旋翼的空气动力

(1)用于产生提升力以克服直升机的重力。当直升机的发动机在空中停止时，驾驶员可以通过操纵旋翼使其旋转，但仍然可以产生一定的升力，减缓直升机下降的趋势。

(2)产生向前的水平分力克服空气阻力，使直升机向前推进，这与飞机上推进器(如螺旋桨或喷气发动机)的作用相似。

(3)产生其他分力和力矩用于直升机；进行控制或机动飞行，其作用类似于飞机的每个操纵面。旋转的翅膀由几个桨叶和桨毂组成。当桨叶与空气进行相对运动时，就会产生气动，而叶轮的作用就是连接桨叶和旋翼的轴线，使之旋转。叶轮通常通过铰接连接到叶轮上(如下图)。

旋翼翼面的运动与定翼翼面的运动不同，因为旋翼翼面除了沿直升飞机的直线或曲线运动外，还绕着旋翼轴旋转，所以旋翼翼面的空气动力现象比机翼复杂得多。

首先，我们来研究一下旋翼的轴向直线运动，这就是直升机垂直飞行时旋翼的工作方式，与飞机上的推进器相当。因二者技术要求不同，旋翼直径大，转速小；螺旋桨直径小，转速大。在分析、设计上均有区别设一旋冀，桨叶数为k，以恒定角速度Ω绕轴线旋转，速度Vo沿轴线作直线运动。如想像中，当半径为r的圆柱面裁剪桨叶时，用中心轴与旋翼轴重合(见图2,1,3)，然后将该圆柱面展开成平面，则得到桨叶截面。此时叶轮既有旋转运动也有直线运动，对于叶轮截面，应有向速度(等于Ωr)和垂直于旋转平面的速度(等于Vo)两个矢量之和。很明显(如图2.1—3)可以看出，不同的桨叶截面，其截面半径不同，合速度也不同，尺寸和方向也不同。若进一步考虑由叶片运动引起的额外气流速度(诱导速度))，各叶片段与空气间的相对速度会有更大的差异。相对于翼型，桨叶工作环境复杂，分析其工作环境比较困难，原因在于此。

本文以直升机垂直上升状态为例，运用滑流理论分析了旋翼受拉的原因。在这个时候，把流动在旋翼上的空气，或者正确地说，被旋翼作用的气流，作为一个平滑流管，把整个地面分开处理。假定：

气体为理想流体，无粘滞，不可压缩；

旋冀是指无限薄的圆盘(或桨盘)，其作用均匀地作用于空气，气流经过桨盘时的速度在桨盘上各点为一常数；

在正常飞行中，滑流没有发生周期性的改变，也就是说，没有考虑旋翼的旋转影响，滑流也没有发生周期性的改变。

基于上述假设，我们可以得出一个描述旋翼在：垂直上升状态的流场的物理图像，如下图所示，图中选择了So、S1和S2三个滑流段，其中So面的流速是直升机垂直上升速度Vo，压力为大气压Po，而S1上方的流速上升到V1=Vo+v1，压力为P1上方，在S1下方，由于流场是连续的，所以速度仍然是V1，但是压力有一个跃升Pl下>P1上的跃升，P1下一个P1上的跃升，即旋翼向上的拉力。空气流速在S2面继续上升，达到V2=Vo+v2，压力恢复到Po值。

v1就是桨盘处的诱导速度。v2是在下游远处产生的速度，即在均匀流室内或静止的空气中产生的速度增量。针对这一现象，可用牛顿第三定律来解释拉力的成因。

旋翼锥

前文分析中，我们假设叶片位置：旋转面内叶片旋转。事实上，现在的直升飞机都有水平铰链。当旋翼不旋转时，桨叶受到自身重力的垂直下降(如图左)。旋转旋翼时，每个叶片上的力除了自身的重力之外，还有气动和惯性离心力。气动拉力上升的T形方向与重力方向相反，它绕着水平铰链的力矩，使桨叶上挥。惯量离心力(F离心)相对于水绕铰链形成的力矩，旨在使叶片在旋转平面上旋转(如下图右图)。这三种力矩合成的结果，使叶片在悬停或垂直飞行状态时，保持在与叶轮转动平面成一定角度的位置，使机翼形成倒立锥体。叶轮从叶轮的旋转平面上升的角度称为锥角。螺旋桨产生的拉力大约是螺旋桨本身重量的10115倍，但是螺旋桨的惯性和离心力更大(通常大约是螺旋桨拉力的十几倍)，所以实际上螺旋桨的锥角并不大，只有3度15度。

悬停状态下的功率分配。

根据能量转换的观点，直升机在悬挂状态下，发动机输出的轴功率，如下图所示，其中约90%用于旋翼，大约10%被分配给尾桨、传动装置等消耗的轴功率。在旋翼获得的90%的能量中，旋翼型阻抗功率又减少了20%，而用来转换成气流动能来产生拉力的诱导功率只有70%。

在上述理论基础上，只能宏观地确定不同飞行状态下整个旋翼的拉力和需要功率，而不能了解沿旋翼桨叶径向方向的气动载荷，从而不能进行旋翼设计。因此，我们必须进一步研究桨叶周围的流场，即桨叶对周围空气的作用，尤其是沿桨叶运动的诱导速度，以求桨叶各部分的力分布。

气动理论中的涡流理论是一种求解任何物体(不管是飞机机翼还是桨叶)对周围空气产生的诱导速度的方法。根据涡流理论，旋翼桨叶对周围空气的作用，相当于一个特定的涡系，也就是说，每个旋翼的桨叶上都有一个(或几个)附着涡和许多从桨叶后缘逸出的、以螺旋状顺流至旋翼下游无限远的尾随涡取代。

根据经典的旋翼涡流理论，在悬停和垂直上升状态(即轴流状态)下，旋翼涡系模型就像是一个半无限长的涡一样，由一个射线状圆形涡盘的附着涡系和多层同心圆柱涡系两部分组成(如下图)。

直升飞机在旋转时垂直上升的涡流柱。

这种涡系模式和推进器的涡系模式完全一样。对于前飞态的旋冀涡系模型，可合理引伸为一个半无限长的斜涡柱，其两个涡系由附着在一个圆形涡盘上的涡系和斜涡线上的多层斜向螺旋体组成(见下图)。