论述旋翼机的发展及其展望

始于竹蜻蜓的科学----论述旋翼飞行器的发展及展望航天航空学院力学（硕）112111702013刘世昱摘要：本论文简述了竹蜻蜓的构造，并用理论力学相关知识对其飞行原理进行了浅析,然后阐述了从竹蜻蜓到直升机的发展历程，最后对旋翼飞行器进行展望。关键词：竹蜻蜓，直升机，旋翼，力学引言：直升机（习称直升飞机）是指依靠发动机带动旋翼产生升力和推进力的航空器。直升机能垂直起落、空中悬停、原地转弯，并能前飞、后飞、侧飞；能在野外场地垂直起飞和着陆，不需要专门的机场和跑道；能贴近地面飞行和长时间悬停，超越障碍，或利用地形地物隐蔽活动，能吊运体积大的武器装备，不受本身容积的限制。尽管与固定翼飞机相比，直升机存在着航程短，速度小，振动和噪音较大等缺点，但却因其独有的特性在军事上得到了广泛的应用，成为了现代军队的重要技术装备之一。直升机虽然是西方工业大国发明的，但其基本原理却产生于古代的中国。早在4000多年前，勤劳勇敢的中国人民就懂得了利用风力，并相继创造出了风车和风扇。在风扇的基础上，人们又为孩子发明了一种玩具――“竹蜻蜓”。它是由一根竹棒和一个（或几个）竹片构成的，竹片被削成了向同一方向的倾斜面。因此，当用孩子们双手夹住竹棒使劲一搓时，“竹蜻蜓”就会旋转着飞向空中。随着惯性减弱、转速降低，“竹蜻蜓”又会旋转着稳稳地落回地面。大约到了明代的时候，中国的大约到了明代的时候，中国的“竹蜻蜓”传到了欧洲，被称作“中国的飞行陀螺”。正文：1.竹蜻蜓的力学分析1.1竹蜻蜓的构造竹蜻蜓的结构十分简单，由两部分构成。一，硬柄，长约20cm的细杆。二，翼片，中间打孔用于安装硬柄，由两片长18至20cm，宽约2cm，厚0.3cm的叶片组成，而且两叶片中心对称。叶片的斜面起关键作用，当转动棍子使得叶片旋转起来的时候，旋转的叶片将空气向下推，形成一股强风，而空气也给竹蜻蜓一股向上的反作用升力，这股升力随著叶片的倾斜角而改变。1.2竹蜻蜓的力学原理由伯努利方程式可知，流体速度愈大，机翼上下的压力差愈大，因而升力也愈大。实验证明，升力与速度的平方成正比。升力产生的主要原因是由于机翼上下存在着压力差，压力差作用的面积愈大，所产生的升力愈大。因此升力还与机翼面积成正比。现将其简化为如下图所示模型。系统受到作用于等效叶片平面上的等值力F、F’，作用在质心上的重力G。系统以ω的角速度转动，空气作用在一片上的力F，可以分解为水平力与竖向力，当G时，就会有向上的加速度使得竹蜻蜓向上飞起，由于两个叶片是中心对称的，所以两个的方向相反，产生力矩使的竹蜻蜓角动量减小。直到W时，竹蜻蜓下落。2.旋翼直升机的发展历程2.1竹蜻蜓的启迪竹蜻蜓是一个简单又神奇的玩具，从古代到现在一直受到孩子们的喜爱。在中国晋朝（公元265年—420年）葛洪所著的《抱朴子》一书有这样的记述：“或用枣心木为飞车，以牛革结环剑，以引其机。或存念作五蛇六龙三牛、交罡而乘之，上升四十里，名为太清。太清之中，其气甚罡，能胜人也。”其中的“飞车”被一些人认为是关于竹蜻蜓的最早记载。其外型呈T字型，两手搓动直杆，它就旋转着飞上了天空，然后落下。在漫画哆啦a梦中常常出现竹蜻蜓的身影。竹蜻蜓中蕴含的力学原理启迪了人们发明螺旋桨等。在学习了《理论力学》后，就可以浅析其中的原理。自公元前3世纪起，人类就开始研究旋转飞行原理，又最有价值、最具代表性的是中国古代的“竹蜻蜓”。应该说，中国的“竹蜻蜓”是人类直升机的鼻祖了。虽然这种“竹蜻蜓”没有连续提供动力的装置，在于空气的摩擦过程中旋转速度会越来越慢，当它飞行到一定高度后便会慢慢地下降到地面，但它却给了先人升天的梦想。如果给这种“竹蜻蜓”装上一个适当的动力装置，连续不断地给它提供动力，那么他不就可以克服空气的摩擦力，在空中长时间地飞行了吗？但这又谈何容易。中国的“竹蜻蜓”在欧洲出现后，引起了欧洲人的兴趣。15世纪，欧洲人开始探索直升机的发展道路。最先设想直升机飞行器，并画出了草图的人是意大利的一位著名画家列奥纳多·达·芬奇。他既是一名杰出的画家、发明家、工程师和科学大家，又是航天创始人。1483年，这位艺术与科学的巨匠，在前人关于飞行器预言的激励下，在他绘制《蒙娜丽莎》和《最后的晚餐》，设计碾轧机、挖河机，主持城市建筑和军事工程时，对直升机产生了浓厚的兴趣，居然对直升机的未来进行了丰富的想象和推理，以他惊人的想象力绘制了世界上第一幅直升机飞行器的草图——空气螺锥图，又称列奥纳多螺旋。因为他毕竟是一位画家，在当时也不可能有那么深的研究。所以，达·芬奇的螺旋体（后人称之为无尾飞机），在后人看来，是螺旋与机翼“莫名其妙的组合”。可惜的是，达·芬奇这些研究一直未得以发表，他的科学思想和航空成果一直不为人知。直到200年后，即18世纪末，拿破仑的军队入侵佛罗伦萨，将达·芬奇的遗物作为战利品带回法国，才使它的研究重见天日。达·芬奇绘制的螺旋图以及他设计的飞行器，虽然没有实现垂直升空、自由飞行的夙愿，但却开创了人类设计、制造垂直升空、自由飞行器的先河。2.2直升机的出现尽管人类对直升机的探索一直没有停止，但由于缺乏大功率发动机，在直升机的概念出现之后的400年间，一直没有太大的发展。1796年，英国人GeorgeCayley设计了第一架用发条作动力、能够飞起来的直升机，50年后的1842年，英国人W.H.Philips用蒸气机作动力，设计了一架只有9公斤重的模型直升机。1878年，意大利人EnricoForlanini用蒸气机制作了一架只有3.5公斤重的模型直升机。1880年，美国发明家托马斯·爱迪生着手研制用电动机驱动的直升机，但最后放弃了。直到19世纪中叶，科学理论与机械制造有了突破性的进展，尤其是N.A.奥托在1867年发明的四冲程内燃机。这一时期，人类开始进入了实质性的发展阶段。法国人PaulCornu在1907年制成第一架载人的直升机，旋翼转速每分钟90转，发动机是一台24马力的汽油机。Cornu用旋翼下的“舵面”控制飞行方向和产生前进的推力，但Cornu的直升机的速度和飞行控制能力很可怜。图为法国布雷盖在1907年设计的第一架载人直升机2.3旋翼机发展的成熟1939年12月14日，西科斯基设计制造的代号为VS-300的直升机终于升空。西科斯基设计的VS-300是一种比较成功的直升机，它最初采用一副主旋翼和三幅尾桨，经过试飞，他发现只要一副尾桨就足以产生所需的偏转力矩，便将三副尾桨拆除了两副。这样，西科斯基为实用型直升机制定了完美的外形，为后来的直升机指明了方向。3.对旋翼机展望直升机作为现代战争的重要装备，在高新技术条件下的局部战争中具有举足轻重的地位。可以看出，未来机将具有如下突破：1.以智能复合材料为主的材料应用更新；2.以新型螺旋桨推进技术提高飞行速度；3.通过发展大载重及提高发动机性能，增大有效载量；4.使用先进航电技术；5.生存能力更强；6.更高的隐形能力及武器精准。可以预见，尤其在全社会，全世界倡导生态文明的今天，有极大可塑空间的旋翼直升机将会在民用，军事中大放光彩。参考文献[1]张德和，邱学军.从竹蜻蜓到直升机.北京：中国科学技术出版社，2011[2]倪礼忠，陈麟.复合材料科学与工程.北京:科学出版社，2002[3]韩荣第，金远强.航天用特殊材料加工技术.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，2007.7[4]张广林，李昊.未来旋翼机技术展望[J].国际航空，2010年05期