直升机前飞性能概谈(二) | 目的地Destination

直升机前飞性能概谈(二)

直升机前飞性能概谈(二)

本文内容上接前一篇文章——直升机前飞性能概谈(一)

# 海拔的影响

直升机前飞性能概谈(二)

图——直升机飞过摩天大厦

现在假设一架直升机爬升到了较高的海拔进行前飞。

就我们对气体密度的认知,可以了解到,高海拔的空气往往更为稀薄,因而从宏观上讲,直升机要产生与海平面一样大小的升力(至少维持与直升机总重相同)就需要更快地诱导空气穿过桨盘平面,藉此从空气中获得能量来维持飞行,显然,在这一过程中,直升机所需要用到的诱导功率增加了。

同样是由于空气变得稀薄了,直升机机体各个气动部件带来的废阻力将会降低,而直升机旋翼桨叶各个叶素微段的型阻力也会降低(当然,型阻降低的前提是叶素微段的气动迎角是在失速迎角之下)。然而,在高海拔的情况下,直升机为了产生足够的拉力,桨距一般会更大,桨叶的许多叶素微段也将更快达到失速迎角,从这个角度上来看,高海拔下,直升机的型阻功率不仅不会降低,很多时候反而会更快升高。

综合上面所说的升升降降,通过对直升机飞行过程中的实际统计和理论分析可以发现,在高海拔的情况下,直升机悬停或者高速飞行状态下,其功率需求一般都是要大于海平面飞行的功率需求。

但是,对于大多数中等速度(如巡航速度)前飞的直升机而言,其高海拔需用功率一般要比海平面需用功率小一点,但这一规则不适用于所有直升机。总的来说,这一条规则与两个参数相关性较大——一是桨盘载荷,一是废阻力——如果一台直升机桨盘载荷比较小,而废阻力本身比较大的话,那么它在高海拔巡航飞行时侯,功率需求将会比较低。

# 最优速度

对于直升机而言,不同飞行速度之间的优劣差异可以很大,根据这一点,就可以为直升机的不同飞行状态选择不同的最优飞行速度,在最优速度下飞行可以获得最佳的性能、效率、经济性或者安全性。

之所以存在种种最优速度,其基本原理就在于直升机需用功率的那一张马鞍形曲线图(国外也称为碗状曲线图),在本文第一篇中已经列过直升机需用功率组成成分的图,并配有详细说明,此处不列出功率成分图,若希望了解需用功率详细组成,请参考上一篇。

直升机前飞性能概谈(二)

图——直升机功率-速度马鞍形曲线图

通过这张图,直升机气动设计师就可以确定一系列最优速度,包括:最佳爬升速度、最小自转下滑速度、最大滑翔距离速度、最大盘旋时间速度以及最大航程速度。

最佳爬升速度的选取原则是在该速度下,直升机发动机的剩余功率应当保持最大,从功率曲线来说,就是选取直升机需用功率和发攻击可用功率之间间隔最大的速度。对于活塞式发动机而言,其可用功率随速度基本不变;而涡轮轴发动机则由于随着速度增加带来的冲压恢复使得其可用功率会随着速度增大而有所增大。

直升机前飞性能概谈(二)

图——活塞式发动机

从我们的马鞍形曲线来说,最适合爬升的速度一般就在马鞍形的最低点。从理论分析的角度来说,与功率最低点速度直接相关的参数有:桨盘载荷(直接影响着诱导功率)、废阻面积(直接影响着废阻功率)。外形复杂且桨盘载荷低的直升机其最佳爬升速度往往要比外形光滑且桨盘载荷高的直升机要低。一般来说,典型的直升机的需用功率最低点速度会处于75到185千米时之间。

# 最大爬升速率

在<直升机垂直飞行概谈>的文章中,我已经对垂直爬升进行过说明——对于一台升降机(比如电梯)来说,垂直上升实则就是不断将能量转为势能的结果,而对于直升机而言,由于垂直上升的过程中,大量的空气不需要诱导速度就会自发穿过桨盘平面为直升机提供能量,因而垂直爬升对于直升机而言,比升降机可简单多了。然而对于前飞爬升来说,自发穿过桨盘的气流变化已经不大,因而直升机所需用的诱导功率的变化已经不再显著。

除此之外,直升机垂直爬升过程中,机身姿态往往处于负迎角状态,因而机身的废阻力实则是增大了,并且为了保持平衡,直升机的尾桨需用功率也会增大。由此而言,想必垂直飞行,直升机需要更多的功率来克服废阻力和供给尾桨功率需求。因而,总的来说,直升机的最大前飞速度比一台牵引功率和总重相同的理想升降机的爬升速度要低40%左右。

# 最大下降速率

功率速度曲线中功率最低点的速度也同样是最适合用来进行自转下滑的最小速度。在该速度下,用以维持直升机飞行的功率需求是最低的,因而直升机所积累的动能和高度势在这种情况下可以尽可能缓慢地被用尽。

这一点也可用来解释一个在实际飞行中被发现的惊人事实:在相同的旋翼转速状态下,那些载荷较多或者说总重较大的直升机反而会有更为稳定平缓的自转下滑曲线,那些近乎空载或者较轻的直升机自转下滑曲线反而更为陡峭。我们可以考虑一架直升机负载有50%空重的货物以及空载的两种不同情况——如果它们都在最佳自转下滑速度下滑——重50%的直升机其高度势能要大了50%,但是需用功率并不会大50%,因为对同一架直升机而言,更重一些往往只是对应了更多的诱导功率,而型阻功率和废阻功率都是基本相同的,因而重量增大导致的需用功率增大不会达到50%,从这个角度来说,更重的直升机将会有更多的可用的高度势能,从而具备更加的自转下滑能力。但是,还是有特殊情况的,比如说,这一架直升机的桨盘面积较小,那么他的桨盘载荷就会比较高,更大的重量意味着更高的桨盘载荷,也就意味着桨叶更容易失速,显然,桨叶一旦失速,自转下滑性能将大大变差,甚至会失败。

# 最大滑翔距离

以最慢的速度自转下滑与尽可能延长自转下滑的距离是完全不同的两种飞行状态。要获得最大滑翔距离的前飞速度,需用另外绘制一条切线(如上文功率曲线图中Tangent Line所示),该切线与功率曲线的交点,就是最大滑翔距离的速度。这条切线的绘制原理大致类似于固定翼飞行器最大滑翔距离速度的确定——在该滑翔速度,飞行器的升力和阻力的比值应该达到最高点。

这个速度一般来说都会比最小自转下降速度要来得大。

# 最大盘旋时间

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图——直升机着陆

相信读者朋友坐飞机的时候,多半碰到过飞机需要在空中盘旋的情况,这种时候,要么是气候原因,要么就是地面(机场)存在意外情况,无法降落或者不适宜降落,必须等地面工作人员处理好突发情况之后,飞行器才能降落。

直升机降落对场地要求虽然较低,但是仍然会碰上这种情况,这时候,我们就需要让直升机保持停留在空中,等待合适降落时机,这时候,我们就需要让直升机油箱中的燃油消耗尽可能慢。

对于活塞发动机而言,其燃油消耗与其功率输出往往成正比,这时候,只需要按照最低需用功率速度飞行即可,而对于涡轮轴发动机而言,其燃油消耗往往比出轴功率更大,这时候,最佳的盘旋速度就需要改变了,虽然这种情况下也有一定的理论方法可以分析,但是实际情况不尽相同,往往要根据实际情况进行分析判断来确定合适的盘旋速度,总的来说,这个速度是要大于最低需用功率速度的。

# 最大航程

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图——直升机在水面飞行

最大航程速度的获取和最大滑翔距离速度的获取方法有些类似,就是要在功率曲线图上绘制一条燃油消耗切线,该切线与功率-速度曲线的交点就是所需的最大航程速度。

当然,上述一切讨论都是相对于静止的空气而言的,但是实际飞行过程中,直升机一般都会在两种情况下飞行——顺风或者逆风。逆风情况下,直升机最大航程前飞速度一般需要更大,顺风则更小,然而,尽管逆风情况下直升机飞行速度会更大,但是其单位油耗对应的公里数仍要比顺风情况下小。

还有一点值得注意的是,对于涡轮轴发动机而言,双发直升机在单发失效的情况下,往往更够在经济速度下获得更大的航程,这主要是因为单个涡轮轴发动机消耗在压缩机功率方面的燃油消耗比双发少,当然,双发显然安全性和可靠性都更高,如果飞行员正在进行远距离飞行(例如跨越大片水域)还是不要尝试双发失效后单发继续飞行了,毕竟安全最重要,坠机入水可是最糟糕的情况了。

## 最大航程与发动机高度性能的关系

直升机前飞性能概谈(二)

图——涡轮轴发动机

对于目前直升机最常用的发动机——涡轮轴发动机——而言,其最大可用功率一般会随着高度下降而下降,因此直升机在飞行过程中,其飞行速度的极值往往就在可用功率曲线和需用功率曲线的交点。

从性能的角度来考虑发动机的高度性能,可以发现,在某些具体的高度飞行可以获得最大的好处,比如说,一台特定的涡轮轴发动机往往在某一具体的高度具备最大的可用功率或者在某一具体高度下,对应某一输出功率需求,其消耗的燃油最少。

一般来说,一台典型的涡轮轴发动机在海拔3千米处的燃油消耗要比海平面处低10%到15%。因此,一架直升机若要获得最大航程,就必须在发动机性能最佳的高度飞行。

但是,对大多数直升机而言,这一结论是和其总重直接相关的,也就是说,直升机重量不同的时候,其发动机最佳高度是不一样的。对于满载的直升机而言,其最佳高度往往靠近海平面,然而随着飞行时间的增加,燃油逐渐消耗,直升机总重逐渐降低,其最佳高度将逐步提升,因此对于一架直升机而言,若要绘制一条最优飞行曲线,其海拔数值必然会随着航程的增加而升高。到飞行快结束的时候,燃油即将耗尽,理论上的最佳高度往往会相当高,甚至可能说驾驶舱已经需要供氧了。

来源:知乎 www.zhihu.com
作者:丁尹

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