第1章直升機1.1直升機的發展直升機是20世紀航空技術極具特色的創造之一，極大拓展了飛行器的應用范圍，可用在多個領域，它有許多其他飛行器難以辦到或不可能辦到的優勢，因此受到廣泛應用。中國的竹蜻蜓被公認是直升機發展史的起點。有人認為，中國在公元前400年就有了竹蜻蜓，另一種比較保守的估計是在明代。這種叫竹蜻蜓的民間玩具，一直流傳至今。而在歐洲，達芬奇的直升機草圖為現代直升機的發明提供了啟示。《簡明不列顛百科全書》第9卷寫道:“直升機是人類最早的飛行設想之一，多年來人們一直相信最早提出這一想法的是達?芬奇，但現在都知道，中國人比中世紀的歐洲人更早做出了直升機玩具。”《大英百科全書》記載道:這種稱為“中國陀螺”的“直升機玩具”在15世紀中葉，也就是在達芬奇繪制帶螺絲旋翼的直升機設計圖之前，就已經傳入了歐洲。現代直升機盡管比竹蜻蜓復雜千萬倍，但其飛行原理卻與竹蜻蜓是相似的。現代直升機的旋翼就好像竹蜻蜓的葉片，旋翼軸就像竹蜻蜓的那根細竹棍兒，帶動旋翼的發動機就好像我們用力搓竹棍兒的雙手。當旋翼轉動時，會產生一個向上的升力，當這個升力足夠大時，就會帶動竹蜻蜓或者直升機飛起來。1.2直升機的升力升力，就是向上的力。一般指在空氣中，向上的力大于向下的力，其合力可以使物體上升，這個合力就是升力。直升機的升力是如何產生的?首先我們做一個實驗:在兩張紙之間吹氣，觀察實驗現象。流體力學小實驗通過實驗你會發現，當我們在兩張紙之間吹氣的時候，兩張紙并沒有向兩邊散開，而是會向里吸合。這是因為當我們向兩張紙之間吹氣的時候，紙間的空氣流動速度快，空氣稀薄，產生的壓力就小；而紙外兩側的空氣基本沒有流動，所以空氣密度大，這樣產生的氣壓也就大。外側氣壓力大于內側氣壓，所以兩張紙張就向里吸合。直升飛機的升力也和空氣的這種壓力有關，我們觀察一下直升飛機旋翼的槳葉，這是一種兩邊薄、中間厚的長條。之前我們說過直升機旋翼的槳葉和竹蜻蜓的葉片與頂面都是有一定角度的，所以當旋翼轉動時，上方的空氣流動速度快，產生的氣壓小，而下方的空氣流動速度慢，產生的氣壓大。槳葉上下面之間就由氣壓差產生了向上的托舉力，這個就是飛機的直升機能在空中進行各種姿態的飛行，都是由主旋翼（螺旋槳）旋轉產生的升力并操縱其大小和方向來實現的。升力大于重量時，就上升，反之，就下降。平衡時，就懸停在空中。直升機的升力大小，不但決定于旋翼的轉速，而且決定于旋翼的安裝角（又稱槳葉角）。升力隨著轉速.槳葉角的增大而增大；隨著轉速.槳葉角的減小而減小。直升機在飛行時，槳葉在轉每一圈的過程中，槳葉角都是不同的；而且，每片槳葉的槳葉角也是不同的。這才使直升機能夠前、后仰，左、右傾，完成各種姿態。直升機尾旋翼的轉速和槳葉角的變化同主旋翼原理相同，控制直升機的左轉彎、右轉彎和直飛。不管天空有風無風，直升機要穩定飛行，不變航向，也要靠穩定陀螺儀控制尾旋翼來完成。制作直升機主要由機體和升力（旋翼和尾槳）、動力、傳動三大系統以及機載飛行設備等組成。旋翼一般由動力（發動機）通過由傳動軸及變速裝置等組成的機械傳動系統來驅動。下面我們來制作一個直升機。這里我們制作的直升飛機沒有這么復雜，甚至可能都飛不起來，不過我們可以通過這個制作體會一下直升機的幾個組成部分，如果旋翼合適的話，還能夠在直升飛機底部感到向上的升力。制作機體，飛機機體主要是一個外觀框架，我們要考慮之后旋翼旋轉軸的安裝位置以及動力、傳動機構的安裝。安裝馬達，馬達是提供動力的裝置，我們將其安裝在直升飛機的中間位置。搭建傳動系統，這個傳動系統是一個加速齒輪裝置，能夠將電機的轉速放大，以提供足夠的升力。安裝旋翼，這里旋翼包含了多個外觀一樣的槳葉，且槳葉并不在同一個平面，它們相互之間是有一點的角度的。注意:槳葉之間與平面的角度是同向固定的，這樣所有槳葉產生的升力才是往一個方向的。安裝尾槳，尾槳因為其安裝在直升機尾部而得名，在實際的直升機上尾槳的作用是抵消旋翼轉動時引起的直升機本身的自傳。不過這里因為我們的直升機不會真的飛起來，所以只是一個裝飾性的部分。制作一個像是小號的旋翼安裝在直升機尾部即可。6.連接控制器（含電池）。控制器（含電池）作為電源驅動馬達轉動。當旋翼旋轉的時候會產生一個垂直的力，不過這個力的方向是由旋翼旋轉的方向決定的。3倍4倍

10倍

3倍

5、4倍5倍3、4倍

7倍

10倍

3倍

流體力學像氣流作用在直升機槳葉上的這種情況，我們將研究流體本身的靜止狀態和運動狀態以及流體和固體界壁間有相對運動時的相互作用和流動規律的力學分支稱為流體力學。流體力學是在人類同自然界作斗爭和生產實踐中逐步發展起來的。中國有大禹治水疏通江河的傳說。秦朝李冰父子（公元前3世紀）領導勞動人民修建了都江堰，至今還在發揮作用。大約與此同時，羅馬人建成了大規模的供水管道系統。對流體力學學科的形成作出貢獻的首先是占希臘的阿基米德。他建立了包括物體浮力定理和浮體穩定性在內的液體平衡理論，奠定了流體靜力學的基礎。此后千余年間，流體力學沒有重大發展。直到15世紀意大利達?芬奇的著作才談到水波、管流、水力機械、鳥的飛翔原理等問題。17世紀，帕斯卡闡明了靜止流體中壓力的概念。但流體力學尤其是流體動力學作為一門嚴密的科學，卻是隨著經典力學建立了速度、加速度，力、流場等概念，以及質量、動量、能量三個守恒定律的奠定之后才逐步形成的。1726年，伯努利通過無數次實驗，發現了“邊界層表面效應”，即流體速度加快時，物體與流體接觸的界面上的壓力會減小，反之壓力會增加。為紀念這位科學家的貢獻，這一發現被稱為“伯努利定理”。伯努利定理適用于包括氣體在內的一切流體，是流體作穩定流動時的基本現象之一，反映出流體的壓強與流速的關系，即在一個流體系統中，比如氣流、水流中，流速越快，流體產生的壓力就越小。空氣動力學空氣動力學是流體力學的一個分支，主要研究飛行器或其他物體在同空氣或其他氣體作相對運動情況下的受力特性、氣體的流動規律和伴隨發生的物理化學變化。它是在流體力學的基礎上，隨著航空工業和噴氣推進技術的發展而成長起來的一個學科。20世紀初，飛機的出現極大地促進了空氣動力學的發展。航空事業的發展，期望能夠揭示飛行器周圍的壓力分布、飛行器的受力狀況和阻力等問題，這就促進了流體力學在實驗和理論分析方面的發展。以茹科夫斯基、恰普雷金、普朗特等為代表的科學家，開創了以無粘不可壓縮流體位勢流理論為基礎的機翼理論，闡明了機翼怎樣會受到舉力，從而使空氣能把很重的飛機托上天空。機翼理論的正確性，使人們重新認識無粘流體的理論，肯定了它指導工程設計的重大意義。機翼理論和邊界層理論的建立和發展是流體力學的一次重大進展，它使無粘流體理論同粘性流體的邊界層理論很好地結合起來。隨著汽輪機的完善和飛機飛行速度提高到每秒50米以上，又迅速擴展了從19世紀就開始的，對空氣密度變化效應的實驗和理論研究，為高速飛行提供了理論指導。20世紀40年代以后，由于噴氣推進和火箭技術的應用，飛行器速度超過聲速，進而實現了航天飛行，使氣體高速流