中國(guó)的竹蜻蜓

　　中國(guó)的竹蜻蜓和意大利人達(dá)?芬奇的直升機(jī)草圖，為現(xiàn)代直升機(jī)的發(fā)明提供了啟示，指出了正確的思維方向，它們被公認(rèn)是直升機(jī)發(fā)展史的起點(diǎn)。

　　竹蜻蜓又叫飛螺旋和“中國(guó)陀螺”，這是我們祖先的奇特發(fā)明。有人認(rèn)為，中國(guó)在公元前400年就有了竹蜻蜓，另一種比較保守的估計(jì)是在明代(公元1400年左右)。這種叫竹蜻蜓的民間玩具，一直流傳到現(xiàn)在。

　　現(xiàn)代直升機(jī)盡管比竹蜻蜓復(fù)雜千萬(wàn)倍，但其飛行原理卻與竹蜻蜓有相似之處?，F(xiàn)代直升機(jī)的旋翼就好象竹蜻蜓的葉片，旋翼軸就像竹蜻蜓的那根細(xì)竹棍兒，帶動(dòng)旋翼的發(fā)動(dòng)機(jī)就好像我們用力搓竹棍兒的雙手。竹蜻蜓的葉片前面圓鈍，后面尖銳，上表面比較圓拱，下表面比較平直。當(dāng)氣流經(jīng)過圓拱的上表面時(shí)，其流速快而壓力?。划?dāng)氣流經(jīng)過平直的下表面時(shí)，其流速慢而壓力大。于是上下表面之間形成了一個(gè)壓力差，便產(chǎn)生了向上的升力。當(dāng)升力大于它本身的重量時(shí)，竹蜻蜓就會(huì)騰空而起。直升機(jī)旋翼產(chǎn)生升力的道理與竹蜻蜓是相同的。

　　《大英百科全書》記載道：這種稱為“中國(guó)陀螺”的“直升機(jī)玩具”在15世紀(jì)中葉，也就是在達(dá)?芬奇繪制帶螺絲旋翼的直升機(jī)設(shè)計(jì)圖之前，就已經(jīng)傳入了歐洲。

　　《簡(jiǎn)明不列顛百科全書》第9卷寫道：“直升機(jī)是人類最早的飛行設(shè)想之一，多年來人們一直相信最早提出這一想法的是達(dá)?芬奇，但現(xiàn)在都知道，中國(guó)人比中世紀(jì)的歐洲人更早做出了直升機(jī)玩具。”

　 

意大利達(dá)芬奇的畫

　　意大利人達(dá)芬奇在1483年提出了直升機(jī)的設(shè)想并繪制了草圖。

　　19世紀(jì)末，在意大利的米蘭

圖書館發(fā)現(xiàn)了達(dá)芬奇在1475年畫的一張關(guān)于直升機(jī)的想象圖。這是一個(gè)用上漿亞麻布制成的巨大螺旋體，看上去好象一個(gè)巨大的螺絲釘。它以彈簧為動(dòng)力旋轉(zhuǎn)，當(dāng)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速時(shí)，就會(huì)把機(jī)體帶到空中。駕駛員站在底盤上，拉動(dòng)鋼絲繩，以改變飛行方向。西方人都說，這是最早的直升機(jī)設(shè)計(jì)藍(lán)圖。

　　人類第一架直升機(jī)

　　1907年8月，法國(guó)人保羅?科爾尼研制出一架全尺寸載人直升機(jī)，并在同年11月13日試飛成功。這架直升機(jī)被稱為“人類第一架直升機(jī)”。這架名為“飛行自行車”的直升機(jī)不僅靠自身動(dòng)力離開地面0.3米，完成了垂直升空，而且還連續(xù)飛行了20秒鐘，實(shí)現(xiàn)了自由飛行。

　　保羅?科爾尼研制的直升機(jī)帶兩副旋翼，主結(jié)構(gòu)為一根V形鋼管，機(jī)身由V形鋼管和6個(gè)鋼管構(gòu)成的星形件組成，并采用鋼索加強(qiáng)，以增加框架結(jié)構(gòu)的剛度。V形框架中部安裝一臺(tái)24馬力的 Antainette

發(fā)動(dòng)機(jī)和操作員座椅。機(jī)身總長(zhǎng)6.20米，重260千克。V形框架兩端各裝一副直徑為6米的旋翼，每副旋翼有2片槳葉。

　　世界上第一種試飛成功的直升機(jī)

　　1938年，年輕的德國(guó)姑娘漢納賴奇駕駛一架雙旋翼直升機(jī)在柏林體育場(chǎng)進(jìn)行了一次完美的飛行表演。這架直升機(jī)被直升機(jī)界認(rèn)為是世界上第一種試飛成功的直升機(jī)。

　　1936年，德國(guó)福克公司在對(duì)早期直升機(jī)進(jìn)行多方面改進(jìn)之后，公開展示了自己制造的FW-61直升機(jī)，1年后該機(jī)創(chuàng)造了多項(xiàng)世界紀(jì)錄。這是一架機(jī)身類似固定翼飛機(jī)，但沒有固定機(jī)翼的大型雙旋翼橫列式直升機(jī)，它的兩副旋翼用兩組粗大的金屬架分別向右上方和左上方支起，兩副旋翼水平安裝在支架頂部。槳葉平面形狀是尖削的，用揮舞鉸和擺振鉸連接到槳轂上。用自動(dòng)傾斜器使旋翼旋轉(zhuǎn)平面傾斜進(jìn)行縱向操縱，通過兩副旋翼朝不同方向傾斜實(shí)現(xiàn)偏航操縱。旋翼槳葉總距是固定不變的，通過改變旋翼轉(zhuǎn)速來改變旋翼拉力。利用方向舵和水平尾翼來增加穩(wěn)定性。FW61旋翼轂上裝有周期變距裝置，在旋翼旋轉(zhuǎn)過程中可改變槳葉槳距。還有一根可變動(dòng)槳距的操縱桿來改變旋翼面的傾斜度，以實(shí)現(xiàn)飛行方向控制。FW61就是靠這套周期變距裝置和操縱桿保證了它的機(jī)動(dòng)飛行。該機(jī)旋翼直徑7米。動(dòng)力裝置是一臺(tái)功率140馬力的活塞發(fā)動(dòng)機(jī)。這是世界上第一架具有正常操縱性的直升機(jī)。該機(jī)時(shí)速100~120公里，航程200公里，起飛重量953千克。

　　第一架實(shí)用直升機(jī)

　　1939年春，美國(guó)的伊戈?duì)?西科斯基完成了VS-300直升機(jī)的全部設(shè)計(jì)工作，同年夏天制造出一架原型機(jī)。這是一架單旋翼帶尾槳式直升機(jī)，裝有三片槳葉的旋翼，旋翼直徑8.5米，尾部裝有兩片槳葉的尾槳。其機(jī)身為鋼管焊接結(jié)構(gòu)，由V型皮帶和齒輪組成傳動(dòng)裝置。起落架為后三點(diǎn)式，駕駛員座艙為全開放式。動(dòng)力裝置是一臺(tái)四氣缸、75馬力的氣冷式發(fā)動(dòng)機(jī)。這種單旋翼帶尾槳直升機(jī)構(gòu)型成為現(xiàn)在最常見的直升機(jī)構(gòu)型。

　　自首次系留飛行以來，西科斯基不斷對(duì)VS-300進(jìn)行改進(jìn)，逐步加大發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。1940年5月13日，VS-300進(jìn)行了首次自由飛行，當(dāng)時(shí)安裝了90馬力的富蘭克林發(fā)動(dòng)機(jī)。

　　世界上第一種投入批生產(chǎn)的直升機(jī)

　　R-4是美國(guó)沃特-西科斯基公司20世紀(jì)40年代研制的一種2座輕型直升機(jī),是世界上第1種投入批量生產(chǎn)的直升機(jī)，也是美國(guó)陸軍航空兵、海軍、海岸警衛(wèi)隊(duì)和英國(guó)空軍、海軍使用的第一種軍用直升機(jī)。

　　該機(jī)的公司編號(hào)為VS-316，VS-316A。美國(guó)陸軍航空兵的編號(hào)為R-4，美國(guó)海軍和海岸警衛(wèi)隊(duì)的編號(hào)為HNS-1，英國(guó)空軍將其命名為“食蚜虻”1(Hoverfly1)，英國(guó)海軍將其命名為“牛虻”(Gadfly)。

　　早期的活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)和木質(zhì)槳葉直升機(jī)

　　在20世紀(jì)40年代至50年代中期是實(shí)用型直升機(jī)發(fā)展的第一階段，這一時(shí)期的典型機(jī)種有：美國(guó)的S-51、S-55/H-19、貝爾47；蘇聯(lián)的米-4、卡-18；英國(guó)的布里斯托爾-171；捷克的HC-2等。這一時(shí)期的直升機(jī)可稱為第一代直升機(jī)。

　　貝爾47是美國(guó)貝爾直升機(jī)公司研制的單發(fā)輕型直升機(jī)，研制工作開始于1941年，試驗(yàn)機(jī)貝爾30于1943年開始飛行，1945年改名為貝爾47，1946年3月8日獲得美國(guó)民用航空署(CAA)的適航證，這是世界上第一架取得適航證的民用直升機(jī)。該機(jī)是單旋翼帶尾槳式布局、兩葉槳葉的蹺蹺板式旋翼。旋翼下面有穩(wěn)定桿，與槳葉呈直角。普通的自動(dòng)傾斜器可進(jìn)行總距和周期變距操縱。尾梁后部有兩個(gè)槳葉的全金屬尾槳。

　　卡-18是蘇聯(lián)卡莫夫設(shè)計(jì)局設(shè)計(jì)的單發(fā)雙旋翼共軸式輕型多用途直升機(jī)，于1957年年中首次飛行，此后不久投入批生產(chǎn)。采用兩副旋轉(zhuǎn)方向相反的3槳葉共軸式旋翼，槳葉為木質(zhì)結(jié)構(gòu)。裝1臺(tái)275馬力的九缸星形活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)。機(jī)身為鋼管焊接結(jié)構(gòu)，具有輕金屬蒙皮和硬殼式尾梁。座艙內(nèi)可容納1名駕駛員和3名旅客。采用四輪式起落架，前起落架機(jī)輪可以自由轉(zhuǎn)向。

　　這個(gè)階段的直升機(jī)具有以下特點(diǎn)：動(dòng)力源采用活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，這種發(fā)動(dòng)機(jī)功率小，比功率低(約為1.3千瓦/千克)，比容積低(約247.5千克/米3)。采用木質(zhì)或鋼木混合結(jié)構(gòu)的旋翼槳葉，壽命短，約為600飛行小時(shí)。槳葉翼型為對(duì)稱翼型，槳尖為矩形，氣動(dòng)效率低，旋翼升阻比為6.8左右，旋翼效率通常為0.6。機(jī)體結(jié)構(gòu)采用全金屬構(gòu)架式，空重與總重之比較大，約為0.65。沒有必要的導(dǎo)航設(shè)備，只有功能單一的目視飛行儀表，通信設(shè)備為電子管設(shè)備。動(dòng)力學(xué)性能不佳，最大飛行速度低(約為200千米/小時(shí))，振動(dòng)水平在0.25g左右，噪聲水平約為110分貝，乘坐舒適性差。

　　渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)和金屬槳葉直升機(jī)

　　20世紀(jì)50年代中期至60年代末是實(shí)用型直升機(jī)發(fā)展的第二階段。這個(gè)階段的典型機(jī)種有：美國(guó)的S-61、貝爾209/AH-1、貝爾204/UH-1，蘇聯(lián)的米-6、米-8、米-24，法國(guó)的SA321“超黃蜂”等。這個(gè)時(shí)期開始出現(xiàn)專用武裝直升機(jī)，如AH-1和米-24。這些直升機(jī)稱為稱為第二代直升機(jī)。

　　這個(gè)階段的直升機(jī)具有以下特點(diǎn)：動(dòng)力源開始采用第一代渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)。渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的功率比活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)大得多，使直升機(jī)性能得到很大提高。第一代渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)的比功率約為3.62千瓦/千克，比容積為294.9千瓦/米3左右。直升機(jī)旋翼槳葉由木質(zhì)和鋼木混合結(jié)構(gòu)發(fā)展成全金屬槳葉，壽命達(dá)到1200飛行小時(shí)。槳葉翼型為非對(duì)稱的，槳尖簡(jiǎn)單尖削與后掠，氣動(dòng)效率有所提高，旋翼升阻比達(dá)到7.3，旋翼效率提高到0.6。機(jī)體結(jié)構(gòu)為全金屬薄壁結(jié)構(gòu)，空重與總重之比降低到0.5附近。已采用減振的吸能起落架和座椅。機(jī)體外形開始考慮流線化，以減小氣動(dòng)阻力。直升機(jī)座艙開始采用縱列式布置，使機(jī)身變窄。性能明顯改善，最大飛行速度達(dá)到200~250千米/小時(shí)，振動(dòng)水平降低到0.15g左右，噪聲水平為100分貝，乘坐舒適性有所改善。

　　第三代直升機(jī)

　　20世紀(jì)70年代至80年代是直升機(jī)發(fā)展的第三階段，典型機(jī)種有：美國(guó)的S-70/UH-60“黑鷹”、S-76、AH-64“阿帕奇”，蘇聯(lián)的卡-50、米-28，法國(guó)的SA365“海豚”，意大利的A129“貓鼬”等。

　　在這一階段，出現(xiàn)了專門的民用直升機(jī)。為了深入研究直升機(jī)的氣動(dòng)力學(xué)和其它問題，這時(shí)也設(shè)計(jì)制造了專用的直升機(jī)研究機(jī)(如S-72和貝爾533)。各國(guó)競(jìng)相研制專用武裝直升機(jī)，促進(jìn)了直升機(jī)技術(shù)的發(fā)展。

　　這個(gè)階段的直升機(jī)具有以下特點(diǎn)：渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展到第二代，改用了自由渦軸結(jié)構(gòu)，因此具有較好的轉(zhuǎn)速控制特征，改善了起動(dòng)性能，但加速性能沒有定軸結(jié)構(gòu)的好。發(fā)動(dòng)機(jī)的重量和體積有所減小，壽命和可靠性均有提高。典型的發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率為0.36千克/千瓦小時(shí)，與活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)差不多。旋翼槳葉采用復(fù)合材料，其壽命比金屬槳葉有大幅度提高，達(dá)到3600小時(shí)左右。翼型不再借用固定翼飛機(jī)的翼型，而是為直升機(jī)專門研制的翼型，即二維曲線變化翼型。槳尖呈拋物線后掠。槳轂廣泛使用彈性軸承，有的成無(wú)鉸式。尾槳已開始采用效率高又安全的涵道尾槳。旋翼升阻比達(dá)8.5左右，旋翼效率提高到0.7左右。機(jī)體次結(jié)構(gòu)也采用復(fù)合材料制造，復(fù)合材料占機(jī)體總重的比例通常為10%左右，直升機(jī)的空重/總重比一般為0.5。對(duì)于軍用直升機(jī)，特別是武裝直升機(jī)來說，提出了抗彈擊和耐墜毀要求。美軍方提出了軍用直升機(jī)耐毀標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-1290，已成為軍用直升機(jī)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。為滿足這些標(biāo)準(zhǔn)，軍用直升機(jī)采用了乘員裝甲保護(hù)，專門設(shè)計(jì)了耐墜毀起落架、座椅和燃油系統(tǒng)。電子系統(tǒng)已發(fā)展到半集成型。直升機(jī)采用大規(guī)模集成電路通訊設(shè)備、集成的自主導(dǎo)航設(shè)備、集成儀表、電子式與機(jī)械式混合操縱機(jī)構(gòu)等。機(jī)上的電子設(shè)備之間靠一條雙向數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)總線交連，通過這條總線可進(jìn)行信息發(fā)射和接收。直升機(jī)采用混合布置的局部集成駕駛艙。第一代夜視系統(tǒng)的使用使直升機(jī)具備了夜間飛行能力。這種較為先進(jìn)的半集成電子設(shè)備使直升機(jī)通訊距離顯著增大，導(dǎo)航距離與精度明顯提高，儀表數(shù)量有所減少，飛行員工作負(fù)荷得到減輕，也使直升機(jī)具備了機(jī)動(dòng)/貼地飛行以及在不利氣象/夜間條件下的飛行能力，從而提高了直升機(jī)的整體性能。動(dòng)力學(xué)性能明顯提高。直升機(jī)的升阻比達(dá)到5.4，全機(jī)振動(dòng)水平約為0.1g，噪聲水平低于95分貝，最大飛行速度達(dá)到300千米/小時(shí)。

　　現(xiàn)代直升機(jī)

　　20世紀(jì)90年代是直升機(jī)發(fā)展的第四階段，出現(xiàn)了目視、聲學(xué)、紅外及雷達(dá)綜合隱身設(shè)計(jì)的武裝偵察直升機(jī)。典型機(jī)種有：美國(guó)的RAH-66和S-92，國(guó)際合作的“虎”、NH90和EH101等，稱為第四代直升機(jī)。

　　這個(gè)階段的直升機(jī)具有以下特點(diǎn)：采用第3代渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，這種發(fā)動(dòng)機(jī)雖然仍采用自由渦軸結(jié)構(gòu)，但采用了先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)全權(quán)數(shù)字控制系統(tǒng)及自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，并與機(jī)載計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)集成在一起，有了顯著的技術(shù)進(jìn)步和綜合特性。第3代渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的耗油率僅為0.28千克/千瓦小時(shí)，低于活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的耗油率。其代表性的發(fā)動(dòng)機(jī)有T800、RTM322和RTM390。槳葉采用碳纖維、凱芙拉等高級(jí)復(fù)合材料制成，槳葉壽命達(dá)到無(wú)限。新型槳尖形狀繁多，較突出的有拋物線后掠形和先前掠再后掠的BERP槳尖。這些新槳尖的共同特點(diǎn)是可以減弱槳尖的壓縮性效應(yīng)，改善槳葉的氣動(dòng)載荷分布，降低旋翼的振動(dòng)和噪聲，提高旋翼的氣動(dòng)效率。球柔性和無(wú)軸承槳轂獲得了廣泛應(yīng)用，槳轂殼體及槳葉的連接件采用復(fù)合材料，使結(jié)構(gòu)更為緊湊，重量大為降低，阻力大大減小。旋翼升阻比達(dá)到10.5，旋翼效率為0.8。這個(gè)階段應(yīng)用了無(wú)尾槳反扭矩系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是具有良好的操縱響應(yīng)特性、振動(dòng)小、噪聲低，不需要尾傳動(dòng)軸和尾減速，使零部件數(shù)量大大減小，因而提高了可維護(hù)性。復(fù)合材料在直升機(jī)上獲得了前所未有的廣泛應(yīng)用。直升機(jī)開始采用復(fù)合材料主結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料的應(yīng)用比例大幅度上升，通常占機(jī)體結(jié)構(gòu)重量的30~50%。這一時(shí)期的民用型直升機(jī)的空重/總重比約為0.37。高度集成化的電子設(shè)備。計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)及智能技術(shù)在直升機(jī)上獲得應(yīng)用，直升機(jī)電子設(shè)備朝著高度集成化方向發(fā)展。這一時(shí)期的直升機(jī)，采用了先進(jìn)的增穩(wěn)增控裝置，用電傳、光傳操縱取代了常規(guī)的操縱系統(tǒng)，采用先進(jìn)的捷聯(lián)慣導(dǎo)、衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備及組合導(dǎo)航技術(shù)，先進(jìn)的通訊、識(shí)別及信息傳輸設(shè)備，先進(jìn)的目標(biāo)識(shí)別、瞄準(zhǔn)、武器發(fā)射等火控設(shè)備及先進(jìn)的電子對(duì)抗設(shè)備，采用了總線信息傳輸與數(shù)據(jù)融合技術(shù)，并正向傳感器融合方向發(fā)展。機(jī)上的電子、火控及飛行控制系統(tǒng)等通過多余度數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)總線交連，實(shí)現(xiàn)了信息共享。采用了多功能集成顯示技術(shù)，用少量多功能顯示器代替大量的單個(gè)儀表，通過鍵盤控制顯示直升機(jī)的飛行信息，利用中央計(jì)算機(jī)對(duì)通訊、導(dǎo)航、飛行控制、敵我識(shí)別、電子對(duì)抗、系統(tǒng)監(jiān)視、武器火控的信息進(jìn)行集成處理從而進(jìn)行集成控制。采用這類先進(jìn)的集成電子設(shè)備，大大簡(jiǎn)化了直升機(jī)座艙布局和儀表板布置，系統(tǒng)部件得到簡(jiǎn)化，重量大大減輕。更主要的是極大地減輕了飛行員工作負(fù)擔(dān)，改善了直升機(jī)的飛機(jī)品質(zhì)和使用性能。直升機(jī)的全機(jī)升阻比達(dá)到6.6，振動(dòng)水平降到0.05g，噪聲水平小于90分貝，最大速度可達(dá)到350千米/小時(shí)。