1. 何为自转旋翼机?
历史上有正式记载的第一次自旋翼机飞行是1923年1月9日,该自旋翼机由Juan de la Cierva设计。自转旋翼(Autogyro、Gyroplane、Gyrocopter)是FAA(美国联邦航空管理局) 的官方术语,隶属于旋翼航空器。说到旋翼航空器,这个家族有以下四个主要成员:直升机,自转旋翼,固定旋翼和倾转旋翼,如下图。
自转旋翼介于普通飞机和直升机之间,通过自由转动的旋翼或旋翼叶片获得升力,并从发动机驱动的螺旋桨获得推力。从历史上看,这种类型的飞机被称为自动旋翼机和旋翼机。
自转旋翼通过自由转动向后倾斜的旋翼叶片来捕捉空气而获得升力。当飞机被发动机驱动的螺旋桨向前推进时,湍急的空气使转子旋转。早期的旋翼机由拖拉机(牵引器)配置的发动机提供动力,并且相对较重。现代旋翼机使用推进式螺旋桨,重量轻且机动性强。由于发动机在后部,所以自转旋翼对飞行员或者乘客来说有更好的视野。
2. 何为自由转动的旋翼?
上面提到自转旋翼机的升力来源于“自由转动的旋翼”,这也是自转旋翼与直升机的一个重要区别。网络很多文章介绍直升机与自转旋翼机区别,实际上很多现象级的区别都是这个升力提供方式不同导致的。所谓,“自由转动”是与直升机动力驱动相对的概念,是指气流通过转子,使其自然旋转的过程,与平放的风车(稍稍向上倾斜)类似,所以自转旋翼又被称为“会飞的风车。”
这也解释了,为什么同样是前进飞行,自转旋翼的旋转面与水平面的夹角恰好与直升机方向相反。
同样也解释了,自转旋翼为什么不能悬停,不能左飞,右飞,更不能向后飞。而直升机是可以向任意方向飞行的。
还有一点,这也同样可以解释,自转旋翼是不需要平衡扭矩的。
3. 自转旋翼机与直升机
因为外观的极度相似性,自转旋翼经常拿来与直升飞机比较。
自转旋翼机可以比普通飞机飞得更慢并且不会失速,它们可以比直升机飞得更快但不能悬停。
由于旋翼机上的旋翼叶片仅由空气驱动(自转),就像风车一样,因此不需要尾桨来提供反扭矩。而直升机不同,直升机的主旋翼叶片由引擎提供动力,因此必然要考虑扭矩平衡的问题,否则直升机的机身会沿着与主旋翼相反的方向旋转。下图,分别是尾浆,纵列式双旋翼,同轴双旋翼和交叉双旋翼直升机,这些都是为了解决扭矩平衡问题。
自转旋翼机是一个稳定的飞行平台,不像直升机,它通过发动机驱动的旋翼叶片将空气拉下,使其能够悬停,但也使直升机的构造更加复杂且昂贵。由于旋翼机固有的简单性,它比直升机更容易操作且维护成本更低。
虽然直升机可以悬停,但其在空中应尽可能避免(长时间)悬停,如果确实需要对一个固定点进行监视,正确的做法是在一个慢速轨道上盘旋。自转旋翼机也可以达到同样的效果,但需要注意保持足够的速度。
直升机之所以在空中(高空)尽量避免悬停,是因为此时其在空中会失去地面效应的优势。所谓地面效应(如下图),当运动的飞行器距离地面(或水面)很近时,整个飞行器体的上下压力差增大,升力会陡然增加。前苏联就是利用这种效应,研制多款翼地效应飞行器并进行实际的测试飞行。
4. 自转旋翼的飞行安全性
第一个主要的安全特性是,由于自转旋翼机的主旋翼没有动力驱动,其可以在控制稍差的情况下着陆。高度下降本身迫使转子保持转动,因此自转旋翼机可以基于此获得水平距离以消除高度损失。当然,在没有动力的情况下,其可以在短距离内着陆,所需要的只是一条小跑道——只要有足够的宽度来容纳旋翼跨度。当然,与固定翼相比,旋翼机的主要缺点是它不能配备救援降落伞,因此如果发生结构损坏,安全性可能是一个主要问题。
5. 自转旋翼机可以借风起飞
前边介绍过,自转旋翼本身对主旋翼不提供驱动,是借助风的力量产生升力的。那么,也就是说如果风力足够,自转旋翼可以短距起飞或者着陆。
6. 旋翼机能飞多高和多快?
通常旋翼机在低于 2,000 英尺的高度飞行,但特定条件下可飞行到 15,000 英尺。尽管自转旋翼可以飞行更快,但以 100 至 160 公里/小时的速度(取决于风和天气条件)飞行可以更加节省能源。由于旋翼机需要更大的动力(与其固定翼表亲相比)才能飞行,它们不能飞得更快、更远,因此只适合短时间的休闲飞行。
实际上FAA将自转旋翼分类为LSA(light sport aircraft)——轻型运动类飞机,自转旋翼一般载人1-2人,而不像直升机那样可以做成大型运输机。
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