从竹蜻蜓玩具到各式各样的直升机

竹蜻蜓作为一种传统的儿童玩具，是不少80、90甚至00后的童年记忆，它起源于中国古代并流传至今，早在晋朝时期葛洪所著的《抱朴子》一书中就出现了类似关于竹蜻蜓的记载。竹蜻蜓玩具手工制作简单，由竹柄和类似蜻蜓“翅膀”的叶片组成，双手搓动竹柄向上松手放飞，竹蜻蜓就能旋转着飞向空中。

虽然竹蜻蜓是因为它叶片的形状类似蜻蜓翅膀而得名，但不同于蜻蜓扑动翅膀的扑翼飞行原理，竹蜻蜓则采用的是旋翼飞行原理。竹蜻蜓的叶片与旋转平面之间有一个倾角，当叶片旋转时，旋翼向下排压空气，形成旋翼尾流，并同时从上方吸入空气（见图1）。气流受到旋翼作用力，被加速、增压，同时也会对旋翼施加一股向上的反作用力，即是旋翼拉力。当拉力大于竹蜻蜓自身的重力时，竹蜻蜓就能向上飞起来了。

图1 旋翼拉力产生的原理

竹蜻蜓所采用的旋翼飞行原理给直升机的发明和研制带来了创造灵感，在上世纪三四十年代，西科斯基发明了世界上第一架直升机VS－300并成功试飞，其提出的单旋翼带尾桨构型也是现代直升机最常用的气动布局形式。直升机（旋翼）本质上是一种不同于飞机（固定翼）的飞行器，它实现升力、推进和操纵的原理和形式都与飞机差异很大。直升机具备独有的垂直起降、空中悬停和良好的机动能力，能够在地形复杂的环境进行起降和低空飞行，在军事和民用领域都有着固定翼飞机不可替代的作用，广泛应用在武装攻击、反潜、战场救援、运输、救护救灾、护林灭火、设备吊装等领域。

图2 直升机的多种使用场景

旋翼既是直升机的主升力面，也是最主要的操纵面，同时还承担着推进器的作用。旋翼可以产生向上的拉力来克服直升机自身的重力，也能产生向前的水平分力使直升机向前飞行，还能产生其它分力及力矩保持直升机平衡或进行机动飞行；如果发动机空中停车，依靠旋翼自身的惯性能自转下滑，确保直升机安全着落。目前直升机的构型以单旋翼带尾桨直升机和双旋翼直升机为主。由于旋翼旋转产生的反扭矩作用会使直升机向与旋翼旋转的相反方向转动，为保持直升机的航向稳定，通过在单旋翼直升机的尾部加装尾桨或者采用反向旋转的双旋翼来抵消这种反扭矩作用。

在直升机家族中最常见的就是单旋翼带尾桨构型的直升机（图3），我国的直－8、直－9、直－10和直－20等直升机都采用这种布局形式。双旋翼构型的直升机包括有共轴式双旋翼直升机、横列式双旋翼直升机和纵列式双旋翼直升机（图4）。随着直升机向高速、高空、多用途、多形式等方向发展，目前以共轴刚性旋翼加装尾部推力螺旋桨和倾转式双旋翼等布局形式的新型复合式直升机也应运而生（图5）。

图3 单旋翼带尾桨构型直升机

图4 双旋翼构型直升机

图5 复合式构型直升机

扶摇直上，无所不达，正如著名直升机专家、中国直升机泰斗王适存教授所描绘的愿景——“竹蜻蜓光耀万代，直升机飞遍全球”，相信随着科技的进步，未来直升机家族会越来越庞大。（文／孙岩 图／孙岩）