万博士的航空讲堂深入篇 [10]

十、直升机的起飞、

爬升、下降与着陆

直升机能够垂直上升和下降、水平移动和悬停回转，较之固定翼飞机在起飞和着陆方面具有很强的优势，对于场地要求非常低。

1.起飞

直升机利用旋翼拉力从离开地面并增速上升至一定高度的运动过程叫做起飞。直升机有多种起飞方式，既可垂直起飞，也可像固定翼飞机一样滑跑起飞。具体采用何种方式起飞，要根据场地面积、大气条件、周围障碍物高度和起飞重量等情况决定。

（1）垂直起飞

垂直起飞是直升机从垂直离地到一定高度上悬停，然后按一定的轨迹爬升增速的过程。爬升高度视周围障碍物的高度而定。一般而言，作为起飞过程完成的离地高度约为20-30米，此时速度接近其经济速度（以该速度飞行航时最长）。根据不同的具体情况，直升机可以采用两种不同的垂直起飞方法。

a. 正常垂直起飞

正常垂直起飞（图1）是指场地净空条件较好，周边没有障碍物，直升机垂直离地约0.15-0.25倍旋翼直径的高度，部分利用旋翼的地面效应（因地面对于气流的反射作用使飞机翼面和直升机旋翼的升力增加），进行短暂悬停，然后检查一下发动机情况，再以较小爬升角增速爬升到一定高度的过程。图1-图7中，H为离地高度，V为前飞速度，Vy为垂直下降速度，L为水平距离。

在这个过程中直升机旋翼的需用功率变化很大。在速度从零增加至经济速度的范围内，直升机的受力状态变化很大，对操纵动作的协调性要求很高。

b. 超越障碍物起飞

这种起飞方式是在场地周围有一定高度的障碍、且地面比较狭小时采用。与正常垂直起飞方式不同的是垂直离地的悬停高度增加了。如果周围障碍物的高度为h，则起飞悬停高度应不小于（10+h）米，以保证直升机能安全超越障碍（图2）

由于这种情况下的悬停高度比正常垂直起飞时高出很多，因此这种起飞方式是在无地效高度上悬停，需用功率较大。利用该起飞方式时，为了在增速过程中不至于掉高度，要求发动机有一定的剩余功率，以保证起飞安全。

（2）滑跑起飞

由于直升机在悬停时所需功率较大多数的飞行状态都高，因此当其载重量过大或机场海拔高度高或空气温度高时，就无法垂直起飞；在这种情况下，直升机可以像固定翼飞机那样采用滑跑方式起飞（图3）。直升机的滑跑起飞，省去了垂直离地和近地面悬停这两个阶段，而分成地面滑跑增速和空中增速两个阶段进行。

直升机在地面滑跑增速至一定速度后，由于旋翼需用功率减小，因此发动机有足够的功率增加旋翼的拉力、克服重力升空。随着飞行速度不断增加，旋翼需用功率进一步下降，直升机会有部分剩余功率用来爬升和增速，完成整个起飞过程。

2. 着陆

直升机从一定高度下降，减速、降落到地面直至运动停止的过程称为着陆，是起飞的逆过程。实际采用中的着陆方式有：垂直着陆、滑跑着陆、旋翼自旋下滑着陆。

（1）垂直着陆

直升机根据预定地点场地大小和周围障碍物的高度等不同情况，可分别采用正常垂直着陆和超越障碍物垂直着陆。

a. 正常垂直着陆

预定着陆地点场地净空条件良好时，直升机应尽量采用正常垂直着陆，其着陆的轨迹如图4所示。具体过程是：直升机以一定的下滑角向预定点下降并逐渐减速；在接近着陆预定点前，做小速度贴地飞行，旋翼处在地面效应影响范围内；在到达预定点上空3-5m高度上做短时间悬停，再以0.2-0.1m/s的下降速度垂直下降至接地。这种着陆方式对着陆场地表面质量要求低、所需场地面积相对较小、充分利用了地效、需用功率减小。

b. 超越障碍物垂直着陆

当着陆场地面积狭小、周围又有一定高度的障碍物，直升机在接近场地的空间不允许做小速度的贴地飞行时，就采用超越障碍物垂直着陆方式着陆，其飞行轨迹如图5所示。它与正常垂直着陆不同的是做减速和接地前短暂悬停高度不同。因为悬停不能利用地效，所以这种方式的需用功率较大。而且，由于着陆点附近有障碍物，直升机纵横向不允许较大的位移，因此操纵难度大一些。

（2）滑跑着陆

直升机在高原、高温地区，或载重量较大时，发动机可用功率可能不足以允许其用垂直着陆方式着陆，此时，直升机可以像固定翼飞机一样进行滑跑着陆。其着陆飞行轨迹见图6。滑跑着陆与垂直着陆不同，直升机在接地瞬间，不但具有垂直速度，还有水平速度，因此着陆时对起落架的冲击力较垂直着陆大。而直升机在接地后的滑跑过程，可进一步利用旋翼产生一个减速的水平分力，使直升机继续减速直至运动停止。

（3）旋翼自转下滑着陆

在发动机停车的情况下，直升机可以采用旋翼自转下滑的方式着陆。此时，全部依靠直升机下降时的重力势能作功提供给旋翼旋转产生拉力以平衡重力。

在飞行时一旦发动机停车，直升机则无法保持平飞，会进入下滑状态。为了安全着陆，有两点必须注意：

①减小旋翼总距以保持旋翼转速；

②使直升机下滑速度的水平分量接近于经济速度。此时，可以根据预定着陆点的距离和直升机的高度，选择合适的下滑速度。有的下滑速度可以获得最远下滑距离，有的则对应最长留空时间。

直升机在发动机完全停车后，虽然可以转入旋翼自转状态下降，以较小的下降率下滑安全着陆。然而，从发动机停车到直升机以经济速度下滑使旋翼处于自转下滑的状态，需要一定的时间，在这一过程中它会下降一定的高度。如果直升机的飞行高度较低，且飞行速度又较小，则有可能出现还没有来得及进入旋翼自转，就会以较大的下降速度触地，造成机体和人员的损伤。

为了避免直升机在自转着陆时受到地面的巨大冲击，通常在其飞行高度速度范围内规定一个所谓“回避区”（图7），并要求一般情况下直升机只能在“回避区”以外的高度速度范围内飞行。

模型直升机的起飞、爬升、下降、着陆与载人直升机基本相似。但因模型直升机的发动机功率通常比较强劲，所以在起飞和着陆时往往不采取滑跑方式，也不需利用地面效应。

十一、衡量动力装置性能

的主要参数

众所周知，发动机的性能关系到整架飞机的性能，如果发动机重量（质量）一定，那么推力越大，则其推重比就越大，且飞机的推重比也越大。这就意味着飞机的机动性、爬升速率都会提高，甚至可以实现垂直起降（图8、图9）。适用于航空器的发动机有活塞发动机、空气喷气发动机。火箭发动机虽然主要用于航天器，但也经常用于航空器作为助推器等。下面，围绕这三类发动机介绍一些衡量动力装置性能的主要参数。

1.活塞发动机

活塞发动机主要用功率、功率重量比、燃油消耗率这几个参数表示其主要性能指标，并会在发动机的出厂说明书中标明。

（1）发动机功率

是指发动机可用于驱动螺旋桨或旋翼的功率。飞机越重，需要的发动机功率越大。为了在不同的飞行速度情况下获得合适的拉力，活塞发动机还要选用合适直径和螺距的螺旋桨。航空活塞发动机功率小的约几百千瓦，大的可达几千千瓦（图10、图11）。航模活塞发动机的功率更小，有的只有几千瓦（图12、图13）。

（2）功率重量比

是指发动机所能提供的功率与其自身重量（质量）之比。选择发动机时自然希望选择功率重量比大的发动机，因为功率重量比越大，越有利于改善飞机的飞行性能。先进的航空活塞发动机的功率重量比可达1.85kW/kg。

（3）燃料消耗率

又称耗油率，是衡量发动机经济性能的指标。为了对比不同功率活塞发动机的燃油消耗率，通常用产生单位功率的单位时间的燃油消耗重量（质量）来定义。先进活塞发动机的耗油率在0.28kg/（kW·h）左右。对于某型发动机，一般会标出其在某个转速下单位时间的燃油消耗量。

2. 空气喷气发动机

（1）推力

发动机的推力通常用海平面高度条件下，与外界空气的速度差（空速）为零时，全速运转时所产生的推力来表示。

（2）推重比

发动机的推重比表示发动机推力与自身重量之比值。推重比越大，越有利于提高飞行器的飞行性能。目前先进的空气喷气发动机的推重比已达8-10（图17）。有的飞机的推重比（发动机推力与飞机重量之比值）大于1.0，如图8、图9所示的战斗机和模型飞机。

（3）燃料消耗率

喷气发动机的燃料消耗率通常用产生单位推力单位时间内的燃油消耗重量来定义。大型涡轮风扇发动机的燃料消耗率在0.04-0.05kg/（kN·h）。对于某型发动机，会标出其在某个转速下单位时间的燃油消耗量。

3. 火箭发动机

火箭发动机（图18-图20），通常用推力、总冲、比冲来表示其主要性能指标。

（1）推力

其定义与前面相同，只是喷气发动机只能在空气中工作，而火箭发动机因为自带氧化剂还能在真空情况下工作。

（2）总冲

即火箭发动机在整个工作过程中能够产生的动量（冲量）。它取决于推力的大小和工作时间。推力越大、工作时间越长、总冲越大。

（3）比冲

指发动机燃烧单位重量（质量）推进剂所产生的冲量，是火箭发动机的另一项重要性能参数。当发动机的总冲一定时，比冲越高，则发动机所需推进剂的重量（质量）越少，因此其尺寸和重量（质量）都可以减少；若推进剂的重量（质量）给定，比冲越高，则发动机总冲就越大，因此可使火箭的射程或有效载荷相应增加。比冲的单位与速度的单位一致。固体火箭发动机的比冲约2 500-3 000m/s，而液体火箭发动机的比冲高的可达

4 500m/s。（未完待续）十、直升机的起飞、

爬升、下降与着陆

直升机能够垂直上升和下降、水平移动和悬停回转，较之固定翼飞机在起飞和着陆方面具有很强的优势，对于场地要求非常低。

1.起飞

直升机利用旋翼拉力从离开地面并增速上升至一定高度的运动过程叫做起飞。直升机有多种起飞方式，既可垂直起飞，也可像固定翼飞机一样滑跑起飞。具体采用何种方式起飞，要根据场地面积、大气条件、周围障碍物高度和起飞重量等情况决定。

（1）垂直起飞

垂直起飞是直升机从垂直离地到一定高度上悬停，然后按一定的轨迹爬升增速的过程。爬升高度视周围障碍物的高度而定。一般而言，作为起飞过程完成的离地高度约为20-30米，此时速度接近其经济速度（以该速度飞行航时最长）。根据不同的具体情况，直升机可以采用两种不同的垂直起飞方法。

a. 正常垂直起飞

正常垂直起飞（图1）是指场地净空条件较好，周边没有障碍物，直升机垂直离地约0.15-0.25倍旋翼直径的高度，部分利用旋翼的地面效应（因地面对于气流的反射作用使飞机翼面和直升机旋翼的升力增加），进行短暂悬停，然后检查一下发动机情况，再以较小爬升角增速爬升到一定高度的过程。图1-图7中，H为离地高度，V为前飞速度，Vy为垂直下降速度，L为水平距离。

在这个过程中直升机旋翼的需用功率变化很大。在速度从零增加至经济速度的范围内，直升机的受力状态变化很大，对操纵动作的协调性要求很高。

b. 超越障碍物起飞

这种起飞方式是在场地周围有一定高度的障碍、且地面比较狭小时采用。与正常垂直起飞方式不同的是垂直离地的悬停高度增加了。如果周围障碍物的高度为h，则起飞悬停高度应不小于（10+h）米，以保证直升机能安全超越障碍（图2）

由于这种情况下的悬停高度比正常垂直起飞时高出很多，因此这种起飞方式是在无地效高度上悬停，需用功率较大。利用该起飞方式时，为了在增速过程中不至于掉高度，要求发动机有一定的剩余功率，以保证起飞安全。

（2）滑跑起飞

由于直升机在悬停时所需功率较大多数的飞行状态都高，因此当其载重量过大或机场海拔高度高或空气温度高时，就无法垂直起飞；在这种情况下，直升机可以像固定翼飞机那样采用滑跑方式起飞（图3）。直升机的滑跑起飞，省去了垂直离地和近地面悬停这两个阶段，而分成地面滑跑增速和空中增速两个阶段进行。

直升机在地面滑跑增速至一定速度后，由于旋翼需用功率减小，因此发动机有足够的功率增加旋翼的拉力、克服重力升空。随着飞行速度不断增加，旋翼需用功率进一步下降，直升机会有部分剩余功率用来爬升和增速，完成整个起飞过程。

2. 着陆

直升机从一定高度下降，减速、降落到地面直至运动停止的过程称为着陆，是起飞的逆过程。实际采用中的着陆方式有：垂直着陆、滑跑着陆、旋翼自旋下滑着陆。

（1）垂直着陆

直升机根据预定地点场地大小和周围障碍物的高度等不同情况，可分别采用正常垂直着陆和超越障碍物垂直着陆。

a. 正常垂直着陆

预定着陆地点场地净空条件良好时，直升机应尽量采用正常垂直着陆，其着陆的轨迹如图4所示。具体过程是：直升机以一定的下滑角向预定点下降并逐渐减速；在接近着陆预定点前，做小速度贴地飞行，旋翼处在地面效应影响范围内；在到达预定点上空3-5m高度上做短时间悬停，再以0.2-0.1m/s的下降速度垂直下降至接地。这种着陆方式对着陆场地表面质量要求低、所需场地面积相对较小、充分利用了地效、需用功率减小。

b. 超越障碍物垂直着陆

当着陆场地面积狭小、周围又有一定高度的障碍物，直升机在接近场地的空间不允许做小速度的贴地飞行时，就采用超越障碍物垂直着陆方式着陆，其飞行轨迹如图5所示。它与正常垂直着陆不同的是做减速和接地前短暂悬停高度不同。因为悬停不能利用地效，所以这种方式的需用功率较大。而且，由于着陆点附近有障碍物，直升机纵横向不允许较大的位移，因此操纵难度大一些。

（2）滑跑着陆

直升机在高原、高温地区，或载重量较大时，发动机可用功率可能不足以允许其用垂直着陆方式着陆，此时，直升机可以像固定翼飞机一样进行滑跑着陆。其着陆飞行轨迹见图6。滑跑着陆与垂直着陆不同，直升机在接地瞬间，不但具有垂直速度，还有水平速度，因此着陆时对起落架的冲击力较垂直着陆大。而直升机在接地后的滑跑过程，可进一步利用旋翼产生一个减速的水平分力，使直升机继续减速直至运动停止。

（3）旋翼自转下滑着陆

在发动机停车的情况下，直升机可以采用旋翼自转下滑的方式着陆。此时，全部依靠直升机下降时的重力势能作功提供给旋翼旋转产生拉力以平衡重力。

在飞行时一旦发动机停车，直升机则无法保持平飞，会进入下滑状态。为了安全着陆，有两点必须注意：

①减小旋翼总距以保持旋翼转速；

②使直升机下滑速度的水平分量接近于经济速度。此时，可以根据预定着陆点的距离和直升机的高度，选择合适的下滑速度。有的下滑速度可以获得最远下滑距离，有的则对应最长留空时间。

直升机在发动机完全停车后，虽然可以转入旋翼自转状态下降，以较小的下降率下滑安全着陆。然而，从发动机停车到直升机以经济速度下滑使旋翼处于自转下滑的状态，需要一定的时间，在这一过程中它会下降一定的高度。如果直升机的飞行高度较低，且飞行速度又较小，则有可能出现还没有来得及进入旋翼自转，就会以较大的下降速度触地，造成机体和人员的损伤。

为了避免直升机在自转着陆时受到地面的巨大冲击，通常在其飞行高度速度范围内规定一个所谓“回避区”（图7），并要求一般情况下直升机只能在“回避区”以外的高度速度范围内飞行。

模型直升机的起飞、爬升、下降、着陆与载人直升机基本相似。但因模型直升机的发动机功率通常比较强劲，所以在起飞和着陆时往往不采取滑跑方式，也不需利用地面效应。

十一、衡量动力装置性能

的主要参数

众所周知，发动机的性能关系到整架飞机的性能，如果发动机重量（质量）一定，那么推力越大，则其推重比就越大，且飞机的推重比也越大。这就意味着飞机的机动性、爬升速率都会提高，甚至可以实现垂直起降（图8、图9）。适用于航空器的发动机有活塞发动机、空气喷气发动机。火箭发动机虽然主要用于航天器，但也经常用于航空器作为助推器等。下面，围绕这三类发动机介绍一些衡量动力装置性能的主要参数。

1.活塞发动机

活塞发动机主要用功率、功率重量比、燃油消耗率这几个参数表示其主要性能指标，并会在发动机的出厂说明书中标明。

（1）发动机功率

是指发动机可用于驱动螺旋桨或旋翼的功率。飞机越重，需要的发动机功率越大。为了在不同的飞行速度情况下获得合适的拉力，活塞发动机还要选用合适直径和螺距的螺旋桨。航空活塞发动机功率小的约几百千瓦，大的可达几千千瓦（图10、图11）。航模活塞发动机的功率更小，有的只有几千瓦（图12、图13）。

（2）功率重量比

是指发动机所能提供的功率与其自身重量（质量）之比。选择发动机时自然希望选择功率重量比大的发动机，因为功率重量比越大，越有利于改善飞机的飞行性能。先进的航空活塞发动机的功率重量比可达1.85kW/kg。

（3）燃料消耗率

又称耗油率，是衡量发动机经济性能的指标。为了对比不同功率活塞发动机的燃油消耗率，通常用产生单位功率的单位时间的燃油消耗重量（质量）来定义。先进活塞发动机的耗油率在0.28kg/（kW·h）左右。对于某型发动机，一般会标出其在某个转速下单位时间的燃油消耗量。

2. 空气喷气发动机

（1）推力

发动机的推力通常用海平面高度条件下，与外界空气的速度差（空速）为零时，全速运转时所产生的推力来表示。

（2）推重比

发动机的推重比表示发动机推力与自身重量之比值。推重比越大，越有利于提高飞行器的飞行性能。目前先进的空气喷气发动机的推重比已达8-10（图17）。有的飞机的推重比（发动机推力与飞机重量之比值）大于1.0，如图8、图9所示的战斗机和模型飞机。

（3）燃料消耗率

喷气发动机的燃料消耗率通常用产生单位推力单位时间内的燃油消耗重量来定义。大型涡轮风扇发动机的燃料消耗率在0.04-0.05kg/（kN·h）。对于某型发动机，会标出其在某个转速下单位时间的燃油消耗量。

3. 火箭发动机

（1）推力

其定义与前面相同，只是喷气发动机只能在空气中工作，而火箭发动机因为自带氧化剂还能在真空情况下工作。

（2）总冲

即火箭发动机在整个工作过程中能够产生的动量（冲量）。它取决于推力的大小和工作时间。推力越大、工作时间越长、总冲越大。

（3）比冲

指发动机燃烧单位重量（质量）推进剂所产生的冲量，是火箭发动机的另一项重要性能参数。当发动机的总冲一定时，比冲越高，则发动机所需推进剂的重量（质量）越少，因此其尺寸和重量（质量）都可以减少；若推进剂的重量（质量）给定，比冲越高，则发动机总冲就越大，因此可使火箭的射程或有效载荷相应增加。比冲的单位与速度的单位一致。固体火箭发动机的比冲约2 500-3 000m/s，而液体火箭发动机的比冲高的可达

4 500m/s。（未完待续）