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塞斯納龐巴迪

懸停及垂直飛行

懸停

  懸停是直升機在一定高度上保持航向和對地標位置不變的狀態。直升機的這一飛行特性 不但能適應多種作業的需要,更能擴大其使用范圍。無論是高大建筑物的屋頂平臺,還是高 山峽谷的狹小平地,它均能起降自如,實施多種作業。因此懸停是直升機區別于一般固定翼 飛機的一種特有的飛行狀態。雖然某些特種飛機,例如噴口轉向飛機,也能作短時懸停,但由于它們產生平衡飛機重力噴口的推力面的載荷大大超過直升機旋翼的槳盤載荷,這樣不便使這類飛機在相同飛行重量的懸停需用功率比直升機的高得多,而且過大的誘導速度引起懸停狀態作業的環境條件大大惡化。此外垂直起落飛機的噴口對地面嚴重燒蝕等方面的問題限制了這類飛機的使用范圍。

直升機懸停時的力及需用功率

  懸停時,單旋翼式直升機力的平衡如下圖所示。旋翼拉力在鉛垂面的升力分量T1與全拉的飛行重力G

平衡;用于平衡反扭矩的尾槳推力T尾則等于旋翼在水平側向分力T3。即

  鉛垂方向:T1=G

  水平側向:T尾=T3

  懸停時,直升機的需用功率由尾槳和傳動等功率外加上旋冀所需功率組成,旋翼需用功 率則主要由兩部分組成:(1)旋翼產生拉力所付出的代價——誘導功率P誘;(2)電于空氣 的粘性旋翼旋轉時克服槳葉型阻需要耗費的功率——型阻功率P型。即

     P懸停=P誘+P型

  必須指出,旋翼的懸停需用功率,比大多數前飛狀態需用功率都大一些。這是因為懸停 時,流過槳盤的空氣質量流量較小;根據動量定理,要產生同樣拉力,旋翼在懸停時的誘導 速度需更大一些,而誘導功率正比于旋翼拉力和誘導速度。所以懸停誘導功率就比平飛時的 誘導功率更大些,而型阻功率損失主要取決于旋翼轉速和槳葉構型。由于旋翼轉速和槳葉構 型很少隨飛行狀態的變化而變化,因此型阻功率隨直升機的飛行狀態變化也較小。總的來說,懸停狀態的需用功率在直升機的各種飛行狀態中是較高的。

垂直上升

  直升機在四周有較高障礙物的狹小場地懸停起飛后無法以爬升飛行方式超越障礙物,垂直上升飛行是超越障礙物獲取飛行高度的有效方式。在上述情況下一些特殊空間和區域作 業,直升機的垂直上升性能則具有非常重要的實用價值。

垂直上升時直升機的力及需用功率

  直升機垂直上升飛行速度稱為上升率以 Vy表示。通常直升機的垂直上升速度都不大, 機體阻力與飛行重量 G比較起來則為一個小量,可以忽略不計,因此直升機垂直上升時力 的平衡與懸停時基本相同。即

鉛垂方向:T1=G

水平側向: T尾=T3

  垂直上升時旋翼需用功率,主要由三部分組成:誘導功率P誘;型阻功率P型,以及旋翼上升做功的上升功率P升,即

      P垂升=P誘+P型+P升

  垂直上升與懸停狀態相比,誘導功率雖然隨上升高度的增加其值有所減小,然而隨著 Vy的增加被忽略的機體阻力的功率損耗也有所增加,這兩項大至相抵。型阻功率也可認為與懸停狀態相同。 因此在粗略分析中可以近似認為垂直上升時P誘與P型之和與懸停時的旋 翼需用功率相等。然而上升功率P升=T1Vy則隨垂直上升速度線性增加。因此垂直上升的總需用功率比懸停時的需用功率大,并且隨上升率的增加而增加。

垂直下降

  直升機的垂直下降與垂直上升相反,利用它可以使直升機在被高大障礙物所包圍的狹小 場地著陸。由于這時旋翼的誘導速度與其運動的相對來流方向相反,流經槳盤的兩股方向相反的氣流使旋翼流場變得更加復雜。隨著下降率的增加,當兩股氣流的速度數值十分接近時,直升機會進入不穩定的“渦環狀態”,這時經典的動量理論不能反映流過旋翼氣流的流 動規律,通常利用以實驗為基礎的半經驗理論進行描述。下面重點介紹垂直下降中旋翼特有的這一物理現象及相關問題。

垂直下降的直升機的力及需用功率

  垂直下降與懸停及垂直上升時力的平衡基本一樣,即

   鉛垂方面: T1=G

   水平側面:T尾=T3

  垂直下降時旋奠的需用功率,類似于垂直上升,可寫成

   P垂降=P誘+P型+P降

  需用功率與垂直上升的差別主要 表現在兩個方面:(1)P降中的Vy 數值為負。即下降的重力做功,旋翼氣流中獲取能量。(2)在垂直下降速度較小時,P誘由于旋翼周圍的不規 則的紊亂流動使旋翼垂直下降狀態誘 導的功率增大。直升機垂直下降中,旋翼從下降中所獲取的能量,在很大的速度范圍內,消耗到誘導功率中去了。

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