漫谈直升机的降落安全问题

晨枫 · 发表于 2011-12-19 07:45:49

直升机是可以垂直起飞、降落的飞机。既然是飞机，最大的问题不是飞不起来，而是飞起来后无法安全降落。但直升机可以垂直降落，不需要跑道，在危急情况下，赶紧找一个地方降落下来，即使在丧失动力的最坏情况下，也可以自旋降落，为什么还会有降落安全问题呢？事实上，直升机非但有降落安全问题，问题还不小。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。

直升机的奥秘全在于那个旋翼。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。

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。

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，飞行员应该立刻减小桨距，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刻解体，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。

从上往下看的话，美英的直升机旋翼是逆时针方向旋转的，法俄直升机则是顺时针方向旋转的。这只是技术传统的差别，没有优劣之争。为了方便起见，以下讨论都以美英直升机为例，法俄直升机只要把左右颠倒一下，讨论完全适用。

旋翼旋转时，在旋翼的上下方都形成旋转的气流。在10-30节速度前飞右转的时候，或者在风向来自左前方约60度的时候悬停右转，尾桨将进入旋翼气流冲刷区，强化了尾桨的反扭力作用。为了保持航向，尾桨出力应该适当减小。但继续右转时，尾桨离开旋翼气流冲刷区，反扭力作用急剧下降，如果不及时补偿，会马上造成直升机突然急速右转。对于飞行员来说，直升机好像首先在很迟疑地右转，需要减小反扭力才勉强使其右转，然后右转突然加速，需要大大增加反扭力，在操作上很不自然。相对来说，左转动作就很自然。这种左右不对称的操作很容易导致飞行员操作失误，造成事故。有趣的是，美国航母的舰桥从“兰利”号时代就采用右岛设计，直升机从左舷进入和离去，起飞后迅速飞离或者降落出现意外时加速左转复飞的动作比右转更容易。航母先于直升机出现，或许这是美英直升机采用逆时针转动的原因。

另一方面，如果悬停或者低速飞行时是背风，尾桨和尾撑好比风向标的尾羽，不很强烈的背风都容易使机尾被吹向一侧，风向在正后方左右60度范围内影响最大。完全正后方的背风当然没有影响，但风向略微偏离正后方，就有影响，而且尾桨和尾撑被吹向一侧要加大投影面积，进一步强化背风的作用。如果吹向右侧（机头指向向左），还可以用降低尾桨出力来补偿；如果吹向左侧（机头指向向右），就要看发动机是否还有余力提供额外的反扭力了。在重载悬停的时候，发动机出力已经达到最大，尾桨不一定有余力提供额外的反扭力，无地效背风低速右转弯是更糟糕的组合，很容易进入不可控的迅速右偏。空气密度较低和重载是等效的，阿布塔巴德突袭的时候，据说天气预测不够精确，空气密度预报偏离了一点，导致重载的直升机操作乏力，可能是神秘直升机失事的原因之一。顶风悬停则没有这个问题，高速前飞也没有这个问题，尾桨和尾撑顺着风向，是自然稳定的。

直升机无控右偏是发动机扭力无法得到补偿造成的，降低发动机出力是根本的解决办法。在高度和速度容许的情况下，牺牲高度，增加速度，可以改出尾桨失效状态，如果做不到，最极端的办法就是自旋降落。

但这些都是在开阔、平坦降落场的情况，如果地面不平，在山坡上降落，或者降落时有侧滑导致右侧机轮或者雪橇首先接地，问题更加复杂，最主要是机身侧向滚转的支点从重心转移到首先接地的机轮或者雪橇了。旋翼盘面指向、直升机是否水平、地面坡度都使问题大大复杂化。

在一侧机轮或雪橇首先接地的情况下，重力和旋翼升力的滚转力臂都不再以重心为支点，而以首先接地的机轮或者雪橇为支点。如果机身向首先接地的一侧倾斜，重力的力臂将长于旋翼升力的力臂，所以周期距对滚转控制的效率相比于空中自由飞行时急剧下降，接地瞬间这种控制效果的急剧变化好像汽车从硬质路面开到深厚积雪的瞬间突然转向不灵一样。如果是右侧机轮或者雪橇首先接地，尾桨的推力方向有把机身向右方推动的自然趋向，进一步恶化了稳定性问题。来自左面的侧风、重载降落以至于缺乏额外升力用于克服滚转倾向、装载不均匀导致重心向右偏移都使一旦发生侧滚更难恢复。装载不均匀实际上是一个很大的问题，机身倾斜的时候，机内燃油会在重力作用下向一侧流动，即使舱内人员、货物装载均匀，燃油重量的不对称也可能造成重心的不利偏移。

由于首先接地的机轮或雪橇是滚转支点，旋翼出力轴线落在机轮或雪橇的外侧还是内侧就十分重要。如果旋翼出力轴线落在机轮或雪橇的内侧，降低总距、减少升力可以抑制向外的滚转趋势，最后使直升机的两侧机轮或雪橇都可靠接地。如果旋翼出力轴线落在机轮或雪橇的外侧，则必须增加总距，把直升机推回到旋翼出力轴线落在内侧的情况，然后才降低总距，继续完成降落的过程。如果判断错误，应该增加总距的时候降低总距，或者应该降低总距的时候反而增加，都会导致直升机迅速向外侧滚，接下来就是旋翼触地的悲剧。

旋翼出力轴线问题不仅降落时要小心，起飞时也要小心。如果一侧机轮或雪橇首先离地，需要平缓、小心地继续升起，直到两侧机轮或雪橇都离地后，才可以放心大胆地增加总距，加速爬高离去。如果一侧机轮或雪橇还在地面，过早地大幅度增加总距的话，可能在升力还不足以使两侧机轮或雪橇都离地，但侧滚力矩急速增加，其结果是直升机以尚在地面的机轮或雪橇为支点侧滚，造成事故。在背风右转起飞时，尤其容易发生这样的事故。强烈左侧风的情况和右侧机轮或雪橇单侧着地的情况相当，也要小心谨慎，不要过早急剧增加总距，极端情况下甚至可能无法安全起飞。

在强烈侧风下或者坡地上降落的话，动作轻缓、稳健、果断、及时十分重要。在接地瞬间，滚动中心从重心转移到首先接地的机轮或雪橇，侧滚力矩在瞬间发生可以高达5倍以上的变化，而首先接地的机轮或雪橇可能由于粗暴操作而反弹，在瞬间造成反向侧滚，可能马上使直升机失控。

在海上中小型舰船上起飞、降落时，海浪造成甲板起伏，相当于坡地上起飞、降落的情况。糟糕的是，海浪造成的起伏是动态的、随机的，“上坡”在瞬间内会变成“下坡”，所以风浪较大的时候，直升机无法安全起飞、降落，这也是为什么直升机在海上救援的时候，通常宁愿保持高度，悬停在被救援船只上空，用吊索使救援人员和器材上下，而不贸然在起伏的舰船上降落、再次起飞。在舰船上降落，还有飞越舷侧时从没有地效到有地效的变化，而地效对于旋翼升力要求的影响很大，进一步增加了舰船上降落的挑战。

在坡地上降落的话，一般应该侧对坡面，而不是面对坡面。面对下坡尤其应该避免，否则在再次起飞的时候，非常容易造成尾桨触地。直升机在平行于坡地的方向上进入然后悬停，在稳定下降时，一侧机轮或雪橇首先接地，此时应该停顿一下，确保可靠接地和滚转支点的可靠转移，然后再继续稳定下降，同时把周期距转向上坡方向，“压下”直升机，确保两侧机轮或雪橇都可靠落地，然后把周期距回正到和坡面平行的位置，收油门，准备关发动机。在“压”周期距的时候，要特别注意旋翼不要在上坡方向触地。一般来说，坡度超过15度的话，就不容易保证安全降落。在有大风的时候，背风面会有下降气流，向风面会有上升气流，所以可供安全降落的角度会有所增减，这个也要考虑。

在狭小、拥挤的场地降落时，除了要避开障碍物和电线，还可能要在开阔地形侧风降落和狭窄地形顶风降落之间选择，如果有可能，尽量在开阔地进入，在最后关头再转向狭窄地形顶风降落。如果要避开地面高大障碍物的话，尽可能低平地进入依然比陡直下降要有利于安全降落。低平进入容易使旋翼保持较高的转速，万一需要，可以通过周期距控制很快地改变航迹；但陡直下降需要较大幅度地降低旋翼转速，使发生意外时改出的能力降低，还容易因为过快下降而进入涡流环状态。在建筑群中间降落，地面涡流会十分复杂，尤其需要额外的控制能力。另外就是在狭小、拥挤的场地降落时不要三心二意，看准了降落点就降下去，举棋不定、拖泥带水容易坏事。

在山顶或者山脊上降落又是另一个问题。山顶或者山脊上没有障碍物的问题，但上升气流、下降气流和侧风下的乱流使安全降落很不容易。在山脊上降落时，应沿着山脊的平行方向从向风方向进入，利用上升气流提供额外的升力，增加总距控制的余地。为了减少低空乱流的影响，风力越大，下降角度应该越陡。这对飞行员的技术要求很高，不仅要掌握好下滑角度，还要掌握好前进速度。由于从较高高度陡直下降，到达山脊之前离地高度较高，不容易像平地上超低空掠地接近时容易靠目视判断接近速度，需要借助仪表和经验来保持合适的接近速度。另一个要注意的是要把直升机保持在向风面，进入背风面容易受下降气流影响，增加总距控制的负担。如果侧风强烈，可以侧风进入，但在最后关头“迎风转舵”，顶风接地，这样便于控制降落，也便于随后的起飞。

在山顶上降落和在山脊上降落差不多，只是进入航迹要求更加精确。多数适合直升机降落的山顶不是一个圆点，而是一个椭圆或者矩形的区域，应该尽量利用长轴的方向进入。山顶降落的动作要求比山脊降落更加精确、稳健、果断。接地时要确保地面足够坚固和平整，才能收油门。不过从山脊或者山顶上起飞和平地上起飞不一样，由于是从最高点起飞，回避周围的地面障碍物不是大问题，但避免乱流是大问题，所以不必急于爬高，而是应该尽快前飞，获得速度，这样不仅尽快脱离乱流区，万一发生意外需要自旋降落的话，也可以从较有利的速度开始。

在地面覆盖沙尘和大雪的时候，旋翼下洗气流造成的能见度降低是一个很大的问题。看不见地面的情况下降落，可以对地面的平整程度误判，貌似平整的场地上，一边鼓包，一边凹坑，很容易使实际接地点相当于陡坡，在坡地上降落但按照平地降落的程序，很容易造成危险。更大的危险在于误判高度或者看不见障碍物，造成硬着陆或者碰撞。典型的降落方法是在降落点上空悬停一段时间，悬停高度以卷起的沙尘或积雪不至于淹没直升机为限，用强大的下洗气流吹走沙尘或者积雪，这个过程可能需要一两分钟。然后陡直下降，以免带起附近的沙尘或积雪。如果有足够的开阔地，另一个降落方法是滚动下滑，也就是保持一定的速度，使卷起的沙尘或者积雪正好落在前进的直升机之后，不至影响飞行员的视线。

在风和日丽、天高云淡的日子里，蜻蜓点水一样的直升机是一道悦目的风景线，但直升机的英雄本色在于危难之中的搜索救援。在恶劣气候、恶劣地形、恶劣海况下，等待救援的人们对直升机具有特别高的期望，但直升机在这样情况下的安全降落是极大的挑战，难怪高山、远洋搜救直升机飞行员是一群特别值敬重的英雄。

飞翔的煎蛋面 · 发表于 2011-12-19 21:50:48

好文章，送花

MacArthur · 发表于 2011-12-20 01:25:58

给直升机旋翼上加把小伞怎么样？伞径不大，只要能破坏涡流环的形成就行了。。。在急降的时候旋翼中心的空气直接向上顶住了旋翼伞，产生附加升力。。。

这个旋翼伞还可以做成翼型，前飞时稍微提供一点点升力，如何？

晨枫 · 发表于 2011-12-20 03:38:07

MacArthur 发表于 2011-12-19 11:25 6 a( Z1 Y5 V: K3 `* u
给直升机旋翼上加把小伞怎么样？伞径不大，只要能破坏涡流环的形成就行了。。。在急降的时候旋翼中心的空 ...

已经有啦

不过这和涡流环的关系不如减阻大。你这个思路不错，唯一缺点是要制止涡流环，伞需要足够大，可能需要至少1/3半径，但那样平时的升力损失也大。气动升力就别指望了，伞下和旋翼之间的间隙太小，气流太复杂，不添乱就不错了。

魔术师 · 发表于 2011-12-20 17:59:16

晨大真是太专业了！

包子 · 发表于 2011-12-22 18:44:04

在旋翼上加上一层小旋翼，能起点作用吗，长度在旋翼的三分之一左右？

晨枫 · 发表于 2011-12-23 00:08:50

包子发表于 2011-12-22 04:44
' E) q* ]; t" W7 I$ g+ c+ D在旋翼上加上一层小旋翼，能起点作用吗，长度在旋翼的三分之一左右？

目的是什么呢？

砺剑 · 发表于 2011-12-24 10:46:13

晨大，原先看过一个美国航空事故分析的科普文章，说美国机场有专门扫描观察风切变的雷达，这个直升机有没有相关防护的措施，山谷中间气流变化多端

晨枫 · 发表于 2011-12-24 13:34:55

砺剑发表于 2011-12-23 20:46 3 u* q# |5 W" K" X) k+ D0 | y
晨大，原先看过一个美国航空事故分析的科普文章，说美国机场有专门扫描观察风切变的雷达，这个直升机有没有 ...

直升机也可以装备气相雷达，但这只能监视大范围的宏观气像，局部气象变化太快，看到了也来不及反应。

爱思伯爵 · 发表于 2011-12-24 17:43:03

拜读了，读《舒克贝塔历险记》时就喜欢上直升机了。

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[武器展望] 漫谈直升机的降落安全问题

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