直升机发展史.docx

1、直升机发展史直升机发展史 第一节 绪论人类的航空发展史始于十六世纪，早期观察鸟类的飞行，人类梦想着有朝一日能像鸟类一般自由自在的遨游于天空。自然地，由观察鸟类飞行所得的现像，引导着早期航空的发展。鸟类的飞行大底上可划分为三个阶段：起飞，飞行及降落；而起飞亦可分为两种：跑步起飞和跳跃起飞；而飞行亦可分为两种：前进飞行和空中停留。一开始，人们想利用可上下移动的翅膀靠着其运动而如鸟类般的飞行，但是此一构想除了玩具外并无法真正地让人类飞上天空。虽然如此，人类并不因此而放弃，经过长期的努力终于在十九世纪发明了固定翼的飞行机器，此即目前大家所熟悉在运输上扮演非常重要角色的飞机。而飞机的发明虽然让人类可以飞

2、上天空，但这只能仿真鸟类的跑步起飞以及前进飞行。对于另外的跳跃起飞及空中停留的现像却一直无法达成。但当时航空的先驱们并不因此而停止，他们晓得如果要完全的了解飞行的现像，必须解决在无前进速度下空中的停留以及在限制的环境下垂直地起飞和降落。而此方向的探讨一直持续到直升机的开发。当时研究直升机的他们所面临的最大问题有三：（1）降低机身结构及引擎的重量，以便飞行器有足够剩余的升力可供使用；（2）抵消因主旋翼转动时所产生的扭力；和（3）飞行时如何操控。降低重量主要朝着利用较轻的材料和提高引擎的效益，亦即提高引擎所能提供的有效功率和引擎的重量比着手，前者导致铝合金的使用和最近复合材料的使用，而后者因限于早

3、期只有往复式引擎而无法有突破性的进展，一直到后来涡轮引擎的发明才有进一步的发展。其次为克服旋翼所产生的扭力，结果导致目前所能看到的各种不同的直升机外型，如主尾旋翼、横向双主旋翼、前后主旋翼、同轴上下旋翼等。最后对于飞行的操控则导至目前主旋翼的通用型态，包括翼插梢及翼切面集合倾角（collective pitch）和循环倾角（cyclic pitch）的控制。所谓集合倾角即同时改变所有翼片的倾角来达到不同升力的效果，此时升力垂直于旋翼旋转平面。另外旋翼循环倾角即翼片倾角随着旋转翼的转动做周期性的改变，而其功用在于旋翼的升力随着翼片旋转时的位置不同而改变，使得旋翼的旋转平面由水平往侧边倾斜，造成旋

4、转翼之升力由垂直向上往旁倾斜，因此有水平的分量来拉直升机做水平的飞行，如果其往前倾斜，则直升机亦往前飞行。第二节 直升机概念的萌芽最早直升机的概念可以追溯到前（B.C. 400）中国已有的竹蜻蜓，竹蜻蜓包含一螺旋桨装在一根垂直轴上，人们以手转动此轴即可使竹蜻蜓升空飞行，这可能是人类最早的概念直升机。但是此一概念并没有继续的发展，一直到十五世纪，达芬奇（Leonardo de Vinci）绘出他所认为飞行的机器，在图中他建议以旋转一绕垂直轴的螺旋面(双旋翼直升机概念鼻祖)来达到垂直的飞行。达芬奇的直升机设想，与竹蜻蜓在十八世纪末期，Launoy 和 Bienvenue 制造了一架可自行起飞的旋转

5、翼玩具。在 1796年英格兰的George Cayley 公爵制造了一些成功的直升机模型（右图），其中一架飞到27米高。在 1842年英格兰的 W. H. Phillips 制造一以蒸气推动的模型直升机重 10千克。在此必须提到一个人名叫 Ponton DAmecourt，他相信飞行的可能，于 1863年创造了直升机（helicopter）这个字，根据其定义直升机即螺旋状的机翼，此机翼绕着一轴旋转，如果此轴垂直则机翼沿着轴垂直上升。他制造一以蒸汽引擎推动的模型，为了减轻重量他以铝材料建造蒸汽缸，虽然在当时人类并未发现铝材料；而为了抵消旋转时所产生的扭力，他利用两个相反方向旋转的共轴螺旋桨：但是

6、此模型所产生的升力并无法令模型升空。因而这些先驱者开始研发可行的引擎，可以提供足够的动力。终于在 1877年意大利的 Enrico Forlanini 教授以一个四分之一马力的蒸汽引擎成功地使一重八千克的模型飞行二十秒，最高达到十二米。十年以后于 1887年，法国的 Gustave Trouve 成功地以电动引擎来推动他的模型。 1880年美国的爱迪生先生制造一螺旋桨的测试台并以马达来转动螺旋桨。由此认识到直升机所需要的是一很轻的引擎且能提供大量的功率即重量对功率的比为 1 to2 kg/hp，而当时的蒸汽引擎并不适合直升机的飞行，所以他开始从事引擎的开发。于实验室里，他利用棉火药作为引擎的燃

7、料，但经过一次严重的爆炸而放弃。其后经过很多年的模型尝试，一直到了二十世纪初期，才有人开始尝试一些较大且可携带飞行员的直升机。而飞机开发的成功，对直升机的先驱们造成很大的冲击，他们不止努力地急起直追，一些飞机上使用的零件及概念亦被引用到直升机上，如螺旋桨、引擎及垂直尾舵等。第三节 早期直升机的发展大约在1900年，以汽油为燃料的往复式内燃机开始问世，使得飞机的飞行成真，同时人们亦开始利用在直升机的发展上。于1904年法国 Renard 制造一架横向双主螺旋桨直升机以一双缸引擎推动（下图），同时他利用翼片扑动插梢（flap hinge）来解决因翼片升力所造成螺旋桨轴毂的力矩问题。1907 法国

8、Brequet-Richet 建造了一架重 578千克 40 匹马力，有四个主螺旋桨其直径为 8.1米的直升机。这是第一架由驾驶员飞行的直升机，但因操控的问题，试飞时由四个帮手抓住机身且只做有限度的飞行，停在空中约一分钟离地0.6米。虽然如此，但他是第一个了解到需要在螺旋桨片靠近轴的部位，以活节的方式（articulated）来解决前进飞行所造成升力不对称的问题，而此种方法一直沿用至今。同年十一月三日法国 Paul Cornu 驾驶自制的直升机，而这也是飞行史上第一架真正只由飞行员操作飞行的直升机：在其1908年的陈述中他建造两个转向相反直径 6米的螺旋桨装在一以铁管制的 V 型机身上，机身中

9、心位置装有飞行员座位及一二十四马力的引擎，透过滑轮及皮带转动前后螺旋桨，为了达到方向控制，在螺旋桨下方各装一平面，透过控制平面的倾斜角度，利用螺旋桨的下洗流方向来达到直升机的方向控制。这一架直升机总重203千克飞行员 57千克共260千克，于十一月十三日的试飞中离地0.3米空中停留约20 秒，试飞时为了防止无法控制，直升机以绳索绑住以防止上升过高。但因些机械及控制的问题，最后于一次试飞中，此架直升机因高度振动而破坏。1909年美国 Emile 和Henry Berliner 父子建造了一架同轴双螺旋桨以两个引擎带动的直升机，没有以缆线绑住的情况下成功地试飞。其后在1922年他们建造了一架横向双

10、螺旋桨的飞行机器，在此不用直升机这个名辞，因为此机并无空中停留的能力，他们将螺旋桨相对于机身往前倾斜，利用螺旋桨产生的升力在水平方向的分量来前进飞行。1912年苏联 Yuriev 建造了一架原型机重200千克（下图），这是世上第一架只有单一主螺旋桨配上一垂直反扭力螺旋桨。而此设计即目前最常见的型式。因为经济问题再加上第一次世界大战及苏联革命，他停止继续研究。后来于1923年 Emile Berliner 以此一设计申请专利。1916年澳大利 Petroczy 和 Van Karman 建造一共轴双螺旋桨直升机重 815千克，螺旋桨直径 6米以一 120马力的引擎带动，为维持其稳定性以缆线绑在地

11、上，此机试飞时离地 49米，但在第十五次降落时坠毁。在第一次世界大战前后，因战争需要高性能的飞机，较佳的引擎被开发出来，直升机所面临功率不足的问题迎刃而解。有了足够的动力令直升机起飞，先驱们开始可以集中精力在直升机稳定性及控制性的问题上加以探讨。为解决控制稳定的问题，一些以前直接引用飞机的概念有了进一步的修正，如不再以垂直尾舵的方式来控制方向而改以翼面循环倾角和以旋转翼来取代螺旋桨等。旋转翼与螺旋桨最大的不同在其刚性的设计，旋转翼为柔性设计，允许翼片大量的位移及变形。反之螺旋桨则为刚性设计只允许少量的变形。第一次大战结束的几年后，有三位直升机制造者竞相地号称其完成真正的飞行。事实上他们试飞的日

12、期相隔不久，且各自有其破当时直升机第一次飞行的记录和对直升机的发展有所贡献。兹将他们的事迹分别类举：I. Pescara 在第一次世界大战结束时，一位阿根廷（Argentina）的工程师 Marquis Pescara 建造一架包含两个转向相反的共轴旋转翼直径 6.4米，每一旋转翼有上下两个平面，每一平面有四个翼片：此架直升机经过几次的试飞及修改后具有 180马力，在1923年十一月十九日破当时飞行距离的记录飞行了736米。他是第一位有效地以扭转翼片的方法来控制旋转翼的循环倾角，同时他亦是第一位了解直升机具有自动旋转降落（autorotation）能力的人。在此之前，人们都相信直升机如飞机般只

13、有在引擎运转时才能飞行，当引擎停止时直升机会像飞机一样掉下来。由他的陈述中得知：当没有引擎推动的情况下降落，若将翼片倾角降低至非常小可使旋转翼继续旋转，如风车一般。当下降至一程度时，将翼片倾角增加产生升力，其作用就有如煞车一般减低直升机下降的速度，同时可以提供直生机安全降落所需的升力。II. De Bothezat一位苏联的科学家于苏联革命时被迫逃离母国到美国，于1916年他写了一本直升机旋翼理论的书。在1921年六月一日他和美国陆军签署一项合约，帮军方发展一架可升高至 100米且可在引擎转速下降情况下降落的直升机，此为美国军方第一次直升机订单的合同。此机为一交叉型铁管梁组成的机身，于梁的四端

14、各有一六个翼片直径 6.6米的旋转翼，旋转翼片的倾角则由一飞轮控制，全机重 1610千克配以一200马力的引擎（下图）。当前后两组旋转翼的翼片倾角不同时，造成前后的升力差，由此可达到机身的纵向控制；左右两侧旋转翼的翼片倾角不同时，造成左右升力差，由此可达到机身的翻滚控制。而此设计更利用翼片负倾角来达到自动旋转降落的要求。于1922年十二月十八日在一些人的见证下，在高度约两米空中停留，但于飞行过程中，机身的水平方向无法有效控制以致机身往侧向移动，因此在空中停留了一分四十二秒后降落。而此计划亦因其无法达到合约目标及考虑当任一旋翼故障时的非对称形控制问题而取消。III. Oehmichen一位法国工

15、程师 Etienne Oehmichen 在1920年建造一架类似 Paul Cornu 所造的直升机，机身由一水平梁构成，于梁的两端各有一双翼片旋转翼，其直径 6.4米由一20 到25马力的引擎透过皮带来带动。但此机升力不足，他以缆线将一充满70 立方米的氢气球悬吊在上机身架子：气球不只提供其升空所需不足的升力，同时气球的阻力亦有稳定直升机的功能。但此机并非真正的直升机，他给其一个新的名辞叫“helicostat”，意即静升力辅助直升机。当时直升机发展趋势是朝真正直升机，因此他开始着手建造真正的直升机，而 helicostat 的观念后来被用来吊起很重的对象而非用来稳定直升机。他所建造的直升

16、机类似 Bothezat 所建造的有四个旋转翼，另外他又加上八个小螺旋桨用来推进及控制，所有系统由一 120马力的引擎带动，总重大约900千克，如下图：在1923年五月完成超过五分钟的空中停留，次年五月四日完成 1 公里长的绕圈飞行，飞行最高点为 16米。一直到1934年，直升机的发展并无显著的进步，此一时期亦有些先驱从事直升机的开发。英国 Louis Brennan （19241925年）建造了一架直升机在其旋转翼的自由端装有螺旋桨，以螺旋桨的推力来转动旋转翼。而旋转翼相对于旋转轴则可自由旋转，因此无因旋转翼旋转所造成的扭力问题。荷兰 A.G. von Baumhauer （19241929年）开发一直升机，有一双翼片直径 15米的主旋转翼，由一200马力的转子引擎带动，同时以一由另一个 80马力转子引擎带动的垂直尾旋转翼，用来平衡主旋转翼所产生的扭力。主旋转翼装有扑动插梢允许翼片上下翻转，但同时以一缆线连接两个翼片形成一翘板式