分享学习的直升机飞行控制原理——贝尔-希拉控制系统

一直对直升机飞行的原理很好奇，看似旋转的旋翼产生升力是很简单的，通过网络学习了一下相关知识，发现是非常复杂的，以下是摘抄的一部分，和新手们分享一下，欢迎老手们给我们更多的介绍阿：
   我们来看一看模型直升机是如何飞行的。模型直升机飞行主要是靠力的合成与分解，直升机停悬时升力等於重力，当操纵模型直升机前进时原来的升力倾斜分成垂直和水平两分力，水平分力使直升机前进，垂直分力抵消重力使直升机不下坠，但原来的升力分为水平和垂直两分力後，垂直分力必小於重力，使直升机往下掉，所以必须加大垂直分力，这也是推降舵前进时加一点油门使直升机不下坠的原因 。其他如後退、横移也都是同一个道理，只是方向不同罢了。尾旋翼的功用是抵消主旋翼的反扭并用来改变机身的方向。
挤爆胶囊    直升机又如何使垂直升力倾斜而分成水平和垂直分力？整个主旋回转面要产生升力差使旋翼面倾斜，旋翼面倾斜原来的垂直升力就分为水平和垂直分力了。主旋翼回转面要如何产生升力差？改变旋翼攻角。以前进为例，主旋翼转到在 3 点和 9 点钟方向没有升力差产生，一过 3 点和 9 点钟方向升力差开始产生，随著旋翼转动，升力差渐渐加大，在 6 点和 12 点钟方向产生最大升力差後再渐渐减小，直到 3 点和 6 点钟方向，升力差为零 (如下图) 。如此转一圈一周期，以 1500 rpm 转速为例，一分钟重复上述升力差变 1500 次。
    可见打舵时，主旋翼攻角是不断的在改变。舵打得大，升力差也就越大，旋翼攻角改变如下图所示是呈一函数图形，各位如果仍看不懂，拿出直升机，十字盘打个角度，旋翼转转看就知了。主旋翼又如何快速改变攻角？这不得不配服直升机发明人者的巧思，透过复杂的连动机构，运用陀螺效应，达到攻角变化周期化的目的 。
   直升机的控制方式分如下几种：
   1.贝尔方式
    贝尔方式大多使用在真实的直升机，其特性是动作控制较直接，小动作较灵敏但无法从事大动作飞行，也就是小舵灵敏，大舵迟钝。特徵是没有稳定翼片，只有一对配重，有的更连平衡配重都没有，以旋翼头的减震橡皮轴承取代，像实机的飞狼 ( 贝尔 222 ) 就是。     2.希拉方式     希拉方式和贝尔方式的特性相反，大舵灵敏适合大动作飞行，应用在R/C瓜子烘干机直升机，只是现在很少有单纯的希拉控制方式的 R/C 直升机， 希拉控制方式的 R/C 直升机特徵是有一对平衡翼片。平衡翼主要是作为伺服机和主旋翼间的一个中介，以伺服机拉动平衡翼，再以平衡翼拉动主旋翼，达到四两拨千斤之效。     3.贝尔.希拉混合式     撷取贝尔式和希拉式的优点混合而成，只有 R/C 直升机采用，其控制流程如下：
    当打降舵时，整个旋翼控制分为下面两道流程同时进行：
女儿墙泛水    贝尔效应流程
    打降舵 >> 十字盘前倾 >> 漏缝板生产线剪型臂衰减舵量 >> 主旋翼攻角差在 3 点和 9 点钟方向达最大值 >> 主旋翼最大升力差反应力出现在 6 点和 12 点钟方向 ( 陀螺效应，延後90度 ) >>旋转密封件主旋翼回转面向前倾 >> 前进力。
    希拉效应流程
    打降舵 >> 十字盘前倾 >> 平衡翼攻角差在 3 点和 9 点钟方向达最大值 >> 平衡翼最大升力差反应力出现在 6 点和 12 点钟方向 ( 陀螺效应，延後 90 度 ) >> 平衡翼回转面向前倾 >> 拉动主旋翼攻角差在 3 点和 9 点钟方向达最大值 >> 主旋翼最大升力差反应力出现在 6 点和 12 点钟方向 ( 陀螺效应，延後 90 度 ) >> 主旋翼回转面向前倾 >> 前进力。

以上内容摘自《无线电遥控模型直升机完全手册》www.w-model/zhuye/kehubu/mxzsjsc/

   下面详细看一下贝尔-希拉的操纵方式：
   首先说一下陀螺效应, 所谓陀螺效应，就是旋转着的物体具有像陀螺一样的效应。陀螺有两个特点：进动性和定轴性。当高速旋转的陀螺遇到外力时，它的轴的方向是不会随着外力的方向发生改变的，而是轴围绕着一个定点进动。大家如果玩过陀螺就会知道，陀螺在地上旋转时轴会不断地扭动，这就是进动(不考虑章动)。以下是陀螺效应的示意 图,
   在上图中，圆盘是陀螺。L是圆盘的角动量，高速转动的陀螺在受到F后，整个陀螺以X轴为转轴转动而不是以Y轴为转轴。这就是神奇的陀螺效应。这种效应一直伴随着直升机的飞行。例如：要使直升机仰俯，就必须要使直升机左右的升力不平衡而不是使其前后不平衡。基于这种原理我们下面就来解释遥控直升机的所谓贝尔-希拉操纵方式。
   说起贝尔-希拉，同好们映像最深的一定是那对“希拉”小翼。这是遥控直升机唯一区别于真飞机的地方。那么这对小翼的作用究竟是什么呢？她所带来的好处是什么？下面就听我细细说来。
   在I中，我们已经看到陀螺效应的基本原理。在遥控直升机中，主旋翼就是一个大陀螺，它本身具有陀螺效应。当我们改变主旋翼倾角时，直升机的运动状态就会发生改变。但同时，如果用舵机直接改变主旋翼的倾角来控制飞机，问题是很多的。首先，主旋翼倾角的改变需要较大的力矩。如果用十字盘直接控制的话，强大的、交变的力矩将会直接作用到舵机上。这样舵机将会受到很大负荷，操纵精度会严重下降。第二，当直升机受到轻微扰动后，由于陀螺的进动性，直升机将不会恢复原来状态，而是绕着垂线方向进动（如图）。



图   如图，由于重力不通过旋翼头中心，所以造成力矩的产生，从而导致主旋翼发生进动。这个问题是严重的，会直接导致遥控直升机悬停及飞行时无法稳定。基于以上问题，贝尔-希拉操纵方式产生了。
操纵过程是这样的：
一、初始状态

   希拉小翼由于空气和离心力作用，和主旋翼平面平行。此时两片主旋翼升力相等，飞行状态不发生变化
二、操纵时

   上图为同一个视角，主旋翼转动到不同角度时的状态。在图I中，操纵者将十字盘倾斜。希拉小翼就与空气呈10°倾角。由于空气的作用，希拉小翼在图I位置受力。由于陀螺效应，希拉小翼不会在图I位置立即上抬，而是在转过90°后在上图II位置上抬。

于是希拉小翼旋转平面与主旋翼平面呈10°夹角并稳定于此。
 氢化松香  在图II中，我们清晰地看见，由于希拉小翼通过连杆控制着主旋翼的倾角，所以希拉小翼旋转平面的改变导致了主旋翼与空气产生夹角。从而使主旋翼在图II位置受力。由于陀螺效应，主旋翼不会在图II位置立即上抬，而是在转过90°后在图I位置上抬。从而使得主旋翼平面趋于平行于希拉小翼。
   至此，遥控直升机主旋翼平面的倾转过程已经分析完毕。我们看到，遥控直升机的倾转总是希拉小翼旋转平面先倾转，主旋翼平面跟上趋于平行的过程。有意思的是，在这一过程中主旋翼操纵的负荷被希拉小翼完全承担。舵机只需承担操纵希拉小翼的负荷。这就有效地化解了一般操纵方式舵机负荷过重的问题。


以上内容摘自博客hi.baidu/johnsonws/blog/item/af9719fb37c3939058ee90e6.html