Question

直升机发展史！

Answer 1

中国的竹蜻蜓和意大利人达芬奇的直升机草图，为现代直升机的发明提供了启示，指出了正确的思维方向，它们被公认是直升机发展史的起点。竹蜻蜓又叫飞螺旋和“中国陀螺”，这是我们祖先的奇特发明。有人认为，中国在公元前400年就有了竹蜻蜓，另一种比较保守的估计是在明代(公元1400年左右)。这种叫竹蜻蜓的民间玩具，一直流传到现在。竹蜻蜒有据可查的历史记载于晋朝(公元265—420‘年)．葛洪所著的《抱朴子》一书中。它利用螺旋桨的空气动力实现垂直升空，演示了现代直升机旋翼的基本工作原理。现代直升机尽管比竹蜻蜓复杂千万倍，但其飞行原理却与竹蜻蜓有相似之处。现代直升机的旋翼就好像竹蜻蜓的叶片，旋翼轴就像竹蜻蜓的那根细竹棍儿，带动旋翼的发动机就好像我们用力搓竹棍儿的双手。竹蜻蜓的叶片前面圆钝，后面尖锐，上表面比较圆拱，下表面比较平直。当气流经过圆拱的上表面时，其流速快而压力小；当气流经过平直的下表面时，其流速慢而压力大。于是上下表面之间形成了一个压力差，便产生了向上的升力。当升力大于它本身的重量时，竹蜻蜓就会腾空而起。直升机旋翼产生升力的道理与竹蜻蜓是相同的。这种玩具于14世纪传到欧洲，带去了中国人的创造。　欧洲人将它作为航空器来研究和发展。“英国航空之父”乔治•凯利(1773一1857年)曾制造过几个竹蜻蜓，用钟表发条作为动力来驱动旋转，飞行高度曾达27M。《大英百科全书》记载道：这种称为“中国陀螺”的“直升机玩具”在15世纪中叶，也就是在达•芬奇绘制带螺丝旋翼的直升机设计图之前，就已经传入了欧洲。《简明不列颠百科全书》第9卷写道：“直升机是人类最早的飞行设想之一，多年来人们一直相信最早提出这一想法的是达•芬奇，但现在都知道，中国人比中世纪的欧洲人更早做出了直升机玩具。19世纪末，在意大利的米兰图书馆发现了达•芬奇在1475年画的一张关于直升机的想象图。这是一个用上浆亚麻布制成的巨大螺旋体，看上去好像一个巨大的螺丝钉。它以弹簧为动力旋转，当达到一定转速时，就会把机体带到空中。驾驶员站在底盘上，拉动钢丝绳，以改变飞行方向。西方人都说，这是最早的直升机设计蓝图。20世纪初为直升机发展的探索期，多种试验性机型相继问世。为直升机发展积累了可贵的经验并取得显著进展，有多架试验机实现了短暂的垂直升空和短距飞行，但离实用还有很大距离 当时主要的障碍有两个：直升机的孕育过程艰难,由于三大技术难关阻碍了其发展。直升机的孕育过程艰难,由于三大技术难关阻碍了其发展。 一是大功率,重量比的发动机,二是如何平衡旋翼旋转时产生的扭矩,三是如何实现飞行控制。一是大功率,重量比的发动机,当时发动机的功率/重量之比太低，而直升机对此指标特别敏感；二是如何平衡旋翼旋转时产生的扭矩, 配平旋翼旋转所引起的反扭矩。三是如何实现飞行控制，当时旋翼技术过于原始，不能实现对直升机的有效控制，而且振动非常严重。 蒸汽机的出现曾为直升机带来一线希望,但很快被否定,内燃机的出现才使发动机符合了直升机的要求。蒸汽机的出现曾为直升机带来一线希望,但很快被否定, 内燃机的出现，特别是飞机工业的发展，使航空发动机的性能迅速提高，为直升机的成功提供了重要条件。才使发动机符合了直升机的要求。为克服扭矩问题,直升机早期的方案大多是多旋翼式，靠旋翼彼此反转来解决配平问题，方案的多样性表明了探索阶段的技术不成熟性。经过多年实践，只有纵列式和共轴双旋翼式保留了下来，至今仍在应用。双桨横列式方案未在直升机家族中延续，但在倾转旋翼／机翼式垂直起落飞行器中得到了继承和发展。俄国人尤利耶夫另辟捷径，提出了利用尾桨来配平旋翼反扭矩的设计方案并于1912年制造出了试验机。这种单旋翼带尾桨式直升机成为至今最流行的形式，占到世界直升机总数的95％以上。最常见的方法是采用单旋翼+尾桨布局,有纵列双旋翼、横列双旋翼和共轴双旋翼的布局形式。克服扭矩问题,最常见的方法是采用单旋翼+尾桨布局,有纵列双旋翼、横列双旋翼和共轴双旋翼的布局形式。 至于飞行控制问题,通常的做法是在旋翼桨毂上设置挥舞铰,以及旋翼桨叶变距机构。至于飞行控制问题,通常的做法是在旋翼桨毂上设置挥舞铰,以及旋翼桨叶变距机构。 在这个过程中, 旋翼技术的第一次突破，西班牙人胡安•切尔瓦（Ciervao）功不可没,他最早他为了创造“不失速”的飞机以解决固定翼飞机的安全问题，采用自转旋翼代替机翼，发明了旋翼机。在其发明的“自转旋翼机”上安装挥舞铰和周期变距,从而使旋翼能在垂直飞行和前进飞行中产生稳定的升力，又能产生俯仰和滚转操纵力矩。对直升机技术的成熟和发展,产生了重要的影响，为直升机的诞生提供了另一个重要条件。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日试飞成功。这架直升机被称为“人类第一架直升机”。这架名为“飞行自行车”的直升机不仅靠自身动力离开地面0.3米，完成了垂直升空，而且还连续飞行了20秒钟，实现了自由飞行。保罗科尔尼研制的直升机带两副旋翼，主结构为一根V形钢管，机身由V形钢管和6个钢管构成的星形件组成，并采用钢索加强，以增加框架结构的刚度。V形框架中部安装一台24马力的 Antainette 发动机和操作员座椅。机身总长6.20米，重260千克。V形框架两端各装一副直径为6米的旋翼，每副旋翼有2片桨叶。1933年, 德国福克公司的福克•沃尔夫设计了一种采用飞机机身、横列双旋翼布局的直升机FW-61,这是世界上第一种技术成熟的直升机。1936年，福克公司在对早期直升机进行多方面改进之后，公开展示了FW-61直升机，1年后该机创造了多项世界纪录。这是一架机身类似固定翼飞机，但没有固定机翼的大型双旋翼横列式直升机，它的两副旋翼用两组粗大的金属架分别向右上方和左上方支起，两副旋翼水平安装在支架顶部。桨叶平面形状是尖削的，用挥舞铰和摆振铰连接到桨毂上。用自动倾斜器使旋翼旋转平面倾斜进行纵向操纵，通过两副旋翼朝不同方向倾斜实现偏航操纵。旋翼桨叶总距是固定不变的，通过改变旋翼转速来改变旋翼拉力。利用方向舵和水平尾翼来增加稳定性。FW61旋翼毂上装有周期变距装置，在旋翼旋转过程中可改变桨叶桨距。还有一根可变动桨距的操纵杆来改变旋翼面的倾斜度，以实现飞行方向控制。FW61就是靠这套周期变距装置和操纵杆保证了它的机动飞行。该机旋翼直径7米。动力装置是一台功率140马力的活塞发动机。这是世界上第一架具有正常操纵性的直升机。该机时速100~120公里，航程200公里，起飞重量953千克。1938年，年轻的德国姑娘汉纳•赖奇驾驶一架FW-61在柏林体育场进行了一次完美的飞行表演，前飞、后飞、悬停、转弯,第一次向人们展示了直升机特有的魅力。这架直升机被直升机界认为是世界上第一种试飞成功的直升机。1919年，西科尔斯基移居美国， 1928年他加入了美国国籍，并于次年组建了西科斯基飞机公司，西科斯基回到了直升机的研制中。不到3年功夫，他解决了直升机最大的难题——直升机在空中打转儿的毛病。他巧妙地在机尾装了一副垂直旋转的抗反作用力的小型旋翼――尾桨，终于使直升机能飞上了天空。1939年9月14日，西科尔斯基把一架直升机升到空中，高约二三米，平稳地悬停了10秒钟之久，然后轻巧地降落回地面。这在航空史上是崭新的一章，他成功地让世界上第一架真正的直升机——VS-300升空了。经反复试飞，VS-300具有良好的操纵性能，具备了现代直升机的基本特点。1940年底，美国陆军决定大量购买VS-300的改进型VS-316，军队编号为R-4。　R-4为双座机，主族翼直径11.58米，最大重量1152公斤，使用一台185马力活塞发动机，巡航速度为109公里／小时，航程为320公里，升限为1524米。它能垂直起降、悬停、前飞、后飞、侧飞以及无动力自转下降等，完全具备了现代直升机的飞行特点。第一架R-4于1942年5月交付美国陆军使用，以后，西科尔斯基在R-4的基础上，又发展了R-5和R-6型直升机，使性能更为完善。到30年代末期，在法国、德国、美国和苏联都有直升机试飞成功，并迅速改进达到了能够实用的程度。第二次世界大战的军事需要，加速了这一进程，促使直升机发展由探索期进入实用期，直升机开始投入生产线生产。到二战结束时，德国工厂已生产了30多架直升机，美国交付的以、 R5、 R6直升机已达400多架。R-4崭露头角后不久,1946年3月,美国贝尔47直升机获得第一张商用直升机适航许可证。50年代中期以前，直升机的动力装置处在活塞式发动机时期，此后就进入了喷气涡轮轴时期。旋翼材料结构技术也经历了几个阶段；40年代至50年代为金属木翼混合结构，50年代中期至60年代中期为金属结构，60年代中期至70年代中期为玻璃纤维结构，70年代中期以后发展成为新型复合材料结构。在20世纪40年代至50年代中期是实用型直升机发展的第一阶段，这一时期的典型机种有：美国的S-51、S-55/H-19、贝尔47；苏联的米-4、卡-18；英国的布里斯托尔-171；捷克的HC-2等。这一时期的直升机可称为第一代直升机。 贝尔47是美国贝尔直升机公司研制的单发轻型直升机，研制工作开始于1941年，试验机贝尔30于1943年开始飞行，1945年改名为贝尔47，1946年3月8日获得美国民用航空署(CAA)的适航证，这是世界上第一架取得适航证的民用直升机。该机是单旋翼带尾桨式布局、两叶桨叶的跷跷板式旋翼。旋翼下面有稳定杆，与桨叶呈直角。普通的自动倾斜器可进行总距和周期变距操纵。尾梁后部有两个桨叶的全金属尾桨。卡-18是苏联卡莫夫设计局设计的单发双旋翼共轴式轻型多用途直升机，于1957年年中首次飞行，此后不久投入批生产。采用两副旋转方向相反的3桨叶共轴式旋翼，桨叶为木质结构。装1台275马力的九缸星形活塞式发动机。机身为钢管焊接结构，具有轻金属蒙皮和硬壳式尾梁。座舱内可容纳1名驾驶员和3名旅客。采用四轮式起落架，前起落架机轮可以自由转向。这个阶段的直升机具有以下特点：动力源采用活塞式发动机，这种发动机功率小，比功率低(约为1.3千瓦/千克)，比容积低(约247.5千克/米3)。采用木质或钢木混合结构的旋翼桨叶，寿命短，约为600飞行小时。桨叶翼型为对称翼型，桨尖为矩形，气动效率低，旋翼升阻比为6.8左右，旋翼效率通常为0.6。机体结构采用全金属构架式，空重与总重之比较大，约为0.65。没有必要的导航设备，只有功能单一的目视飞行仪表，通信设备为电子管设备。动力学性能不佳，最大飞行速度低(约为200千米/小时)，振动水平在0.25g左右，噪声水平约为110分贝，乘坐舒适性差。20世纪50年代中期至60年代末是实用型直升机发展的第二阶段。这个阶段的典型机种有：美国的S-61、贝尔209/AH-1、贝尔204/UH-1，苏联的米-6、米-8、米-24，法国的SA321“超黄蜂”等。这个时期开始出现专用武装直升机，如AH-1和米-24。这些直升机称为称为第二代直升机。这个阶段的直升机具有以下特点：动力源开始采用第一代涡轮轴发动机。涡轮轴发动机产生的功率比活塞式发动机大得多，使直升机性能得到很大提高。第一代涡轮轴发动机的比功率约为3.62千瓦/千克，比容积为294.9千瓦/米3左右。直升机旋翼桨叶由木质和钢木混合结构发展成全金属桨叶，寿命达到1200飞行小时。桨叶翼型为非对称的，桨尖简单尖削与后掠，气动效率有所提高，旋翼升阻比达到7.3，旋翼效率提高到0.6。机体结构为全金属薄壁结构，空重与总重之比降低到0.5附近。已采用减振的吸能起落架和座椅。机体外形开始考虑流线化，以减小气动阻力。直升机座舱开始采用纵列式布置，使机身变窄。性能明显改善，最大飞行速度达到200~250千米/小时，振动水平降低到0.15g左右，噪声水平为100分贝，乘坐舒适性有所改善。 20世纪70年代至80年代是直升机发展的第三阶段，典型机种有：美国的S-70/UH-60“黑鹰”、S-76、AH-64“阿帕奇”，苏联的卡-50、米-28，法国的SA365“海豚”，意大利的A129“猫鼬”等。在这一阶段，出现了专门的民用直升机。为了深入研究直升机的气动力学和其它问题，这时也设计制造了专用的直升机研究机(如S-72和贝尔533)。各国竞相研制专用武装直升机，促进了直升机技术的发展。这个阶段的直升机具有以下特点：涡轮轴发动机发展到第二代，改用了自由涡轴结构，因此具有较好的转速控制特征，改善了起动性能，但加速性能没有定轴结构的好。发动机的重量和体积有所减小，寿命和可靠性均有提高。典型的发动机耗油率为0.36千克/千瓦小时，与活塞式发动机差不多。旋翼桨叶采用复合材料，其寿命比金属桨叶有大幅度提高，达到3600小时左右。翼型不再借用固定翼飞机的翼型，而是为直升机专门研制的翼型，即二维曲线变化翼型。桨尖呈抛物线后掠。桨毂广泛使用弹性轴承，有的成无铰式。尾桨已开始采用效率高又安全的涵道尾桨。旋翼升阻比达8.5左右，旋翼效率提高到0.7左右。机体次结构也采用复合材料制造，复合材料占机体总重的比例通常为10%左右，直升机的空重/总重比一般为0.5。对于军用直升机，特别是武装直升机来说，提出了抗弹击和耐坠毁要求。美军方提出了军用直升机耐毁标准MIL-STD-1290，已成为军用直升机的设计标准。为满足这些标准，军用直升机采用了乘员装甲保护，专门设计了耐坠毁起落架、座椅和燃油系统。电子系统已发展到半集成型。直升机采用大规模集成电路通讯设备、集成的自主导航设备、集成仪表、电子式与机械式混合操纵机构等。机上的电子设备之间靠一条双向数字数据总线交连，通过这条总线可进行信息发射和接收。直升机采用混合布置的局部集成驾驶舱。第一代夜视系统的使用使直升机具备了夜间飞行能力。这种较为先进的半集成电子设备使直升机通讯距离显著增大，导航距离与精度明显提高，仪表数量有所减少，飞行员工作负荷得到减轻，也使直升机具备了机动/贴地飞行以及在不利气象/夜间条件下的飞行能力，从而提高了直升机的整体性能。动力学性能明显提高。直升机的升阻比达到5.4，全机振动水平约为0.1g，噪声水平低于95分贝，最大飞行速度达到300千米/小时。 20世纪90年代是直升机发展的第四阶段，出现了目视、声学、红外及雷达综合隐身设计的武装侦察直升机。典型机种有：美国的RAH-66和S-92，国际合作的“虎”、NH90和EH101等，称为第四代直升机。 这个阶段的直升机具有以下特点：采用第3代涡轴发动机，这种发动机虽然仍采用自由涡轴结构，但采用了先进的发动机全权数字控制系统及自动监控系统，并与机载计算机管理系统集成在一起，有了显著的技术进步和综合特性。第3代涡轴发动机的耗油率仅为0.28千克/千瓦小时，低于活塞式发动机的耗油率。其代表性的发动机有T800、RTM322和RTM390。桨叶采用碳纤维、凯芙拉等高级复合材料制成，桨叶寿命达到无限。新型桨尖形状繁多，较突出的有抛物线后掠形和先前掠再后掠的BERP桨尖。这些新桨尖的共同特点是可以减弱桨尖的压缩性效应，改善桨叶的气动载荷分布，降低旋翼的振动和噪声，提高旋翼的气动效率。球柔性和无轴承桨毂获得了广泛应用，桨毂壳体及桨叶的连接件采用复合材料，使结构更为紧凑，重量大为降低，阻力大大减小。旋翼升阻比达到10.5，旋翼效率为0.8。这个阶段应用了无尾桨反扭矩系统，其优点是具有良好的操纵响应特性、振动小、噪声低，不需要尾传动轴和尾减速，使零部件数量大大减小，因而提高了可维护性。复合材料在直升机上获得了前所未有的广泛应用。直升机开始采用复合材料主结构，复合材料的应用比例大幅度上升，通常占机体结构重量的30~50%。这一时期的民用型直升机的空重/总重比约为0.37。高度集成化的电子设备。计算机技术、信息技术及智能技术在直升机上获得应用，直升机电子设备朝着高度集成化方向发展。这一时期的直升机，采用了先进的增稳增控装置，用电传、光传操纵取代了常规的操纵系统，采用先进的捷联惯导、卫星导航设备及组合导航技术，先进的通讯、识别及信息传输设备，先进的目标识别、瞄准、武器发射等火控设备及先进的电子对抗设备，采用了总线信息传输与数据融合技术，并正向传感器融合方向发展。机上的电子、火控及飞行控制系统等通过多余度数字数据总线交连，实现了信息共享。采用了多功能集成显示技术，用少量多功能显示器代替大量的单个仪表，通过键盘控制显示直升机的飞行信息，利用中央计算机对通讯、导航、飞行控制、敌我识别、电子对抗、系统监视、武器火控的信息进行集成处理从而进行集成控制。采用这类先进的集成电子设备，大大简化了直升机座舱布局和仪表板布置，系统部件得到简化，重量大大减轻。更主要的是极大地减轻了飞行员工作负担，改善了直升机的飞机品质和使用性能。直升机的全机升阻比达到6.6，振动水平降到0.05g，噪声水平小于90分贝，最大速度可达到350千米/小时。 作为运输工具,直升机是唯一能够抵达任何地形区域的飞行平台;作为作业工具,被广泛用于工业、农业、商业活动中,并在医疗救护、抢险救灾、重物起吊、森林灭火、治安巡逻等领域发挥着不可替代的作用。作为运输工具,直升机是唯一能够抵达任何地形区域的飞行平台;作为作业工具,被广泛用于工业、农业、商业活动中,并在医疗救护、抢险救灾、重物起吊、森林灭火、治安巡逻等领域发挥着不可替代的作用。 据统计,目前世界上有2万多架私人，民用直升飞机,拥有和使用直升机的数量多少已经成为衡量一个国家科技、经济水平的重要标志之一。据统计,目前世界上有2万多架私人，民用直升飞机,拥有和使用直升机的数量多少已经成为衡量一个国家科技、经济水平的重要标志之一。