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第1 章飞行原理
第1.1 节垂直飞行概述
1.1.1 垂直起降和短距离滑跑起飞飞行器（V/STOL）
垂直起降和短距离滑跑起飞飞行器是指具备垂直起降或短距离滑跑起飞和着陆
的飞行器，英文缩写为V/STOL。这种飞行器的空气动力学原理主要侧重于在低速前
飞时升力的产生，对于任何飞机来说，其实都可以通过增加机翼面积的方式来实现
低速起飞和着陆。但这不是我们要叙述的“短距离滑跑起飞飞行器”，因为这样的话
其巡航性能将受到影响。因此，我们所指的“短距离滑跑起飞飞行器”具有一些特
殊的装置以实现低速度时产生升力。“升力”是指飞行中为保持飞行器在空中飞行所
需的垂直向上的力，它也可能是常规的垂直向上的力和前飞所需的推进力的合力。
燃气涡轮发动机的相对重量较小，它的应用使得该种飞行器得到了迅速的发展，
其推力重量比也超过了1。
1.1.2 垂直起降和短距离滑跑起飞飞行器的种类
对于垂直起降和短距离滑跑起飞的飞行器，产生过许多的设计思想，大多数的
设计都着重突出如何克服飞行器前飞速度的限制。这种限制主要来自于当前飞速度
超过200 节（kts）时，后退桨叶气流流过旋翼桨叶表面而导致旋翼失速。
a) 自转旋翼机（AUTOGYRO）
这是世界上最早的可飞行的旋转机翼飞行器（Ciera C4—1923 年），机上装有
常规的发动机和螺旋桨用于产生前进力以及一个无动力可以自由转动的机翼。它不
是一种直接垂直起降的飞行器，它需要一定的前飞速度来产生升力。前飞时桨盘向
后倾斜，升力方向向上。这种飞行器的最初设计构想是为了在低前飞速度时提供较
好的安全性。
b) 直升机（HELICOPTER）
自1937 年第一次试飞成功以来，直升飞机成为应用最广泛的垂直起降和短距
离滑跑起飞的飞行器，它是第一种可以垂直起降的飞行器，同时也是最有效的可悬
停的飞机。升力、前进力、操纵完全由旋翼系统来实现，属于低速飞行器。
c) 复合飞机（COMPOUND AIRCRAFT）
复合飞机是直升机和固定翼飞机的综合体，在前飞状态时，升力由机翼产生，
旋翼卸载，因而可以产生较大的前飞速度，通常还可以通过使用螺旋桨或发动机喷
气产生更大的前动力。
d) 倾斜翼飞机（TILT WING）
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倾斜翼飞机是将螺旋桨/旋翼整体旋转，旋转角度可以达到90 度而机身仍保持
水平，使处于螺旋桨/旋翼气流尾部的机翼不会发生失速。
1.1.3 直升机的种类
a) 双桨纵列式直升机
这种直升机具有两个主旋翼轴，分别安装在机身的前端和后端，两个旋翼
轴的叶片转动方向相反，其反扭矩互相抵消。
b) 双桨横列式直升机
同样有两个主旋翼轴，安装在机身两侧，两旋翼转动不一定互相啮合，且
带一定角度。
c) 共轴反桨式直升机
两个主旋翼上下安装在同一个主轴上，由一台或两台发动机驱动。
两个主旋翼转动方向相反，可以互相抵消反扭矩，使机身不随旋翼转动。
d) 单旋翼直升机
最多见的直升机是只有一个主旋翼轴系统，另外在机身后部与主旋翼不同
平面内安装一尾桨系统用于平衡因主旋翼转动引起的反扭矩，同时尾桨还
可以用于实现直升机的方向操纵。
1.1.4 直升机类型的比较
单旋翼直升机是最常见的直升机，它的主要优点是设计和制造简单，只需一套
操纵系统和减速传动系统。但需要安装尾桨来平衡主旋翼产生的反扭矩，且尾桨还
要消耗一定的功率（通常悬停时占8-10%，平飞3-4%）。另一个缺点是尾桨安装在远
离飞行员的后部，存在受地面障碍物影响和容易伤人的危险性。近年来“涵道尾桨”
和“NOTAR”装置的应用大大改善了上述两个缺点。
共轴反桨式直升机由于两个主旋翼转动方向相反，可以互相平衡反扭矩，另外
由于采用的是两个主旋翼从而减小了主旋翼桨叶尺寸；缺点是结构和操纵变得相当
复杂，使重量增加。
双桨横列式直升机的优点是前飞时功率损失小，缺点是迎风面积大，阻力大，
结构重量增加，传动和操纵复杂。
双桨纵列式直升机的优点是迎风面积小，阻力小，飞机重心范围大，有效载荷
可平均分配到两个主旋翼上。缺点是后主旋翼由于可能受前主旋翼气流影响而使升
力效率减小，解决办法是将后主旋翼的安装平面升高。其它的缺点与横列式相同。
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图1-1 直升机种类
1.1.5 直升机与固定翼飞机的比较
直升机与固定翼飞机相比有着许多根本性的不同点，其中主要的不同之处是四
个基本力中的升力、推力和阻力的产生方法不一样。
两种飞机都必须有能够在空气中运动的机翼才能产生升力，固定翼飞机的机翼
与机身安装在一起，因此要想使飞机起飞必须使整个飞机运动产生足够的速度。升
力由运动的翼型产生，要改变升力的大小，则必须改变翼型与相对气流之间的攻角，
在固定翼飞机上，要想实现改变攻角必须通过改变机身沿横轴的俯仰角的大小。
而直升机升力的大小可通过改变桨叶的迎角来实现，不必改变机身的姿态。
直升机和固定翼飞机在飞行中都受到四个力的作用，图1-2 是飞机在飞行中的受力
图，其中升力与重力相等，推力与阻力相等，因此可以说此时飞机是以不变的姿态
匀速运动。
图1-3 则与固定翼飞机不相同，因为图中只有升力和重力，没有推力和阻力，
对于直升机来说，此时说明飞机是在空中，处于悬停状态。
图1-2 固定翼飞机受力分析图1-3 直升机受力分析
升力
阻力
重力
推力
升力
重力
单旋翼直升机
双桨纵列式直升机
共轴反桨式反桨直升机双桨横列式直升机
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1.1.6 术语
以下是在本课程经常出现的主要技术术语：
桨盘面积（DISC AREA）：桨叶转动时叶尖形成的圆周面积
叶尖旋转平面（TIP PATH PLANE）：所有桨叶转动时叶尖形成的平面
桨盘负载（DISC LOADING）：直升机起飞重量与桨盘面积的比值
叶片负载（BLADE LOADING）：直升机起飞重量与所有叶片面积和的比值
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