关于直升机，你应该知道的那些事儿

汪鑫

1.直升机为什么不能称为“直升飞机”？

直升机是飞行器中一个独具特色的门类。它最大的特点是由绕固定轴旋转的旋翼同时提供向上的升力和水平方向的推力。事实上，很多人都不是很清楚，虽然与固定翼飞机同属于重于空气的飞行器，但直升机却不属于“飞机”。

通常情况下，我们在提到“飞机”时，都是指通过发动机产生推力，通过固定机翼与空气相对运动产生升力实现飞行的飞行器。因此，一些人将直升机称为“直升飞机”是不对的。

图1 AS365“海豚”直升机，经典的单旋翼涵道式尾桨直升机

也是由于同样的道理，直升机的旋翼，也不能被称为“螺旋桨”。原因也很简单，因为螺旋桨飞机所使用的螺旋桨，是活塞式发动机驱动，用于向飞机提供水平方向的拉力。飞机的升力，依然是靠机翼与空气的相对运动产生的。而直升机的旋翼，提供的却是垂直方向的升力，二者的作用截然不同。

2.直升机是怎么飞起来的？又是怎样实现向不同方向飞行的？

直升机是通过旋翼的旋转，与空气相对运动，从而产生升力。这个升力的方向，总是向上垂直于旋翼的所在平面，航空工程师们通常称之为“桨盘平面”。当向上的升力大于直升机自重时，直飞机就上升;小于自重，直升机就下降;刚好相等时，直升机就会悬停。

图2 经典的UH-60“黑鹰”直升机。单旋翼带尾桨直升机是直升机的主流

如果我们想让直升机向前飞行，该怎么办呢？很简单，只需要向前倾斜旋翼的翼面，这时候升力会产生水平和垂直两个方向的分量。只要保持垂直方向的升力分量能克服重量，直升机就可以向前飞行。同样的道理，向后倾斜翼面，就可以让直升机就向后飞行。而具备低速向后飞行的能力，是直升机相对于固定翼飞机的优势之一。总之，想让直升机向哪个方向飞行，就向哪个方向倾斜“桨盘平面”。

图3 CH-47“支奴干”直升机

3.直升机的飞行速度怎么样？

现在还有一些关于直升机的说法也是不正确的，比如“直升机飞得比固定翼飞机慢”。实际上，目前采用涡轮轴发动机的直升机，许多在速度超过了采用活塞式发动机的老式飞机。

不过，由于自身的结构特点，直升机永远不可能像先进的喷气飞机那样，实现超声速或者高超声速飞行。从这个角度来说，采用涡轴发动机的直升机，在速度上远远低于采用涡轮螺旋桨发动机的固定翼飞机。

图4 卡-52“短吻鳄”

首先，从基本的飞行原理来说，直升机的升力和推力，都是通过同一组发动机驱动旋翼来实现的。相比之下，固定翼飞机的发动机，只负责提供水平方向的推力（或拉力），飞机的升力由机翼产生，在速度上固定翼飞机拥有天然的优势。

其次，直升机使用的通常是涡轮轴发动机，涡轮旋转产生的功率，必须通过一个轴传递到旋翼上，这其中不可避免会有功率的损耗。工程师们无论怎样设计，都只能做到减小这个损耗，不可能彻底根除这个损耗。

第三，直升机在飞行过程中，旋翼桨叶受到的升力会有所变化。举例来说，当直升机前飞时，由于机身自身相对于空气速度的存在，旋翼不同桨叶受到的升力是不同的。向前的桨叶的升力，总是比向后的桨叶受到的升力更大。直升机前飞的速度越快，前后桨叶之间的升力差越大。因此，当飞机速度加快到一定程度后，理论上，有可能会造成旋翼桨叶的断裂。在实际中，不等升力差易造成桨叶断裂，仅桨叶因升力变化而产生的上下“挥舞”，在积累到一定程度就会造成直升机失速。因此，旋翼本身就决定了直升机的速度是有上限的。

图5 K-MAX直升机，非常有特色的交错式双旋翼直升机

根据目前公开资料，按照目前的技术水平，直升机的最大平飞速度可达到约300千米/小时。

4.直升机的分类包括哪些？

通常，直升机按照旋翼分类，可分为单旋翼直升机，双旋翼直升机和多旋翼直升机。

其中，单旋翼直升机是直升机的最主要的类型，它使用单一的主旋翼（main rotor）生升力，但因为角动量守恒的原因，必须配有一个反扭矩机制去抵消主旋翼旋转造成的机体反向旋轉。

单旋翼直升机按照尾桨还可分为带尾桨、涵道式尾桨和无尾桨三种类型。最常见的直升机类型都是单旋翼带尾桨类型。

涵道式尾桨是传统尾旋翼的一个变种，用安装在涵道式外壳内的涵道风扇代替了外置开放式的传统旋桨，优点是安全性高、震动和噪音小，缺点是重量大、造价高、推重比相对较低等等，典型机型包括EC120“蜂鸟”、AS365“海豚Ⅱ”、俄罗斯的卡-60“虎鲸”、日本陆上自卫队的川崎OH-1和中国的直-19直升机等等。

无尾桨直升机取消了尾桨设计，由机身尾部侧面的排气口排出空气，与旋翼的下洗气流相互作用产生侧向力来抵消旋翼产生的反扭矩。典型机型有美国麦道直升机公司生产的MD520N直升机。

图6 法国飞行器设计师保罗·科尔尼

双旋翼直升机有并列式双旋翼、共轴式双旋翼和交错式双旋翼三种类型。并列式双旋翼直升机的代表有CH-47“支奴干”等;共轴式双旋翼的代表有卡-52“短吻鳄”等;交错式双旋翼直升机代表有美国的K-MAX直升机等。

多旋翼直升机是指有三个或三个以上的旋翼产生升力的直升机，今日广为普及的“大疆”无人机就是比较典型的多旋翼直升机。

5.直升机是如何诞生的？

直升机的起源，可以追溯到人类最古老的飞行梦想：原地腾空而起，可以在空中滞留，俯瞰大地的景色，还能在任意地点降落。

世界各国的古代神话，从古埃及的飞行战车，到古代阿拉伯人的飞毯，再到《西游记》中腾云驾雾的孙悟空，故事背景虽然各不相同，但对于“垂直起降”的追求却是高度一致的。古代中国劳动人民也是依据这一设想，发明了“竹蜻蜓”这样的玩具。

图7 德国福克公司制造的FW-61双旋翼直升机

随着生产力的发展和人类技术的进步，直升机的发展史由幻想时期进入了探索时期。在1903年，莱特兄弟的飞机升空使人类进入了航空时代。那时候的工程师们开始意识到，直升机的飞行方式，比固定翼飞机更加复杂，实现的工艺也难度更高。

从20世纪开始，尽管一代代航空先驱前赴后继，付出了艰巨的努力，但直到莱特兄弟成功试飞后三十多年，直升机的成功飞行依然迟迟未能到来。

图8 纳粹德国年轻的女性飞行员汉娜·里奇

1907年8月，法国人保罗 · 科尔尼研制出一架全尺寸载人直升机，并在同年11月13日进行了试飞。这次试飞并不成功，直升机只在距地30厘米左右的地方悬停了大约20秒左右便摔在了地上，而且完全不能操作。尽管如此，科尔尼依然被认为研制出了“人类第一架直升机”。

图9 1944年，西科斯基本人乘坐R-4直升机

1938年，纳粹德国年轻的女性飞行员汉娜 · 莱赤（Hanna Reitsch）驾驶着一架德国福克公司制造的FW-61双旋翼直升机，在柏林体育场进行了一次出色的飞行表演。这架直升机被认为是世界上第一种试飞成功的直升机。

随后，1939年，伊戈尔 · 西科斯基研制的VS-300直升机在美国成功试飞。这是第一架成功试飞的单旋翼直升机，其“单旋翼+尾桨”的布局至今是直升机设计的主流布局。

VS-300直升机随后进行了量产，并被美军采购，用于搜救飞行员，军队给它的代号是R-4直升机，这是人类历史上第一款量产的直升机。

R-4最早出现在战场上是在1944年的二戰战场，但其大量使用是在朝鲜战争中。也是从朝鲜战争开始，直升机的发展真正进入了实用阶段。