低速機動能力,所以根本沒必要和固定翼比速度。


旋翼飛行器


與固定翼飛機不同,直升機在空中飛行所需的上升力和推力都必須依靠旋翼的轉動獲得。但根據傳統旋翼機飛行原理,直升機旋翼速度過快時,前行槳葉常常會產生激波,後行槳葉則會發生失速現象。因而長期以來,傳統直升機的最大前飛速度一直都無法突破340千米/小時這一極限。

為實現速度的突破,國外直升機設計師很早就提出能否改變旋翼既作升力又作推力的傳統結構設計,給直升機單獨加上推進裝置獲得推力,由此就產生了複合直升機的概念。該種高速直升機在懸停和低速時以直升機模式工作,速度提高到一定程度後,選一進入自轉狀態;速度再提高時,旋翼速度降低並逐步卸載,機翼逐步承載。這樣槳葉剖面迎角的減小和旋翼轉速的下降,分別推遲了後行槳葉的氣流分離和前行槳葉的激波失速。讓機翼為旋翼卸載是複合式直升機的核心思想,其典型機型有美國的X-2、X-49A,歐洲的X-3和俄羅斯的卡-90等。

但這種設計也只是推遲激波和時速而已,卻不能完全消除這些現象,因此,直升機的最大飛行速度還是要比固定翼飛機低得多,美國的X-2高速直升機是世界上最快的直升機,巡航速度可達463千米/小時,為美國現役“黑鷹”直升機速度的兩倍,但與超音速的固定翼飛機相比,還是差得遠。美國V-22“魚鷹”傾轉旋翼機是一種特殊的直升機,其設計核心思想是,在懸停和低速時以直升機模式工作;速度提高到一定程度後,傾轉旋翼成為螺旋槳,成為固定翼飛機模式。即使如此,其最大速度也只有每小時556千米。


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