交通工具及部件

直升机

发明人：1843年，英国人乔治·凯利（George Cayley）爵士，这位空气动力学之父、航空之父科学地阐述了直升机的基本原理；1907年9月29日，法国人路易斯·布雷盖和雅克·布雷盖（Louis and Jacques Breguet）在生理学家和航空先驱查尔斯·里歇特（Charles Richet）的指导下飞行（不受控制的飞行）；1907年11月，法国人保罗·科努（Paul Corn）试飞了旋翼飞机一号；1912年，意大利的戴恩·雅各布·埃尔哈默（Dane Jacob Ellehammer）操纵了反向旋转翼和周期变矩控制的飞机；1936年，德国福克·艾彻格里斯公司的Fa-61直升机（Focke Achgelis Fa 61）首次飞行高度为海拔3427米，飞行距离230千米；1939年，伊戈尔·西科斯基（Igor Sikorsky）公司设计了单引擎直升机——西科斯基VS-300，VS-300是所有现代单旋翼直升机的模板；第二次世界大战期间，伊戈尔·西科斯基公司生产军用直升机XR-4；第二次世界大战期间，德国批量生产了弗莱特纳蜂鸟（Flettner Kolibri）直升机；1951年，卡曼飞机公司（Kaman）的HTK-1采用了喷气发动机技术。

美国商用直升机年销售额：2.14亿美元。

通用航空直升机数量：全世界近3.1万架。

顶级民用直升机制造商：空中客车直升机公司（Airbus Helicopter）、意大利莱昂纳多-芬梅卡尼卡集团直升机公司（Leonardo-Finmeccanica Helicopters）、贝尔公司（Bell）、俄罗斯直升机公司（Russian Helicopters）、伊戈尔·西科斯基公司（Sikorsky）。

垂直飞行

直升机被认为是旋翼飞机，因为它们的机翼（旋翼叶片）在一个轴（或称机动轴）上旋转。旋转机翼通常称为主旋翼或简称旋翼。不像更为常见的固定翼飞机，直升机能够垂直起飞与降落，也可以在空中悬停。这些特性使直升机在某些飞行空间受限或需要进行悬停作业的领域成为十分必要且理想的工具。

目前，直升机的用途极为广泛。它们是喷洒农药、施肥，运送人员到达交通不便的偏远地区进行环境保护工作抑或是给海上钻井平台运送给养的最佳工具。同时他们还用在拍照、摄影，以及无法通过其他运输方式到达的地点（比如山地和水域中央）对受困人员施救等方面。直升机可以快速转运遇险者至医院，以及协助扑灭大火来挽救生命。政府使用直升机进行情报搜集与军事行动。

直升机起源

许多科学家和发明家为直升机的理念和发展做出了贡献。关于直升机的想法似乎来自于仿生学——即对自然界生物及其法则进行的模仿。有关直升机方面的设计灵感可能来自于随风飘落旋转的双翼枫树叶种子。比如，仿造枫树豆荚所制造的“旋转玩具”（竹蜻蜓），在中国和中世纪的欧洲都很流行。

15世纪期间，著名的意大利画家、雕刻家、建筑家和工程师莱昂纳多·达·芬奇，可能在这种旋转玩具的基础上绘制了直升机的草图。而下一幅现存的直升机早期蓝图可以追溯到19世纪初，当时英国科学家乔治·凯利（George Cayley）爵士在他的笔记本上画了一架双旋翼飞机。

早期的飞行尝试

法国人保罗·科努（Paul Cornu）在20世纪初成功使用早期直升机将自己升离地面几秒钟。短暂的几秒钟后，因为动力原因科努掉下来了，而这个问题困扰了所有早期直升机设计者长达几十年的时间。也就是这期间没有人发明出可以提供持续强劲垂直升力的发动机，该发动机可以让直升机和它的搭载物（包括乘客）长时间离开地面。

俄国工程师伊戈尔·西科斯基（Igor Sikorsky）在1909年制造了他的第一架直升机。1910年他又造了第二架直升机，可都不成功。因此西科斯基决定，在没有更先进的材料和充裕的资金情况下，他不再制造直升机，于是他转向了制造固定翼飞机。

在第一次世界大战期间，匈牙利工程师西奥多·冯·卡曼（Theodore von Kármán）造了一架可以长时间悬停的直升机。

几年后，西班牙人胡安·德·拉·西尔瓦（Juan de la Cierva）开发了一种旋翼机，以纠正传统飞机在着陆时失去引擎动力并引发坠毁的问题。西尔瓦认为，如果他能设计出一种升力和推力分离的飞机就能克服这个问题。他最终发明的旋翼机包含了直升机和飞机的特征。

旋翼机有一个类似于风车的水平旋转翼。一旦在地面上缓慢启动，旋转翼就会产生额外的升力。然而，旋翼机主要由传统飞机发动机提供动力。为了避免着陆问题，发动机在降落时被关闭，借助旋翼叶片，飞行器轻轻降至地面，旋翼叶片在飞行器落地时逐渐停止旋转。旋翼机在20世纪20年代和30年代非常流行，在直升机发展起来后就消失了。

伊戈尔·西科斯基最终制造出了真正的直升机。自西科斯基的第一次努力以来，人类空气动力学和结构材料学方面取得了巨大进展。1939年，他成功地试飞了自己的第一架直升机。两年后，经过一系列改进，他的直升机可以在空中停留一个半小时，创造了直升机不间断飞行的世界纪录。

直升机在可以量产后几乎立即投入军事用途。发生在朝鲜山地和越南丛林的复杂地形环境下的冲突使得直升机得到了广泛应用。从那时起，直升机被不断改进和进行技术提升，从而使它成为军事行动的宝贝疙瘩。

私营企业的需求可能是直升机使用增长的最主要原因。许多公司已经开始用直升机运送人员。此外，直升机也顺利运行在主要城市之间的航线上。尽管如此，在日常旅行者中，直升机仍然以医疗、营救和救援工作而闻名。

直升机的工作原理

直升机的动力来自发动机，发动机带动转轴连着叶片转动。当一架标准型直升机向前飞行时，通过推动机翼后面的空气来产生推力，而直升机的旋翼在旋转时通过向下推动机翼下方的空气来产生升力。升力与空气动量（空气质量乘以空气速度）的变化有关：动量越大，升力越大。

直升机旋翼系统由连接到中心毂的两个到六个叶片组成。叶片通常又长又窄，叶片转动得很慢，因为这样可以最大限度地减少（达到和保持升力所必需的）发动机输出功率。低速也使得控制直升机更加容易。轻型通用直升机通常有一个双叶主旋翼，较重的直升机可采用四叶旋翼或两个独立的主旋翼来处理重负荷。

要驾驶直升机，飞行员必须调整桨叶的桨距或角度，这里有三种设置方式：在集控系统中，附着在转轴上的所有叶片的桨距是相同的；在周期系统中，每片叶片的桨距被设计成随着转轴旋转而改变；第三个系统结合了前两个系统。若要使直升机改变飞行方向，飞行员可移动控制杆调整总桨距或调整周期桨距；同时可能还需要增加或降低直升机的速度。

固定翼飞机设计的目的是消除额外的体积和突出物，因为这些突出物会使飞机下坠（或增大飞机下坠的趋势），并干扰飞机周围的气流。而直升机不可避免地遇到很高的“阻力”。这表明它们的很多部分都是从奇怪的角度伸出来，在飞行过程中“拖动”空气，使其减速。

一般来说，直升机的起落架比飞机的起落架简单得多。飞机需要长跑道滑行来降低前进速度。直升机只需要减少垂直升力，在着陆前悬停即可。因此，它们甚至不需要减震器：它们的着陆装置通常只由滑橇（制动器或转轮的一种）或车轮（尤其是大型直升机）组成，或者两者兼有。车轮使大型直升机在地面上更容易滑行或重新定位。尽管空气动力的增益（收起起落架可以减少飞行过程中的空气阻力）对直升机来说没有那么重要，一些直升机还是作成像飞机一样可伸缩的起落架。

与直升机旋翼叶片有关的一个问题是，直升机飞行过程中沿着每个叶片的气流差异很大。这意味着在旋翼旋转过程中，每个桨叶的升力和阻力都会发生变化，导致直升机的飞行不稳定。当直升机向前移动时，首先进入气流的叶片下方的升力很高，而转轴另一侧叶片下方的升力较低，这时就会出现与其相关的导致直升机飞行不稳定的问题。制造商设计使用铰链连接到转轴上，通过灵活的叶片来弥补这些不可预测的升力和阻力的变化。这种设计允许每个叶片向上或向下移动，以适应升力和阻力的变化。

扭矩是与旋转机翼相关的另一个问题。扭矩会导致直升机机身与水平旋翼呈相反方向的旋转，特别是当直升机在低速飞行或悬停时。为了消除这种影响，许多直升机使用尾桨—一个外露的叶片安装在其长尾的末端。另一种纠正扭矩的方法是安装两个水平旋转翼，它们连接在同一个发动机上，但旋转方向相反。更节省空间的设计是，反向旋转的双翼组装在一起，就像打蛋器一样。下面简单介绍几种无尾旋翼的设计以供探究。

倾转旋翼机的设计模糊了飞机和直升机之间的区别。这些飞机像直升机一样垂直起飞，但随着速度的增加，它们的双翼会逐渐向前倾斜，直到它们基本上像飞机的螺旋桨一样运转。另一种垂直起降（VTOL）飞机是全动机翼，顾名思义是整个机翼一起倾斜，而不仅仅是旋翼。

直升机材料

直升机的机架或基本结构可以由金属或有机复合材料，或两者的某种组合制成。在设计重载直升机时，制造商会选择特别坚固但相对较轻的材料。其中一些材料是环氧树脂增强玻璃、芳纶（一种强而柔韧的尼龙纤维）或碳纤维。通常，这些材料由许多层树脂组成，添加纤维增强强度。这些材料连接或胶合在一起形成一个光滑的面板。

直升机的管状和片状金属部件通常由铝制成，在更高应力或高温区域有时使用不锈钢或钛。在制造过程中，为了减轻弯曲，金属管内通常充满熔融的硅酸钠（也称为“水玻璃”，一种加热到熔融状态的玻璃状混合物）。直升机的旋翼桨叶通常是由纤维增强树脂制成的，叶片外侧夹上一层金属板来保护机翼的边缘。直升机的挡风玻璃和窗户是由聚碳酸酯薄膜制成的，这是一种耐高冲击力的塑料。

制造过程

机架：制备油管

1．每一个单独的管子是由一个管材切割机切割，该机器可以快速设置生产不同的管子，包括精确的长度和数量。通过更换不同直径和尺寸的模具，弯管机可以把油管弯曲成合适的角度。

2．对于主要的弯管，管内充满了熔融的硅酸钠，硅酸钠冷却变硬可以消除管子弯曲时的扭结。就像实心棒在弯管机上弯曲一样。然后，将弯曲的管子放入沸水中，使内部材料融化，再将其排出。必须弯曲以匹配舱室形状的油管还要安在拉伸成型机上，该成型机可以将管子拉伸成合适的形状。

3．接下来，把管子运送到机加工车间，在那里用夹具夹住它们，将管子的末端加工成所需的角度和形状。然后将管子除去毛刺（在此过程中，任何残留的突起或斑点都要磨掉），并检查是否有裂缝。

4．金属加强件是用机器来完成的，如镂铣、剪切、毛坯冲压、锯割。一些复杂的细节可以锻造（加热并成形）或铸造，取出它们并冷却后再次除去毛刺。

5．管子用强力化学品清洗并焊接到位。焊接完成后，对装配件进行应力释放—低温加热，使金属能够恢复在成型过程中失去的弹性。最后，检查焊缝是否有缺陷。

成形钣金细部

6．构成机架其他部分的金属板首先被切成毛坯。铝坯经过热处理退火（使金属坚硬但可弯曲）。然后将坯料冷藏，直到放入模具中压成合适的形状。成形后，板材的细部经过时效处理，达到最大强度，并修整至其最终形状和尺寸。

7．钣金件在上螺栓或胶合前要清洗干净。铝部件和焊接部件可以进行阳极氧化处理（以增加铝表面的保护氧化膜的厚度），从而提高耐腐蚀性。所有的金属部件都经过化学清洗和喷漆，大多数都是用环氧树脂或其他耐用涂层喷涂完成的。

制作复合组件的芯层

8．芯层，直升机的中部由诺美克斯（Nomex）材料制造的—诺美克斯是杜邦（DuPont）公司生产的酰胺基尼龙纤维，也有用铝蜂窝（honeycomb）制造的，用带锯或刀把它们切割成一定的尺寸。如果有必要的话，可以用类似于比萨刀或切肉刀的机床将芯部件的边缘修剪成一定角度。

9．每个组件是由称作半固化片的芯板开始构建。半固化片是用树脂加强的纤维层。按照设计师的图纸要求，工人们小心翼翼地对面板进行所谓的“蒙皮”操作，在黏结模具工具上装单独的板层，并按照指引在附加板层之间夹芯。

10．预浸材料—半固化片胶粘到模具上通常称为完成的“上篮”操作，然后再将它送到高压釜中进行固化。高压釜是一种设备，通过将塑料层暴露在加压蒸汽中来粘接它们，而“固化”是在高压釜中树脂层“烹煮”时发生的硬化。

11．将这些面板画上装饰线。边缘多余的部分通过电锯割除。大型面板可以通过射流水磨机器人进行修整。检查合格后，用常规喷涂方法对镶板等复合材料零件进行清洁和喷涂。表面必须用油漆密封好，以防止金属腐蚀或吸水。

制作机身

12．顶部、挡风玻璃和乘客舱的窗户通常是由聚碳酸酯薄膜制作的。受到鸟击或其他撞击的前面板可由两张薄板叠合而成，以增加厚度和强度。所有这些部件都是用夹具夹住毛坯，加热，然后在空气压力的作用下，经过自由吹制形成所需的弯曲形状。在这种方法中，为了避免缺陷，没有工具接触这些部件的表面。

安装发动机、传动装置和旋翼

13．现代直升机的发动机是从发动机供应商那里购买的。直升机制造商可以购买或生产将动力转移到旋翼组件的传动组件。变速箱由铝或镁合金制造。

14．与前两者一样，主旋翼和尾旋翼组件是由某些高强度金属通过机器制造的。主旋翼叶片上可以有一层金属板层，以保护边缘。

控制系统

15．连接直升机系统的电线必须用一种保护性覆盖物包裹起来。这里叫它们为“线束”。它们是将所需的电线敷设在特殊的板上制成的，这些板可以作为模板来确定连接器的长度和路径。机织或针织的保护套放在电线束上，而且购买的连接器是通过手工焊接到位的。管材可由工匠手工切割成一定长度的管子，也可由弯管机测量、成型、切割。管材端部呈喇叭形，安装时要检查管子尺寸的大小及有没有裂缝。液压泵和执行机构、仪器仪表和电子设备通常是从专业公司定制，然后由直升机制造商购买安装。

总装

16．完成和检查过的机架部件，包括钣金、配管、机加工和焊接的部件、已交货的固定连接部件、就位的部件夹具。主要部件位于每个夹具中，或用螺栓拧上连接，或用电钻钻孔铆接。为了使金属板或蒙皮板的气动平滑，孔是凹的，这样平头螺钉的顶部就不会凸出来。所有的孔都要去毛刺并插铆钉。当铆钉插入每个孔时，通常使用密封剂。有些制造商每道工序都使用半自动机器；工人则从一个孔的位置移动到另一个孔的位置，钻孔、密封和安装铆钉。

17．每个组件经过检验员检查后，通常会移动到另一个夹具，与其他小部件和细部（如支架）进一步组合。检查过的“顶级”部件交付到最终的组装夹具，在那里建造整个直升机结构。

18．结构完成后，安装发动机部件、布线和进行液压安装、测试，然后添加机舱盖、窗户、门、仪器和内部元件来完成安装。在此过程中，完成涂装和修剪。

19．在对所有系统进行最终检查后，还要对每个飞机的材料、过程、检查和返工工作的完整记录进行检查和归档，以备将来参考。然后对直升机推进系统进行检查，并对飞机进行飞行测试。

质量控制

一旦管状构件成型，就要检查它们是否有裂缝。为了发现缺陷，工人们用荧光液处理这些管子，荧光液渗入裂缝和其他表面缺陷。在清除多余的荧光液后，他们用一种与液体相互作用的细粉末——显示粉撒在涂过荧光液的管件上，渗入缺陷的荧光液因毛细管作用而被显示粉吸出，在暗室中荧光灯照射下，管件的缺陷呈亮白色，十分突出。

管状构件焊接后，用x射线和（或）荧光探伤方法进行探伤，以发现缺陷。完成后，对钣金细部曲线与样板进行比对，并用手工打造一致。在热压处理（见步骤10）和修整后，对复合材料面板进行检查，以确定任何可能的层板断裂或其他导致结构失效的缺陷。

在安装前，要仔细检查发动机和变速箱组件。特殊的测试设备，为每个应用项目定制设计，用于检查布线系统。所有其他部件在装配前也要进行测试，完成的直升机除了接受全面检查外还要进行飞行测试。

未来的直升机

直升机的军事需求通常比民用大得多。美国陆军正在开发设计新的直升机，可以飞得更远、更快、更高。贝尔公司设计的一种先进的倾转旋翼直升机，装有两个可动的大旋翼，可以在某个位置上升和悬停，或者更像固定翼飞机一样前倾飞行。西科斯基—波音公司设计的一款直升机使用一对反向旋转的主旋翼和后面装有一个较小的螺旋桨推进器。

让直升机飞得更快更远的愿望并不仅限于军方。空客公司正在进行一项新的设计，它有一个大的主旋翼和两个较小的后向式旋翼推进器，安装在箱形机翼上。更轻的重量、更好的空气动力学布局和一个特殊的“生态模式”有望提高燃油效率。

为了降低生产成本和使用更多的新材料，必须改进生产工艺，提升生产技术。自动化和数字化可以进一步提高产品质量和降低劳动力成本。改进设计、设计变更以及对每架直升机创建、使用和存储的文档方面的工作可大量地使用计算机来完成。

此外，使用机器人来缠绕长丝、缠绕胶带和放置纤维将会使制造机舱结构使用更少的材料。先进的、高强度的热塑性树脂比目前使用的材料具有更好的抗冲击性和可维修性。新型金属复合材料在保持金属耐热性优势的同时，还有望在关键部件（如变速箱）上实现更高的强度-重量比。