直升机的操纵原理

第 章 第六章

直升机的操纵原理

直升机不同于固定翼飞机，一般都没有在飞行中 供操纵的专用活动舵面。这是由于在小速度飞行 或悬停中，其作用也很小，因为只有当气流速度 很大时舵面或副翼才会产生足够的空气动力。单 旋翼带尾桨的直升机主要靠旋翼和尾桨进行操纵， 而双旋翼直升机靠两副旋翼来操纵。由此可见， 旋翼还起着飞机的舱面和副翼的作用。

直升机操纵原理

 旋翼不仅提供升力同时也是直升机的主要操 纵面。  总距操纵杆：通过自动倾斜器改变旋翼桨叶 总距，控制直升机的升降运动。提杆，增大 总距 升力增大 直升机上升 压杆 减小 总距，升力增大，直升机上升；压杆，减小 总距，直升机下降。  周期变距操纵杆：操纵周期变距操纵杆，使 周期变距操纵杆 操纵周期变距操纵杆 使 自动倾斜器相应的倾斜，从而使桨叶的桨距 作每周一次的周期改变 造成旋翼拉力矢量 作每周一次的周期改变，造成旋翼拉力矢量 按相应的方向倾斜，达到控制直升机的前、 后（左、右）和俯仰（或横滚）运动。

直升机操纵原理

    脚蹬：控制尾桨，实现航向操纵。 尾桨：平衡旋翼反扭矩、航向操纵。 垂尾：增加航向稳定性。 平尾：增加俯仰稳定性。

直升机操纵原理（续）

6.1 直升机操纵特点

 直升机驾驶员座舱 操纵机构及配置直 升机驾驶员座舱主 要的操纵机构是： 驾驶杆(又称周期 变距杆)、脚蹬、 油门总距杆。此外 还有油门调节环、 直升机配平调整片 开关及其他手柄.

驾驶杆和脚蹬

 驾驶杆位于驾驶员座椅前面，通过操纵线系与旋翼 的自动倾斜器连接。驾驶杆偏离中立位置表示：  向前——直升机低头并向前运动；  向后——直升机抬头并向后退；  向左——直升机向左倾斜并向左侧运动；  向右——直升机向右倾斜并向右侧运动。 直升机向右倾斜并向右侧运动  脚蹬位于座椅前下部，对于单旋翼带尾桨的直升机 来说 驾驶员蹬脚蹬操纵尾桨变距改变尾桨推(拉) 来说，驾驶员蹬脚蹬操纵尾桨变距改变尾桨推 力，对直升机实施航向操纵。

油门总距杆

 油门总距杆通常位于驾驶员座椅的左方，由 驾驶员左手操纵，此杆可同时操纵旋翼总距 和发动机油门，实现总距和油门联合操纵。  油门调节环位于油门总距杆的端部，在不动 油门调节环位于油门总距杆的端部 在不动 总距油门杆的情况下，驾驶员左手拧动油门 调节环可以在较小的发动机转速范围内调整 发动机功率。

调整片操纵

 调整片操纵(又称配平操纵)的主要原因是因 为直升机在飞行中驾驶杆 的载荷，不同于 为直升机在飞行

中驾驶杆上的载荷，不同于 飞机的舵面载荷。如果直升机旋翼使用可逆 式操纵系统，那么驾驶杆要受周期(每一转) 的可变载荷，而且此载荷又随着飞行状态的 改变而产生某些变化。为减小驾驶杆的载荷， 大多数直升机操纵系统中都安装有液压助力 器。操纵液压助力器可进行不可逆式操纵， 即除了操纵系统的摩擦之外 旋翼不再向驾 即除了操纵系统的摩擦之外，旋翼不再向驾 驶杆传送任何力。

6.2 直升机的操纵机构

 在图中(1)是周期变距操纵杆，操纵它可通过助力器(3)可使下 旋转转盘(2)倾斜，从而带动整个旋翼倾斜，(5)是总距操纵杆， 操纵它可使旋转转盘上下移动，并通过摇臂改变旋翼桨叶的桨 距，从而达到改变旋翼升力大小的目的；(6)是脚蹬，操纵它 可改变尾桨桨叶的桨距 从而改变尾桨拉力的大小 可改变尾桨桨叶的桨距，从而改变尾桨拉力的大小。

6.2.1 总距操纵杆

 总距操纵杆简称总距杆。用来控制旋翼桨叶总距变化的座舱操 纵杆。总距操纵杆一般布置在驾驶员座位的左侧，绕支座轴线 上 下转动 驾驶员左手上提杆时 使自动倾斜器上升而增大 上、下转动。驾驶员左手上提杆时，使自动倾斜器上升而增大 旋翼桨叶总距(即各片桨叶桨距同时增大相同的角度)使旋翼拉 力增大，反之拉力减小，由此来控制直升机的升降运动。这是 直升机特有的一种操纵机构。  通常在总距操纵杆的手柄上设置旋转式油门操纵机构，用来调 节发动机油门的大小 以便使发动机输出功率与旋翼桨叶总距 节发动机油门的大小，以便使发动机输出功率与旋翼桨叶总距 变化后的旋翼需用功率相适应。因此，又称其为总距油门杆。  随着电传、光传操纵技术的发展，座舱操纵机构也在向新型侧 杆操纵方式发展，总距操纵杆将有可能与周期变距操纵杆合并 成一个很简单的侧置操纵杆。

6.2.2 周期变距操纵杆

 周期变距操纵杆简称驾驶杆。与固定翼飞机的驾驶 杆相似，通过操纵线系与自动倾斜器相连接的直升 机驾驶杆。 机驾驶杆  一般位于驾驶员座椅的中央前方。驾驶员前、后 (或左、右)操 操纵周期变距操纵杆，使倾斜盘相应的 期 操 杆 使倾斜 前、后(或左、右)倾斜，从而使桨叶的桨距作每转 一次的周期改变，造成旋翼拉力矢量按相应的方向 倾斜，达到控制直升机的前、后(或左、右)和俯仰 (或横滚)运动。  周期变距操纵杆在结构上必须保证纵向、横向操纵 的独立性 在周期变距操纵杆上 还可根据不同的 的独立性。在周期变距操纵杆上，还可根据不同的 要求，装设各种开关、按钮和把手。

周期变距操纵杆

 随着电传、光传操纵技术的

发展，座舱操纵机构也在向 新型侧杆操纵方式发展，即手操纵杆从驾驶员座位的中 央前方移至座位的右侧，并有可能与总距操纵杆和脚蹬 合而为一。其可能的形式有：  四轴型(俯仰、滚转、航向和升降四种操纵合而为一 俯仰 滚转 航向和升降四种操纵合而为 )；  3(俯仰、滚转和升降)+1(航向)脚蹬型；  3( (俯仰、滚转和航向 俯仰 滚转和航向)+1( ) (升降)总距型； 总距型  2(俯仰和滚转)+1(升降)总距+1(航向)脚蹬型四种。

6.2.3 自动倾斜器

 自动倾斜器又称倾斜盘。把直升机总距杆和 周期变距杆的操纵位移，分别转换成旋翼桨 叶的总距操纵和周期变距操纵的主要操纵机 构 它是直升机操纵系统特有的复杂而重要 构。它是直升机操纵系统特有的复杂而重要 的构件。

旋翼自动倾斜器

自动倾斜器

 自动倾斜器发明于1911年，由于其出现使直升机的复杂 操纵得以实现，现已在所有直升机上应用。其构造形式虽 有多种 但工作原理基本相同 有多种，但工作原理基本相同。一般由与操纵线系相连的 般由与操纵线系相连的 不旋转件和与桨叶变距拉杆相连的旋转件组成。不旋转件 通过径向止推轴承与旋转件相连。由操纵线系输入的操纵 量，经过不旋转件转换成旋转件的上下移动和倾斜运动， 再由旋转件通过与桨叶变距摇臂相连的桨叶变距拉杆去改 变桨叶桨距 使旋翼拉力的大小和方向改变 从而实现直 变桨叶桨距，使旋翼拉力的大小和方向改变，从而实现直 升机的飞行操纵。倾斜盘旋转件的转动由与旋翼桨毂相连 的扭力臂带动。倾斜盘在结构上要保证纵向、横向和总距 操纵的独立性。 操纵的独立性  自动倾斜器常见的构造形式有两种：(1)环式自动倾斜器； (2)蜘蛛式自动倾斜器。前者使用最广泛。 蜘蛛式自动倾斜器 前者使用最广泛

6.3 直升机的操纵原理 6.3.1 旋翼自动倾斜器的操纵

 作动器倾斜盘变距拉杆旋转 环不旋转环  直升机是通过自动倾斜器对 旋翼进行操纵的。自动倾斜 器包括 旋转环 不旋转环 器包括：旋转环﹑不旋转环 ﹑操纵变距拉杆。  直升机的驾驶杆动作时，旋 直升机的驾驶杆动作时 旋 转环和不旋转环一起向前﹑ 后﹑左﹑右倾斜或同时绕水 后 左 右倾斜或同时绕水 平面的任意轴倾斜。

旋转环 变距拉杆

倾斜盘 不旋转环 作动器

桨叶变距操纵机构

 由于旋转环用垂直拉杆同桨叶连接，故自动倾斜器 的旋转环的旋转面倾斜会引起桨叶绕纵轴做周期性 转动（即旋翼每转一周重复一次），这样，每一桨 叶的桨距将进行周期性变化。  垂直飞行，靠改变总距来实施，即同时改变所有桨 叶的迎角来实施。此时所

有桨叶同时增大或减小相 同的迎角，而相应地增大或减小升力，因而直升机 也会相应地进行垂直上升或下降。  总距操纵是由驾驶舱内驾驶员座椅左侧的油门变距 杆控制。

自动倾斜器倾斜时桨距的周期性变化

 在装有多片桨叶的旋翼上,倾斜盘的倾斜引起桨叶桨距变化,它 随旋翼转动而呈正弦变化规律,这种运动(周期变距)引起旋翼拉 力矢量的倾斜。  水平飞行，要使旋翼旋转平面倾斜，靠周期性改变桨距得到的.

φ

10°

0

90

180

270

360°桨叶方位角

旋翼桨毂上产生操纵力矩和剪切力

 在不同旋翼形式的旋翼桨毂上,产生操纵力矩和剪切力的 方法。不同旋翼形式的旋翼系统的横向操纵方法见图:

飞行操纵： 1．拉力矢量倾斜 2．由铰接处的剪切 力而引起的桨毂力矩 矢量倾斜 升力矢量 挥舞

飞行操纵： 1．拉力矢量 倾斜

飞行操纵： 1．拉力矢量倾斜很小 2．由当量铰处的剪切力引起的桨毂力矩 3．由桨叶结构刚度引起的桨毂力矩 由桨叶结构刚度引起的桨毂力矩 升力矢量 矢量倾斜 升力矢量

矢量倾斜

旋翼倾斜角 当量角

铰接式旋翼

万向接头式或 跷跷板式旋翼

无铰式或柔 性铰式旋翼

单旋翼直升机的操纵原理

 旋翼旋转时，每片桨叶受到升力﹑离心力﹑自身重力的作用， 升力使桨叶绕水平铰向上挥舞，重力使桨叶绕水平铰下垂，而 离心力则使桨叶保持水平旋转 在此三力对水平铰形成的力矩 离心力则使桨叶保持水平旋转。在此三力对水平铰形成的力矩 达到平衡时，桨叶保持一个向上的角度(一般约为3～10°)， 形成一个倒立的锥体。  锥角的存在，桨叶上的升力可分解为水平﹑垂直两个分量，各 桨叶升力的水平分量互相平衡，对垂直分量的合力R沿锥体轴 垂直于桨尖旋转平面 若改变气动力R的大小，将会引起直升 垂直于桨尖旋转平面。若改变气动力 的大小 将会引起直升 机的上升﹑下降或悬停。若使锥体倾斜(如图a所示前倾),则气 动力R随之前倾,对直升机构成下俯力矩,使机头下俯。同时，由 于存在R的水平分量Hs，使得直升机向前运动。同理，若使锥 体侧倾(见图b)，直升机将一方面横滚，一方面沿侧向运动。

尾桨功能

 尾桨功能 类型(着舰 着舰、着 着 水装置） 设计参数—尾桨 桨盘载荷、 桨尖速度、 桨叶片数和 实度、扭转、 翼型等。 翼型等

单旋翼直升机操纵原理

 旋翼在发动机驱动下旋转的同时，机体也受到来自旋翼的反作 用力矩（反扭矩）的作用。  该反扭矩被尾桨拉 力对机体构成的力 Hs 矩所平衡(见图c) 飞行轨迹 直升机从而得以沿 一定的航向飞行。 定的航向 （ a） 改变尾桨的拉力大 小即可达到对直

升 机航向的操纵。

R T Ss Twj 重心

G

水平面 旋转方向

（b） G Twj

Ss

反扭矩

（ c）

控制旋翼的方法

 直升机之所以可前飞﹑后飞﹑左右侧飞﹑上 升 下降 悬停 左右转弯，就是通过对旋 升﹑下降﹑悬停﹑左右转弯，就是通过对旋 翼和尾桨的操纵来实现的。控制旋翼的方法 有两种：一种是旋翼桨毂相对构造旋转轴是 活动的，桨毂可任意倾斜（为直接控制常用 于个别小型直升机）。一种是用自动倾斜器， 其桨毂固定在构造旋转轴上，但自动倾斜器 能使桨叶的桨距作周期性变化，从而使气动 力矢量在 定范围内改变方向 为间接控 力矢量在一定范围内改变方向（为间接控 制）。

直升机的操纵

 在对单旋翼直升机旋翼不倾斜时, 即旋翼桨盘(旋翼桨叶旋转形成的 空间形状)竖直向上,此时旋翼升力 与直升机重力同时作用在铅垂线上, 只要操纵总距操纵杆，使旋翼升力 大于直升机重量，直升机就会垂直 上升(见图A)；反之则垂直下降；  当升力与重量相等时，直升机便可悬在空中。若前推周期变距 当升力与重量相等时 直升机便可悬在空中 若前推周期变距 杆，旋翼桨盘就会前倾，其升力的水平分力就会驱动直升机向 前飞行(见图B)；同理，向后拉杆，直升机就会作倒退飞行(见 图C)；向左或向右压杆，直升机则会向左或向右侧飞 向左或向右压杆 直升机则会向左或向右侧飞(见图D)。 蹬脚蹬改变尾桨拉力的大小，便可使直升机绕立轴运动，从而 实现航向操纵(见图E)。

6.3.2 布局形式对旋翼操纵的影响

 对双旋翼直升机（纵列式﹑横列式和共轴式） 的上升和下降 俯仰 偏航 滚转及侧向运 的上升和下降﹑俯仰﹑偏航﹑滚转及侧向运 动，主要靠控制两旋翼自动倾斜器和总距的 协调工作而达到控制目的。 协调工作而达到控制目的

（1）垂直操纵原理

 直升机布局形式对旋翼垂直操纵的影响见图。当提或放总距时, 对单旋翼的拉力T随之增大或减小；对双旋翼的两副旋翼将同时 增大或减小，对纵列式且需满足：TF·LXF=TR·LXR (其中TF,TR 分别为前后旋翼拉力，LXF，LXR分别为前后旋翼轴到直升机重 心的位置)。

桨距增大或减小 两旋翼的桨距同时增大或减小

单旋翼带尾桨

双旋翼纵列式

双旋翼共轴式

双旋翼横列式

（2）纵向操纵原理

 直升机布局形式对旋翼纵向操纵的影响见图。共轴式和横列式 与单旋翼的纵向操纵方式相同，为桨叶锥体前倾。而纵列式应 控制前后旋翼的拉力且需满足：当TF·LXF

桨距减小 桨距增大 桨盘前倾 盘 倾

桨盘前倾

单旋翼带尾桨

双旋翼纵列式

双旋翼共轴式

双

旋翼横列式

（3）横向操纵原理

 直升机布局形式对旋翼横向操纵的影响见图。单旋翼与双旋翼 横向操纵方式相同，将桨叶锥体同时左倾或右倾，将使直升机 向左移动及左滚或向右移动及右滚。而对横列式应控制左右旋 翼的拉力，也能达到横向操纵的目的。

桨盘侧倾

单旋翼带尾桨

双旋翼纵列式

双旋翼共轴式

双旋翼横列式

（4）航向操纵原理

 直升机布局形式对旋翼航向操纵的影响见图。单旋翼直升机是 靠尾桨的拉力变化进行航向操纵的。而双旋翼直升机是靠两副 旋翼的桨盘倾侧不同或转速不同来达到航向操纵的。

前桨盘右倾后桨盘左倾=机头右转 前桨盘左倾后桨盘右倾=机头左转

尾桨距增大或减小

上下旋翼转速不同 则扭矩变化

左右旋翼前后倾不同， 则机头左或右转

单旋翼带尾桨

双旋翼纵列式

双旋翼共轴式

双旋翼横列式

（5）旋翼扭矩平衡操纵原理

 直升机布局形式对旋翼扭矩平衡操纵的影响见图。单旋翼直升 机旋翼的反扭矩是靠尾桨的拉力对直升机的重心的力矩来平衡。 而双旋翼直升机是靠两副旋翼的旋转方向相反来达到平衡。

尾桨的拉力对直升机 的重心的力矩

单旋翼带尾桨

双旋翼纵列式

双旋翼共轴式

双旋翼横列式

飞行控制（操纵）系统

 在飞行过程中，利用机械操纵或自动控制系统， 对直升机飞行姿态和运动参数进行控制的系统。 该系统可用来保证直升机的稳定性和操纵性， 提高完成任务的能力与飞行品质、增强飞行安 全及减轻飞行员工作负荷。 全及减轻飞行员工作负荷  人工飞行控制系统，控制指令由驾驶员发出， 包括通过机械装置如驾驶杆发出控制（操纵） 指令。  自动飞行控制系统，自动或半自动控制，协助 自动飞行控制系统 自动或半自动控制 协助 驾驶员对直升机进行控制或对扰动做出响应， 如自动驾驶仪等。 如自动驾驶仪等

飞行控制（操纵）系统（续）

 机械 机械飞行操纵 行操纵 系统 组成 总距操纵 组成：总距操纵 杆、周期变距 操纵杆、脚蹬、 增稳系统 功能：(见操纵 功能 原理） 不同构型直升机 的操纵

飞行控制（操纵）系统（续）

飞行控制（操纵）系统（续）

飞行控制（操纵）系统（续）

 自动飞行控 制系统