为什么直升机没有固定翼飞机飞得快?

上帝之杖


我说说直升机前飞速度的三个限制条件,读者就可以认识到直升机为什么飞不快了。



1. 功率限制

直升机是通过旋翼前倾来使得旋翼拉力同时具有升力分量和前进推力分量的,看一下直升机的功率曲线图就知道直升机发动机的功率是有限的,发动机既要驱动旋翼旋转提供升力,又要克服前飞时候的各个气动部件的阻力;图中红线就是发动机可用功率,图片的横轴就是前飞速度,显然当速度到某个值的时候,直升机功率就不够用了,这就是功率限制的前飞速度。

2. 前行侧限制

再说前行侧和后行侧的概念前,大家先看下图:


从图中可以看到,该直升机旋翼逆时针旋转,业内一般称为——右旋。这时候,右手侧 ,桨叶上的速度是来流速度和桨叶旋转速度的叠加,这一侧称为前行侧;左手侧,桨叶上的速度为桨叶旋转速度和来流速度之差,这一侧称为后行侧。


桨叶旋转速度是相当快的,一般来说,常规直升机桨尖速度大概在180~220m/s,也就是大概有0.55~0.6马赫数(马赫数为实际速度与音速的比值)的样子,这个数值是很大的,再叠加上来流速度,很容易接近音速,就会出现激波现象,形成巨大的激波阻力,旋翼将会失稳,失稳的直升机基本就废了,这就是前行侧速度限制。


3. 后行侧限制

同样的图,看左侧后行侧,因为旋翼旋转线速度是角速度乘以半径,因此,越靠近旋转中心,转速越小,因此,在靠近桨根的区域内,来流速度大于旋转速度,这时候,气流将从桨叶的几何后缘吹向前缘,导致桨叶无法产生升力,也就是失速,随着前飞速度增大,来流速度大于旋转速度的区域也会扩大,最终形成大面积失速,导致旋翼失稳,这就是后行侧速度限制。


综合以上三点,直升机的速度就被限制在一个较低的水平下,常规直升机的极速无法超过300公里时,甚至连如今的高铁都比不上,更何谈和固定翼飞机比?


但是,最最重要的是,常规直升机本来最强的就是悬停和低速机动能力,所以根本没必要和固定翼比速度。


旋翼飞行器


与固定翼飞机不同,直升机在空中飞行所需的上升力和推力都必须依靠旋翼的转动获得。但根据传统旋翼机飞行原理,直升机旋翼速度过快时,前行桨叶常常会产生激波,后行桨叶则会发生失速现象。因而长期以来,传统直升机的最大前飞速度一直都无法突破340千米/小时这一极限。

为实现速度的突破,国外直升机设计师很早就提出能否改变旋翼既作升力又作推力的传统结构设计,给直升机单独加上推进装置获得推力,由此就产生了复合直升机的概念。该种高速直升机在悬停和低速时以直升机模式工作,速度提高到一定程度后,选一进入自转状态;速度再提高时,旋翼速度降低并逐步卸载,机翼逐步承载。这样桨叶剖面迎角的减小和旋翼转速的下降,分别推迟了后行桨叶的气流分离和前行桨叶的激波失速。让机翼为旋翼卸载是复合式直升机的核心思想,其典型机型有美国的X-2、X-49A,欧洲的X-3和俄罗斯的卡-90等。

但这种设计也只是推迟激波和时速而已,却不能完全消除这些现象,因此,直升机的最大飞行速度还是要比固定翼飞机低得多,美国的X-2高速直升机是世界上最快的直升机,巡航速度可达463千米/小时,为美国现役“黑鹰”直升机速度的两倍,但与超音速的固定翼飞机相比,还是差得远。美国V-22“鱼鹰”倾转旋翼机是一种特殊的直升机,其设计核心思想是,在悬停和低速时以直升机模式工作;速度提高到一定程度后,倾转旋翼成为螺旋桨,成为固定翼飞机模式。即使如此,其最大速度也只有每小时556千米。


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