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迎面突风对直升机有何影响?直升机静稳定性——速度稳定性

归档日期:07-11       文本归类:飞机安定性      文章编辑:爱尚语录

  我们说一架飞行器具备静稳定性,意思就是说假如这架飞行器受到外部扰动,将区域回复到其配平状态。虽然说静稳定性参数对飞行器的飞行品质而言是相当重要的,但是,针对某些具体的要求,受过专业培训的飞行员能够驾驭一架不具备静不稳定的飞行器执行任务。

  具备静稳定性的直升机有时却是动不稳定的。也就是说,这种情况下的直升机将会在配平状态附近来回振荡,并且其振荡幅度越来越大。当然,关于动不稳定性这是后话,本文着重于论述直升机的静稳定性。

  在我的上一篇关于旋翼挥舞的文章中已经对旋翼前飞速度对挥舞的影响进行过说明,前飞速度增大会导致旋翼挥舞后倒,从而产生一个抬头力矩。同时,直升机的平尾也会产生一个抬头或者低头的俯仰力矩(取决于其来流迎角)。两者的合作用决定了直升机的“速度稳定性”,更具体地说是“静态纵向稳定性”。如果突然增大的来流速度使得直升机产生一个抬头力矩,就认为直升机是“速度稳定的”,这是因为即便驾驶员不进行任何操作,抬头力矩也会使得直升机拉力水平分量减小,从而降速,从而使得直升机回复到之前的速度。

  直升机的速度稳定性程度可以通过很简单的飞行测试来判定,这种测试一般就只要两步:第一步,驾驶直升机稳定前飞,保持配平状态,记录下这时变距杆的具体位置,这是初始位置;第二步,保持直升机总距不变,通过快速俯冲加速使得直升机速度增大20千米时左右,然后记录下新的变距杆配平位置。如果相比于初始位置,变距杆前移,那说明直升机是“速度稳定”的,因为速度增大导致了抑制速度增大的抬头力矩从而需要变距杆前移来平衡这种力矩;如果相比于初始位置,变距杆位置几乎不变的话,就称为直升机具备“中性速度稳定性”(Neutrally stable);如果相比于初始位置,变距杆反倒后移的话,那就说明直升机是“速度不稳定”的。

  有一点需要注意的是——这种验证操作中总距是固定不变的,这主要是为了体现这种“稳定性”是为了应对那些突发的、意料之外的速度变化的情况。如果在速度变化的过程中还有意识地操纵总距来保持不掉高度,那再由变距杆的位置来判断出来的直升机显然始终是“稳定”的,而这种结论往往是不正确的。

  这种测试速度稳定性的飞行测试与风洞测试显然是不同的,因为在飞行测试中,直升机的迎角必须有所变化以保持旋翼拉力的竖直分量刚好抵消1G(1倍直升机总重)。因此,迎角稳定性也会对测试结果有所影响。在固定翼飞机的飞行中,随着前飞速度的增大,其迎角将会逐渐减小来保证总升力的竖直分量为1G。直升机的变化趋势则与此不同。在低速飞行的时候,确实,直升机的迎角也会逐渐减小,但是随着前飞速度越来越大,旋翼桨盘后行侧反流区越来越大,旋翼后行侧产生升力越来越弱,为平衡力矩,前行侧也只能产生较小升力,为了保证足够的拉力,直升机迎角就必须再次缓慢增大。

  虽然说旋翼在速度稳定性中扮演了主要角色,平尾也能够对速度稳定性起到较大的作用。负迎角(低头)安装的平尾一般是会产生向下的升力,从而随着速度增大二产生更大的抬头力矩,这对速度稳定性是有利的。伴随负升力而来的,是性能上的损失,这是直升机设计师必须权衡的问题之一。

  当然,由于受到旋翼尾迹的干扰,直升机平尾(或纵列式双旋翼的后旋翼)也可能会带来不利于速度稳定性的影响,这一点我在上一篇文章中“平尾”这一节中有详细说明,此处不再赘述。

  随着现代化的直升机桨盘载荷(意味着诱导功率,亦即下洗速度)和平尾面积越来越大,这种干扰作用也越来越明显。因而现代化直升机平尾迎角和周期变距往往需要根据前飞速度进行自动化微调,这和驾驶员的操纵是相互独立的。

  一般来说,驾驶员都会希望直升机具备一定的速度稳定性,但是速度稳定性也不能太好,因为太好的速度稳定性就意味着要增加速度时候需要更大的前推杆位移量,高速飞行下,这个位移量可能会超出变距杆可用位移,至少对驾驶员而言也会不舒适。速度稳定性不佳的直升机也可以通过直升机驾驶员的操纵来进行稳定飞行,但却往往需要驾驶员不断修正杆量来保持配平。在常规飞行中或许这也不是个什么大问题,但是假如驾驶员有其他事必须处理而只能进行仪表飞行的话,这种不稳定性就有点糟糕了。

  需要注意的是,由于速度改变而产生俯仰力矩的现象是旋翼类飞行器所特有的,固定翼飞机则不存在这种现象。对于固定翼飞机而言,由速度变化而进行的推拉杆操纵仅仅是为了改变气动迎角,而非为了改变速度(当然,由于存在较大的气动压缩性影响,高速飞机——超音速战机之类的——是个例外)。

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