直升机几个特殊问题的飞行原理

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  如同固定翼飞机存在失速、螺旋,以及可以在失去动力时靠操纵舵面滑翔等一样,直升机也存在一些特殊的飞行状态。只要弄清楚这些飞行状态的原理,就可以避免出现一些危及飞行安全的情况,或者出现险情后可以及时、正确地处置。
  
  旋翼自转下降
  
  飞机在空中飞行时,一旦发动机停车,飞机会靠宽大的机翼滑翔下降,下降中飞行员选择合适的场地迫降,如在下降中遇到上升气流,还可以多争取一些高度,可给飞行员选择好的着陆场以更大的余地。当然,现代战斗机由于速度太大,机翼面积过小,一旦发动机在空中停车,飞行员必须及时弃机跳伞以求生存,这也是不得已的办法。而直升机飞行经常需要载人,所以飞行员在任何情况下都不能离机。那么,一旦直升机在空中发动机停车怎么办呢?直升机真的会像一个大秤砣似的直接坠落吗?答案是:不会。原来,旋翼在设计时就具备了在无动力驱动的情况下,会靠下降中迎面吹来的气流进行自转下降。旋翼在靠气流吹动自转时也会产生一定的拉力,这就可以平衡直升机的一部分重力,使直升机也像滑翔机一样在空中滑翔下降。只是直升机的滑空比比较小,这就要求直升机飞行员一旦发生空中发动机停车,就立即在当时所处的位置附近选择适宜的场地迫降,没有更多的处置余地。实践证明,直升机在空中发生发动机停车以后,只要飞行员处置得当,是完全可以保证安全的。
  这样的事例有很多,例如1984年,驻新疆直升机部队的一架直-5直升机,在飞夜航时发生了空中停车,由于机长处置正确,机组齐心协力密切配合,结果安全降落在了一块野地里,人机毫发无损。当然,飞行员处置正确是首要条件。这是因为旋翼自转下降必须具备两个条件,一是直升机,必须有一定的前飞速度,二是要使旋翼处于低变距状态。在正常飞行时,旋翼由发动机驱动正处于高变距位置,发动机一旦停车飞行员要迅速把旋翼变距操纵到低距位置,这样才能使旋翼自转得起来。
  当然,旋翼自转的同时,由于扭距的消失,飞行员的用舵也必须迅速跟上。飞行员还要使下滑的直升机保持在一个有利的速度范围内,这样才能使旋翼保持一个有利的转速,以使直升机保持最大性能的滑空比。各型直升机手册中都特别强调在某一高度上悬停是危险的,并且画出了一个回避区,就是因为在此高度上一旦发动机停车,直升机无法获得有利的下降速度,也就无法使旋翼自转起来并达到有利的转速,从而无法保证直升机的降落安全。所以强调,不是特别需要,不允许在此高度上进行悬停飞行。在低高度时以较大的速度飞行也是应尽力回避的,这是由于一旦发动机停车,直升机会立即接地,而以很大的速度接地是很难保证直升机的平稳与安全的。
  
  直升机的涡环状态
  
  当直升机以较小速度、较大下降率下滑,或旋翼旋转出现问题,使旋翼各桨叶不能旋转在同一个平面时,会出现涡环状态。在这种状态下,旋翼向下拨动的空气速度减缓,旋翼拉力下降,下降率不断增加,这使从下顶上来的气流更加抵消旋翼向下拨动的气流的速度,使旋翼的拉力更加减小,并伴有飞行员操纵反映失灵、飞行员无法控制局面的状况,如不及时脱离这种状态,后果将不堪设想。退出这种状态的方法也挺简单,就是要尽快设法获得较大的前飞速度。越及早处置,获得前飞速度的可能性会越快;直升机所处的飞行高度越高,安全处置的余地会越大。
  这里顺便提及,双驾驶员的直升机,两个驾驶员的密切配合是十分重要的。1959年曾在北京南苑机场举行过一次大型的飞行表演,当时空军唯一的直升机大队派出了一架承担80米空中悬停的表演任务。说实话,就当时我直升机大队所装备的直升机性能和飞行员的训练水平来讲,这个任务是有着相当大难度的。加之参加表演的这架直升机本来是准备执行别的任务,机舱里有一个加满了油的副油箱——这大大增加了自身的重量,留给两名飞行员协同的时间不多,未能很好协同。当悬停高度升高以后,一位飞行员看直升机是向后退,于是向前顶杆;另一位飞行员看直升机是向前跑,于是向后拉杆。结果二人你推我拉、我拉你推,很快就破坏了旋翼旋转面的水平状态,使旋翼拉力明显降低,不能再维持悬停,直升机进入涡环状态,加速坠落到地面。当时撞地速度是很大的,连随机拍照的记者的眼镜都跌到机舱的地板上摔碎了。幸好直升机撞地时很平稳,未发生倾斜,不然后果将会更加严重。就这样已使机身与尾梁的结合部出现裂痕。好在现场解说员反应机敏,立即向观众广播说:“刚才直升机为大家表演的是快速下降着陆。”不然真不好收场。
  
  直升机的地面共振
  
  直升机的地面共振,是指直升机的固有频率与作用于直升机的外力频率相耦合时所产生的一种振幅越来越大的现象。这犹如荡秋千,人随着秋千摆动的节奏在相同的方向稍微用力,就会使秋千越荡越高。发生这种情况对直升机的破坏性是很可怕的,所以要尽量避免。研究认为,发生这种情况的原因主要有三个。一是直升机使用了发动机的共振转速,这多半产生在直升机停放试车时,安装活塞式发动机的直升机已发生过多次地面共振。二是在设计时未注意各传动系统设定的转速,避开容易引起与发动机转速、机身固有频率等会发生耦合的转速,这在苏联和我国都曾发生过。这种情况如果在空中发生被称为“自激振动”,又被称为“空中共振”,其后果将是灾难性的。三是由于旋翼的陀螺进动性引起的。这主要是直升机在地面滑行时,如果地面不平,下坡时等于给了直升机一个向下的外力,上坡时等于给了直升机一个向上的外力。陀螺进动性原理告诉我们,旋转的旋翼这个大陀螺受到外力后会向外力的垂直方向产生进动,也就是说,这会使旋翼轴在进动的作用下向左右发生摆动,而一旦这种摆动频率与当时直升机起落架的左右摆动频率相耦合,就会使直升机的摆动幅度越来越大,如不及时制止,定会造成严重的后果。这里需要特别强调的是训练直升机飞行员载重起飞滑跑着陆科目时,必须要在跑道上进行,若在草地机场练习这一科目,发生地面共振的概率相当高。对这种情况的制止并不难:一是加强相关的知识教育,使飞行员在飞行中加以注意,避免这种情况的发生,比如不要使用共振转速:二是一旦出现共振苗头,飞行员要立即关闭发动机,使旋翼尽快失去动力。
  
  尾桨操纵失效
  
  单旋翼带尾桨直升机由于尾桨传动和操纵系统的长度较长、环节较多,有时也会发生一些故障。尾桨失效指直升机尾桨不能正常工作,无法起到它应有的作用。造成尾桨失效的原因有气动原因,机械原因,也有飞行环境原因。通常所说的尾桨失效一般包括三种情况:尾桨涡环、尾桨效能降低和尾桨机械故障。目前对这种故障人们有了较丰厚的经验积累和一定的理论研究。在飞行中,一旦尾桨失去控制,也就是操纵失效,尾桨受迎面气流的作用仍会旋转,这种旋转也会产生一定的拉(推)力。其拉(推)力的大小,与直升机前飞的速度成正相关,即前飞速度大其拉(推)力也大,这样,在空中尾桨失效后保持一个使方向得到稳定平衡的速度就成了关键。这个速度在各型直升机手册中都会绘示,其数值大约接近该型直升机的有利速度。保持这样的速度飞行、着陆、着陆后立即关闭发动机,使旋翼不再产生反作用力矩,直升机保证安全是没有问题的。这就要求飞行员一是飞行中警惕性要高,一旦发现由此问题立即保持好规定的速度飞回机场,二是以这样大的速度滑跑着陆,并在着陆后立即关闭发动机。这在实践中正、反面大的教训都有。据报道,美国的一架“黑鹰”直升机在发现空中尾桨操纵失效后,马上返场以110海里/小时的速度着陆,接地后立即关闭了发动机,人和直升机都保证了飞行安全。我军的一架直-5,在1973年一次飞行中也发生了尾桨操纵链条脱落的故障。开始由于飞行速度大,直升机向旋翼旋转方向偏转,飞行员用舵已不起作用,当速度减至120千米/小时,直升机才得以保持直线飞行,飞行员立即操纵直升机返航。着陆时,飞行员担心接地速度太大不好控制,就有意识减小了速度,并用倾斜旋翼桨盘的方法平衡直升机的偏转,接地后立即关闭了发动机,结果直升机在草地上,沿旋翼反作用力矩方向扭转了270°才停下来,最终保证了人机安全。
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