直升機 -高 正
　　
　　主講人簡介： 
　　高正：南京航空航天大學教授、中國航空學會直升機專業委員會主任，曾獲得國家技術發明三等獎一項。2002年被授予“葉戈爾·西科斯基直升機研究獎”，是我國獲此殊榮得第一人。 
　　內容簡介： 
　　自一九零三年人類發明了飛機，已經整整一百年了。這一百年里發明了多種載人的飛行器。飛機和直升機都是飛行器 ，都可以載人載物飛行，但是它們的飛行原理、飛行特點和操縱方式是不同的。 
　　大家知道，機翼要產生升力，必須機翼和空氣要有相對運動。所以飛機機翼作為飛機的主升力面，要產生升力必須要有風 ，或者相對速度吹過機翼。那當然飛機就不能在原地起飛，必須在跑道上滑跑，通過滑跑加速，使速度達到一定值以后，機翼上的升力才能把飛機托起來。所以飛機的起飛和著陸都要滑跑。但是直升機可以不滑跑，它能夠在原地起飛 ，也可以懸在空中不動。主要靠什么呢？主要靠它的升力面-旋翼。要發明直升機，首先要解決三個大的技術關鍵問題。第一個技術關鍵就要讓它原地升空。第二個關鍵就是旋翼旋轉以后產生升力了，但是空氣對旋翼槳葉的阻力，要通過旋翼又傳到機身上，會讓機身反轉。所謂反作用扭矩。第三個關鍵就是要可操縱。那么解決了這樣三個方向的控制問題，直升機就發明了，就可以在人的控制下自由飛行了。 
　　雖然能夠飛了，到六十年代，直升機的聲譽并不好。飛得慢，不如飛機快。振動大，嘈音強，難駕駛，而且出事故多。為什么會有這么多故障呢？主要是和直升機它的結構特點和飛行特點有關系。經過六十年的進步，這些主要的困難和障礙在很大的程度上得到克服了。使直升機就得到廣泛地應用。咱們國家現在生產的直升機有直5直升機、直8直升機、直9直升機、直11直升機、還有小型的EC120。 
　　最后我談一點個人設想跟大家研究探討一下。就是我們看兩個直升機，一個是五十年代的“S-61”，一個是最新的歐洲的“EH-90”,猛一眼看過去，好像沒有什么大的區別，為什么五十年不變？是不是搞直升機的人特別保守或者特別笨？我想是這么一個原因。就是發動機和減速器，它緊靠著旋翼，還有傳動軸傳到尾部，它把直升機的核心的部位給占領了，總要把減速器放到旋翼下邊，而發動機緊靠著減速器，就直升機上最好的位置被它占了。那么直升機的形狀也就決定了，就是像個大頭蝌蚪一樣。所以現在為什么直升機大部分都是這個樣子呢？我想將來的出路能不能向這兒走，我設想了一架直升機，咱們把動力放到槳尖上去，噴氣推動，然后在旋翼的槳葉上搞一個小的衿翼，用電來控制這個小翼來擺動。再裝上一個小的機翼，在高速飛行的時候，機翼產生一定的升力替旋翼卸載，再在尾部裝一個小的矢量推進裝置。所以將來希望，如果能解決了智能材料來控制槳葉的槳距，能夠解決了在離心力場里面穩定工作的推進器，把它裝到槳葉尖部。這樣的直升機應該是可以出現的。 
　　《直升機》 （全文） 
　　自一九零三年人類發明了飛機，已經整整一百年了。這一百年里發明了多種載人的飛行器。像在航空器里邊有飛機、直升機、自轉旋翼機、動力傘，還有傾轉旋翼機等等。在航天器里邊，有航天飛機、宇宙飛船 ，空間站等。但是直升機的發明比飛機晚了三十多年。第一架成功的直升機是在一九三六年首飛，到了四十年代初開始實際應用，到現在經過六十年的進步已經成為用途最廣的飛行器。飛機和直升機都是飛行器 ，都可以載人載物飛行 ，但是它們的飛行原理、飛行特點和操縱方式是不同的。 
　　大家知道機翼要產生升力，必須機翼和空氣要有相對運動，或者說要有相對速度，而且升力的大小是和速度的平方成正比的。所以飛機機翼作為飛機的主升力面，要產生升力必須要有風 ，或者相對速度吹過機翼。那當然飛機就不能在原地起飛，必須在跑道上滑跑，通過滑跑加速，使速度達到一定值以后，機翼上的升力才能把飛機托起來。所以飛機的起飛和著陸都要滑跑。但是直升機可以不滑跑，它能夠在原地起飛 ，也可以懸在空中不動。主要靠什么呢？主要靠它的升力面-旋翼。機體雖然不動，但是旋翼旋轉起來以后，槳葉上就有了相對氣流速度，這個速度使槳葉產生升力，就把直升機拉起來了。那么這個原理大家都看得清楚，有兩個例子我們可以舉一下。一個，飛機就像我們放風箏，放風箏必須有風，如果沒有風，那我們就拉著風箏跑，這就有了相對風，等升到空中以后，空中有風了，那么風箏就可以飄在上面。像直升機，它雖然機體不跑，但旋翼旋轉等于在槳葉上產生了相對風 。 
　　其實人類要想飛起來，最早想到的不是滑跑起飛。人沒那么聰明，沒有想到通過滑跑來加速起飛，是想到要原地垂直起飛的。像咱們中國早期的童話《西游記》，哪吒腳踩的風火輪，那是垂直起落的飛行器。像阿拉伯童話里面的阿拉伯的飛氈，希臘神話里面的希臘神的戰車都是原地起飛的。但這個都是神話而已 ，要真正實現原地起飛，人們經過了長期的艱苦的努力，冒了很大的風險。比如說中國明朝的一位萬戶，他把火箭綁在椅子上，然后扎上個大風箏，讓火箭的推力把他推到空中去垂直起飛，當然也失敗了。后來國外也是，很多人經過艱苦努力，冒險進行實驗，失敗了非常多。所以為什么直升機比飛機要晚成功三十多年。要發明直升機，首先要解決三個大的技術關鍵問題。第一個技術關鍵就要讓它原地升空。世界公認在原地產生升力，作為直升機旋翼的雛形就是竹蜻蜓。竹蜻蜓在中國至少有一千四百多年的歷史，后來傳到世界各地，許多地方都有。我這兒有一個竹蜻蜓，這就是旋翼原理的雛形。可能你們小時候都玩過，它可以原地起飛，不需要滑跑。那么人們受到這個啟發就利用竹蜻蜓的原理，設計制造了旋翼，實現了垂直起飛，這是解決的第一個關鍵；第二個關鍵就是旋翼旋轉以后產生升力了，但是空氣對旋翼槳葉的阻力，要通過旋翼又傳到機身上，會讓機身反轉。所謂反作用扭矩。這個就像我們劃船，我們拿著槳去撥水，往后撥水，水給槳一個反作用推力，通過人的手和身體傳給船，那么船就往前走，這就是作用力和反作用力。那么發動機讓旋翼旋轉，空氣要阻止旋轉，這個阻止力矩通過槳葉傳給發動機，再傳到機身，于是機身就要對旋葉反轉。那么機身要反轉起來，這個飛行器我們就沒法用了。所以要發明直升機，要解決不讓機身轉動。早期人們想的辦法就是用多個旋翼，最早想的是多旋翼、雙旋翼或者是四旋翼。像左邊那個圖是上下兩個旋翼反轉，這叫共軸雙旋翼式，它們的反扭矩彼此平衡了，不要傳到機身上去。左邊中間這個叫橫列式雙旋翼，把兩個旋翼設計在機身的左右兩邊，它們也是反轉。在下面這個叫交叉雙旋翼式，兩個旋翼都是交叉的。右邊下面這個叫縱列雙旋翼式，兩副旋翼，同速，反向旋轉，它們的反扭矩彼此平衡，所以可以保持機身就不轉了。這個辦法呢，特別是在早期，用兩個或者四個旋翼是非常復雜的，振動得幾乎沒有辦法飛行。后來在一九三九年，美國的西科斯基這個公認的直升機界的鼻祖和權威，他就發明了單旋翼式直升機，就是左上角這個。他在直升機的尾部加了一個垂直安裝的旋翼，實際上我們叫它尾槳。它指向側面的拉力對重心就有一個力矩，這個力矩來平衡旋翼旋轉的反扭矩。所以現在世界上百分之九十五以上的直升機，是這種單旋翼帶尾槳式的。第三個關鍵就是要可操縱。其實在一九零七年法國人，一個叫布雷蓋蒂，一個叫卡努都已經實現了垂直起飛。它們的旋翼可以拉著機身垂直飛起來。但是不能操縱，不能控制。又經過了三十多年的努力，在德國首先成功地發明了直升機，就是德國的福克在一九三六年完成了直升機的發明，就是他實現了可控飛行。 
　　那么解決了這樣三個方向的控制問題，直升機就發明了，就可以在人的控制下自由飛行了。雖然能夠飛了，到三十年代、四十年代、一直到五十年代，甚至六十年代，直升機的聲譽并不好。飛得慢，不如飛機快。振動大，嘈音強，難駕駛，而且出事故多。為什么會有這么多故障呢？主要是和直升機它的結構特點和飛行特點有關系。我們舉個例子，現在一般直升機旋翼的旋轉槳尖速度大約是每秒二百米左右，相當于每小時七百二十公里。如果直升機以三百公里的時速往前飛，那么往前轉的槳葉那就是七百多公里加上三百公里速度，就是一千多公里了。往后轉的槳葉就是四百來公里速度了。所以槳葉每轉一圈，它的迎面氣流速度，就是從四百多到一千多，然后到四百多這么轉。那么既然氣流速度這么變化，它的空氣動力的變化，這就帶來直升機旋翼上始終是處在交變載荷作用下。就由于這些原因，直升機的飛行特點和結構特點造成了振動大，容易疲勞，噪聲強。另外還有飛行速度問題。為什么直升機速度大不了，就是三百公里的時速時，前進槳葉已經超過了一千公里的速度，如果飛得更快，前行槳葉會達到音速，而后行槳葉速度更慢。因為它是兩個速度之差，所以這兩個原因，旋轉的旋翼限制了直升機的速度，不可能很大，這就是它的根本原因。