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旋翼机的空气动力学的原理是怎样的？

直升机和旋翼机都是通过旋翼来产生升力的，因此解释升力产生的许多基本空气动力学原理对两种飞行器而言是相同的。今天给大家分享关于旋翼机的知识。
旋翼机的空气动力学的原理是怎样的？
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● 自旋 ●
直升机和旋翼机之间一个根本的不同在于：在依靠动力维持飞行的过程中，旋翼机旋翼系统工作在自旋状态下。这意味着旋翼依靠向上流过翼面的气流维持自身的自由旋转，而不是通过发动机的动力旋转翼面，从上方吸收气流。
图1是在自旋过程中产生的力一方面维持旋翼的旋转，另一方面产生将飞行器维持在空中的升力。从空气动力学的角度而言，在正常飞行时旋翼机旋翼系统的运转和直升机的旋翼系统在发动机失效时，向前自旋下降时的运转方式一样。
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图1 在旋翼机上气流通过旋翼系统的方向和动力飞行状态下的直升机相反
这些气流是把动力从旋翼机发动机传送到旋翼系统并保持旋翼自转的媒介。
●垂直自旋●
在垂直自旋过程中，旋翼桨片遇到的相对风由两个基本的组成部分。如图2所示，一个是向上的通过旋翼系统的空气流，在一个给定的飞行条件下该气流保持相对不变。另一个分量是桨叶旋转造成的轴向气流（旋转方向的相对气流，译者注），这个分量的大小和离开旋翼叶毂的距离关系很大。
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图2 在垂直自旋中，桨叶旋转造成的相对气流和向上的气流合成了最终流经翼型表面的气流
举例来说，考虑一个转速300转/分钟(r.p.m) 的直径25英尺的桨盘，在离开旋翼叶毂1英尺的位置上的一点，桨叶沿着一个周长6.3英尺的圆运动，这时的线速度大约为31.4英尺/秒(f.p.s) 或者21英里/小时(m.p.h)。在翼尖上的一点，旋转周长大约是78.5英尺，在同样的转速下，速度大约为393英尺/秒，或者267英里每小时。这样情况下造成的结果是翼尖的相对风速更大，而相对于旋翼的攻角更小，如图3。
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图3 沿着旋翼向外移动，旋转速度的增加超过了气流的向上的速度分量，造成更快的相对气流和更低的攻角。●浆盘分区●无论选用什么样的翼型，旋翼产生的升力总是垂直于相对气流的方向。处于自旋中的旋翼相对气流的攻角在内侧较大而在外侧较小，因此靠近桨毂的内侧旋翼产生的升力具有较大的向前分量，而靠近翼尖的旋翼产生较大的垂直分量。这种现象造成了桨盘的不同功能分区，从而产生自旋状态下飞行所必需的力。
如图4所示，自旋区域，又称驱动区域，产生的总气动力 (TAF) 的前向分量超过所有后向空气阻力的总和，从而保持了桨叶的旋转。螺旋桨区，又称被驱动区，产生的总气动力具有较大的垂直分量，从而保证旋翼机能够在空中飞行。靠近桨盘中心是失速区，在失速区里桨叶轴向运动的相对气流太小，以至于合成气流的角度超过了翼型的失速极限。失速区对桨叶旋转产生空气阻力，必须依靠驱动区域产生的前向力来克服。
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图4 总气动力在被驱动区落后于旋转轴，在驱动区领先于旋转轴。空气阻力是失速区的主要气动力。●向前飞行时的自旋●
截至目前我们讨论的都只是旋翼机垂直下降时自旋的空气动力学。通常情况下，旋翼机都是向前飞行的，因此，由于向前的飞行速度引起的相对气流与旋翼的相互作用也必须考虑在内。这个气流分量不影响桨叶自旋的空气动力学原理，但是会造成桨盘不同区域的形状变化。
当旋翼机在空气中向前运动时，向前的运动速度对于前行桨叶而言将造成相对气流的速度加快，对后行叶而言则减小相对气流的速度。为了应对桨盘两侧升力的不平衡，前行桨叶在跷跷板的作用下翘起以减小攻角和升力，与此同时后行桨叶向下以增加攻角和升力。前行桨叶的攻角减小导致驱动区域变大，后行桨叶的攻角增加导致更大的失速区域。向前飞行导致原有的桨盘分区向后行桨叶方向移动，其大小和程度和飞行器的飞行速度大小有关。参见图5。
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图5 向前自旋飞行的桨盘分区
●旋翼受力分析●
同任何重于空气的飞行器一样，旋翼机飞行时也受到升力、重力、推力和阻力这四种力的作用。旋翼机的升力来自于旋翼系统，推力直接来自螺旋桨。如图6所示，旋翼产生的力可以分为两个分量：旋翼升力和旋翼空气阻力。垂直于飞行路径的是旋翼升力，平行于飞行路径的是空气阻力。为了推出整体的飞行器空气阻力反应，必须把机身空气阻力计算在内。

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