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——直升机降落需要注意安全问题——
  
    直升机相比起其它航空飞机最大的特点就是可以垂直降落,也就是说直升机可以不需要助跑,没有跑道也能完成降落活动,按理说应该是很安全的,但这并不表示直升机降落就一定不会发生问题,尤其对于军用直升机,面对突发情况更容易出现降落安全事故。

    2011 年 5 月 1 日精锐的美国海军海豹突击队长途奔袭阿伯塔巴德击毙本拉登时,一架神秘的直升机在降落中失事,幸好无人因此伤亡,但留下的残骸引起关注航空技术的人们一阵不大不小的惊讶。不久后的 8 月 6 日,一架运载 22 名美军特种部队和 7 名阿富汗特种部队人员的 CH-47 直升机被塔利班的火箭筒击中,机上人员全部丧生。火箭筒的对空射程十分有限,所以这架 CH-47 应该在很低的超低空,但依然没有做到在被击中之后争取时间安全降落。这些由最老练的直升机飞行员驾驶的直升机也难逃失事的厄运,凸显了直升机特有的降落安全问题。

    直升机的奥妙全在于那个旋翼。旋翼旋转时,形状像一个倒立的伞,旋翼桨叶叶尖划过的途径构成伞沿,伞沿构成盘面的轴向指向旋翼的出力方向。水平旋转时,旋翼产生的是纯升力;前倾旋转时,旋翼出力的垂直分量构成升力,水平分量则构成推力,所以直升机的旋翼同时产生升力和推力,旋转盘面的前倾角度决定了旋翼出力在升力和推力之间的分配。直升机的爬升、下降和前行是旋翼的出力和盘面角度综合控制的结果。直升机的基本飞行控制是总距和周期距,总距用于控制旋翼在盘面方向上的出力,周期距则用于旋翼盘面的倾斜角度,包括前倾、后倾和侧倾,用于实现前飞、倒飞和侧飞。直升机控制还包括蹬舵,用于控制尾桨的反扭力。

    旋翼旋转时,形状像一个倒立的伞

    没有一定的反扭力措施,直升机就要打转转 / 尾桨是抵消反扭力的最常见的方法

    在空中飞行的时候,直升机是一个可以三维转动的物体,转动中心位于重心,一般位于机体的下半部。旋翼盘面的出力轴线通过重心时,飞机稳定飞行;出力轴线不通过重心时,力臂就造成滚转,滚转方向和滚转速度由旋翼盘面轴线偏离重心的相对位置而定。另外,旋翼盘面倾斜时,产生的升力随倾斜角度而变化。在机动动作期间,直升机的燃油消耗相对于总重可以忽略不计,所以重量是不变的,而机动动作期间,旋翼盘面的角度在不断变化,旋翼出力的垂直分量随之在变,所以为了保持高度,必须保持升力和重力相等,总距和周期距在机动飞行期间需要协调控制,两者都是控制直升机机动的主要手段。

    旋翼倾斜,造成升力的作用力轴线倾斜,由于作用力轴线不再通过重心,造成扭转力矩,使飞机向旋翼倾斜方向滚转,直到作用力轴线重又通过重心,恢复平衡

    典型直升机采用单旋翼加单尾桨,串列或同轴双旋翼、无尾桨、倾转旋翼、刚性旋翼等其他形式的直升机也有使用,情况更加复杂,不在本文讨论范围之内。

    就降落动作而言,在正常情况下,直升机在空中减速接近降落场,进入悬停后,平滑地减小总距,垂直下降,轻缓接地,然后继续平滑地减小总距,直至在地面停稳,然后可以彻底收油门,准备关发动机。如果天气无风,地面平整且水平,直升机垂直降落并不复杂。但在战斗中,不是总能挑选天气、地面的条件的,还不能气定神闲地降落,甚至可能遇到直升机受到战损的情况,这时挑战就来了。

    在敌人火力下突击机降,通常采用高速进入,然后急停速降,尽量减少在敌人火力下暴露的时间。在进入时,一般猛拉周期距,使直升机像眼镜蛇一样高高扬起,同时适当收一点总距,开始下降。直升机拉起的姿态导致很大的阻力,旋翼盘面后倾则产生向前的推力,进一步强化减速过程。急停完成的同时应该正好进入悬停,然后改平下降,直至接地。急停和悬停转折的高度不应该太高,否则从悬停到接地的时间较长,增加暴露在敌人火力下的时间。但如果高度过低,在机头拉起的同时,尾桨下垂,有可能触地,就要发生事故。

    尾桨触地的危险毕竟还比较直观,但直升机在陡直速降过程中,还有另一个更加凶险但并不直观的问题:涡流环。旋翼靠旋转产生升力,但桨叶靠近圆心处的线速度低,靠近叶尖处的线速度高,所以旋翼产生的升力不是沿径向均匀分布的,而是中间小,周边大。这也可以用旋翼产生的压力分布来表示,向下的压力可以等同于向上的升力,旋翼的压力分布就是像曾经流行的蛤蟆墨镜的形状,两端下垂,中间扁平,也就是边缘处压力大,圆心处不产生压力。在直升机下降过程中,旋翼盘面承受向下运动的阻力,旋翼边缘继续产生足够的升力,可以克服阻力,气流继续向下运动;但旋翼中心本来就不产生什么升力,此时在阻力作用下形成圆心处局部空气向上流动的现象,造成严重升力损失,这就是涡流环。

    在下降速度不高的情况下,涡流环导致的升力损失问题不大;但高速下降时,涡流环急剧恶化,导致升力迅速下降。更加糟糕的是,此时急剧增加总距实际上加速涡流环的恶化。这好比汽车轮子在泥泞地里陷住了一样,拼命加大马力,只有陷得更深。汽车轮子陷住了只是狼狈一点,直升机在不可控高速下降时旋翼“打滑”,那就不是狼狈的问题了。在下降过快最需要加大升力以阻止不可控下降的时候,急剧增加总距反而使下降加速,这种违反直觉的现象非常容易导致失事。美国 V-22 倾转旋翼直升机在试飞阶段两次非常引人注目的坠毁就是由于涡流环。涡流环问题在旋翼直径较小、转速较快的时候更容易发生,但直径较小、转速较快的旋翼的重量较小,阻力较小,适合于高速飞行,这是一对很难调和的矛盾。V-22 的倾转旋翼恰恰直径较小、转速较快,但在现有翼展的情况下,旋翼直径已经到了极限;进一步增加翼展的话,不仅增加阻力和重量,也使得机翼平转后不超过机体长度的要求不再可能得到满足,超过美国现有两栖攻击舰的升降机尺寸。看来 V-22 是注定要“一辈子”忍受涡流环的痛苦了,只有在敌前机降的时候“小心轻放”,避免涡流环造成事故。

    像汽车陷进泥泞一样,如果刚陷进一点,还陷得不深,加大油门一下子就冲出去了。刚进入浅度涡流环的情况也是一样,增加总距可以冲出去。但如果已经进入深度涡流环,反而应该收一点总距,同时压低周期距,增加前进速度,可以改出涡流环。前进速度使旋翼的压力分布有所变形,把前进一侧的蛤蟆镜片向旋翼圆心方向挤压,填补圆心处的低压区,改出涡流环状态。事实上,当前进速度足够快的时候,或者在下滑角度小于 30 度的时候,涡流环现象可以避免。

    人们对直升机降落安全的信心在很大程度上来自于直升机在危急时刻依然保持的自旋降落能力。自旋是直升机发动机失去动力时,旋翼进入风车状态的情况。自旋状态下的旋翼依然可以产生一定的升力,这自旋状态下的直升机在本质上和滑翔状态的固定翼飞机相似,存在安全降落的可能,但远非轻而易举。如果没有前进速度,单靠重力下落,旋翼也能产生自旋,但这点自旋不足以使下落的速度减慢到足以安全降落的程度,通常需要结合前进速度的动能加上起始高度的位能才能转换为足够的驱动旋翼的转动能量,使下降速度降低到安全的程度。在发动机正常出力的情况下,桨距可以按速度和升力要求放在较大的位置。在发动机故障而失去动力的时候,首先要降低总距,减小桨距,才能保持或者增加旋翼自旋转速,赢得足够的旋翼转动能量,否则有可能在 10 秒钟内就导致旋翼停转。这容易理解,在极端情况下,风车叶片完全平行于风向时,也就是说,桨距达到最大,叶片完全“顺着”风向,这时风力并不能驱动风车。另一个极端情况是桨距达到最小,风车叶片完全垂直于风向时,风力只是撼动风车,也不能使其转动。一旦发动机故障,飞行员应该立即减小桨距,建立稳定的自旋,下一步就可以进入自旋降落了。

    如果有一定的前进速度,应该采用相对较小的角度进入,在适当的时候拉起机头,使旋翼盘面对准下滑方向,将更多的动能转化为旋翼的转动能量,并消耗掉过多的前进速度,然后改平,尽量轻缓地降落,同时减少接地后向前的滚动。如果没有足够的前进速度,自旋下降就主要依靠下降过程中的位能转化为旋翼的转动能量了。如果这点能量不足以把下降速度降低到安全限度以下,那就只有自祈多福了。在实战中,如果是发动机被击中后被迫自旋降落,通常是在低空低速甚至悬停的时候,所以到了需要靠自旋降落救命的时候,并不一定能够救命。非战斗条件下起始速度和高度可能更有利于自旋降落,成功率要大幅提高。

    由于现代军用直升机都有很强悍的抗损设计,除非发动机被直接命中而立即解体,即使丧失全部润滑油甚至部分机件损坏,都有可能坚持运转最关键的几十秒钟甚至几分钟,足够坚持到安全降落,而不需要依赖自旋降落。在实战中,尾桨被击中其实是更大的危险。即使不受到战损,尾桨在机尾的最后端,远离飞行员的观察视线,在拥挤的降落场上,很容易由于疏忽而撞上障碍物。低空强烈阵风或者附近直升机起落时卷起的强烈气流也可能使尾桨失控偏离,发生碰撞。更糟糕的是,在貌似正常的飞行中,也可能出现尾桨失效的情况。
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