雙手輕輕一搓,竹蜻蜓就會飛上天空,伴随的便是孩子們的一陣陣歡呼。起源于公元前500年的竹蜻蜓,陪伴了許多孩子的童年,也承載了很多人飛向天空的遐想。那麼小小的竹蜻蜓是如何引導人們設計出複雜的直升機甚至是飛行汽車呢?本期節目,小編和小夥伴們一起探究竹蜻蜓的飛天夢想。
01 概念與起源
許多人對固定翼飛機并不陌生,比如我們日常乘坐的民航客機。而旋翼機則并不常見,它們的身影通常隻能在旅遊,救援或者軍事行動中才會出現。而事實上,旋翼機的出現并不算晚,也有了超過百年的曆史。那麼旋翼機的起源究竟如何呢?
正如前言部分所說的,人類最早的旋翼設計理念源自竹蜻蜓,而人類首個旋翼飛行的設計手稿則來自于有着“穿越者”美稱的達芬奇。
首次以旋翼方式将人類帶離地面并實現短暫自主飛行的,則是法國人保羅·科爾尼。1907年11月13日,科爾尼乘坐在自己研制的載人直升機“飛行自行車”号上,依靠一台24馬力的發動機垂直起飛,離開地面0.3米并連續飛行了20秒。
這距離萊特兄弟的“飛行者一号”的首飛還不到四年。同萊特兄弟一樣,科爾尼同時也是個自行車制造商,因而我們從他的直升機上看到了許多自行車部件。
02 發展與等待
在科爾尼之後,也有許多旋翼飛行的先驅們不斷嘗試其它構型,其中介于直升機和固定翼飛機的中間産物“旋翼飛機”在二十世紀初占據了主流。它将旋翼和固定翼相結合,利用固定翼提供的升力和穩定性來輔助飛行,比如下圖中西班牙工程師胡安·切爾瓦(Juan de la Cierva)所發明的飛機。
在這架飛機上,切爾瓦使用鉸鍊連接了葉片和轉軸,以減弱旋翼葉片在周向不平衡風力條件下産生額外的力矩,并創造了對葉片進行動态控制的條件。這樣的飛機實現了一定程度的垂直起降,但它仍需要滑跑。不過由于當時的技術限制,它非常難以控制——甚至切爾瓦自己也不相信這樣的飛機能可靠飛翔,更加令人唏噓的是,切爾瓦也因操縱飛機失事而喪生。
切爾瓦可謂是旋翼飛行控制機構的開創者,但純粹的垂直起降自由飛翔尚需時日。航空界在等待一位不甘于跑道束縛的革新者,他便是現代直升機之父——伊戈爾·伊萬諾維奇·西科斯基(Igor Ivanovich Sikorsky)。
03 現代直升機之父
伊戈爾·伊萬諾維奇·西科斯基
1889~1972
1889年5月25日,西科斯基出生。像許多航空大佬一樣,西科斯基從小就喜歡制作飛機模型,并在12歲的時候成功制作了一個橡皮筋動力的直升機。
青年時期西科斯基就讀于聖彼得堡海軍學院和基輔工學院。1908年,西科斯基從報紙上看到了萊特兄弟和飛機的照片,大受震撼,次年他便中斷了基輔工學院的學習并轉投當時歐洲的飛行中心巴黎,學習空氣動力學。同年,學習能力超強的西科斯基便回到基輔開始試制航空器。
此時的西科斯基還是專注于固定翼飛機,并常常親自試飛。在随後而來的第一次世界大戰和俄羅斯内戰中,西科斯基設計的飛機受到多方重用。不過戰後的歐洲一片凋零,西科斯基深感難以施展拳腳,于是在1919年移民到了美國。
在大洋彼岸創造了許多輝煌成就之後,西科斯基沒有忘記自己兒時的夢想,重新回歸直升機的研制。此時的西科斯基有備而來,他改進了前人發明的機尾小旋翼,并完美的抵消了主翼的扭矩,徹底解決了直升機在空中打轉的難題,并優化了主旋翼的控制方法——最終這種單旋翼帶尾槳的設計也成為經典中的經典,至今仍是世界上最主流的直升機構型。
1939年9月14日,西科斯基的直升機VS-300升空了,具有良好的操控性和安全性,成為世界上第一架實用的直升機。随後VS-300的改進型R-4列裝美國陸軍,成為世界首架規模化量産的直升機。其主旋翼直徑達11.58米,最大起飛重量為1152公斤,航程達320公裡。
04 整機的受力平衡
直升機旋翼與生俱來就伴随着複雜性。從1907年科爾尼駕駛他的“飛行自行車”跌跌撞撞的離開地面,到1939年西科斯基娴熟的操縱VS-300飛行,時間已過去三十多年。反觀此時的固定翼飛機,早已經曆了多次洗禮,甚至催生出了噴氣式飛機。
運動複雜且難以操控是旋翼機發展緩慢的最重要原因。例如,為了應對懸停狀态下的空中打轉,人們使用尾槳産生的反向推力抵消了主旋翼的扭矩,卻發現在二者的共同作用之下産生了多餘的合外力,于是旋翼機整機開始了橫向漂移。
應對橫向漂移最初級的辦法是把主旋翼的旋轉軸稍作傾斜,使得主旋翼産生一定的水平分量來抵消尾槳的橫向推力。不過這并不能完美的解決問題,當飛行工況變化或者有側風時,仍會發生橫向漂移,因此使用更加靈活的控制辦法勢在必行——好在切爾瓦已經打好了基礎,通過對槳毂的控制可實現槳葉旋轉平面的變化,從而改變拉力的方向,不但可以讓直升機在懸停時保持穩定,還可以實現任意方向的飛行。
這一系列操作下來,終于實現了直升機整機的受力平衡,可是當直升機前飛時,新的問題又出現了。
05 旋翼的複雜運動
當直升機向前飛行時,前行槳葉與來流相向而行,後行槳葉則順着來流的方向向後運動,因而旋翼在不同周向位置時,産生的升力不同。如果不對剛性旋翼做出處理,則直升機将發生側傾甚至傾覆。事實上,人們在早期旋翼機的試制中便遇到了這個問題,而解決的辦法便是在旋翼根部增加垂直鉸鍊,或者使用柔性葉片,使得旋翼可以産生自發的上下揮舞,産生變化的氣流迎角并使得升力平衡。
除了升力之外,前飛的直升機旋翼葉片也會受到周期性的阻力影響,将産生嚴重的交變應力問題,使得翼根疲勞斷裂。不過,既然有了垂直鉸鍊,再增加一個水平鉸鍊也不在話下,通過前後的擺振,葉片便可将阻力的波動一一化解。
當然,旋翼運動的複雜程度遠不止于此,在實際工作中,旋翼的揮舞和擺振還有相互的影響。直升機起飛後,在旋翼升力和離心力的共同作用下,旋翼葉片會向上翹曲,葉片的重心位置會随之變化。向上翹的越多,葉片越向中央“收攏”,其重心也更靠近主軸。根據角動量守恒,葉片向中央“收攏”時,其角速度會增大。當葉片上下揮舞時,其重心的聚散變化會引起角速度的變化,從而影響到擺振的幅度。具體而言,向上揮舞時,葉片的角速度增大,葉片更趨向于向前擺振,向下揮舞時則相反。
熟悉直升機槳毂結構的小夥伴們都知道,除了揮舞鉸和擺振鉸,還有一個更重要的結構,便是自動傾斜器,或稱斜盤。斜盤的上下運動可帶動變距拉杆,使得槳距發生變化,從而調節旋翼拉力。如果使斜盤向一側傾斜,則可使每一片葉片的槳距産生周期性變化,從而調節旋翼整體的拉力方向。因此,通過合理的操縱斜盤,便可獲取任意方向的旋翼拉力,實現對飛行姿态的靈活控制。
理論上講,有了自動傾斜器,即使沒有揮舞鉸,人們仍可通過巧妙的設計實現每個葉片的控制,從而抵消槳葉前行和後行時的升力不平衡問題。而在經典的VS-300上,雖然西科斯基也嘗試使用了斜盤,但另一個問題又冒了出來。
當直升機在無風的環境下飛行時,忽然從右側來了一陣風。按照我們提到的槳葉前行和後行問題,若不考慮揮舞,前半部分槳盤的升力将由于相對風阻的增加而提高,後半部則降低,直升機将會出現擡頭。而現實中直升機會發生向右滾轉,而非俯仰,這便是陀螺進動效應。當駕駛員試圖調節直升機的槳距以實現某個動作時,發現直升機的響應總是滞後90°的相位,于是人們還需要調整控制機構以抵消陀螺進動效應。
旋翼的複雜運動的确給直升機的發展和科研人員帶來了極大的挑戰,然而正是這些挑戰吸引着大量的工作人員投入了直升機的事業。
06 百花齊放的經典構型
盡管旋翼的運動非常複雜,不過曆經數十年的優化叠代,西科斯基的單旋翼加尾槳的組合克服了重重困難并逐漸站穩了腳跟。而西科斯基之後還有衆多發明家和企業家加入了旋翼機的研制行列。貝爾,卡莫夫,阿古斯塔,以及航空巨頭麥道、波音和空客紛紛入局,并帶來了許多經典構型的直升機。
這些不同構型的旋翼機在設計時有着各種各樣的考慮,不過他們的目标都彙聚于一點,即如何提高飛行效率,增強飛行穩定性以及降低操控難度。比如歐洲直升機公司的X3機型,采用了一對獨立的推進螺旋槳,使得飛行極速輕松突破480千米/時,成為世界上飛的最快的直升機之一。
更常見的方案則是采用兩個主旋翼來規避單旋翼帶來的種種問題,比如黑鲨、支奴幹等經典的直升機。而最近幾年,由于新材料的出現,槳毂的形式也得到簡化,比如用柔性的葉根替代揮舞鉸,使得可靠性和可維護性都大大增強。
07 電動化時代的來臨
電動汽車使得汽車行業迎來了幾十年來最重要的一次改頭換面,傳統車企和造車新勢力也紛紛踏入江湖。而随着電力在地面交通領域應用的逐漸成熟,不安分的人們又開始望向了天空。
相比于傳統的燃機,電動機的布置與控制都更加靈活,使得總距調節、周期變距、尾槳這些傳統直升機上複雜而笨重的控制方式徹底改變。由于質量輕,控制靈活,安全裕度高,小尺寸多旋翼成為電動飛行器最青睐的動力來源,并催生了許多飛行汽車的研制機構。
在2022年的今天,許多雄心勃勃的公司已研制出令人驚歎的垂直起降飛行器,人們依賴于旋翼機自由出行的夢想也已經飛在空中。或許在不遠的将來,當技術更加成熟,法規也更加友好,旋翼機可能會成為人們自由飛翔的便利工具。
結語
SUMMARY
飛行是一個不同凡響的夢想,但前輩們通過自己的聰明才智和努力終于讓它變成現實,并為今天的我們開辟了更廣闊的天空。最後,為小夥伴們送上西科斯基的一句話,祝大家夢想成真。“人類發明飛行器是最令人引為自豪的偉大成就,而這成就起源于人類的一個夢想。這個夢想讓人無限遐想,最後通過人得以實現。”
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原标題:竹蜻蜓的飛天夢想
來源:LBM與流體力學
編輯:Garrett
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