直升机的无动力自转着陆
直升机的无动力自转着陆
在直升机话题下有这样一个问题：为何直升机失事无法跳伞？
现在找到一篇专业的文章，是美国联邦航空局（FAA）发布的PDF电子书：《helicopter flying handbook》中的2-24和11-1两个章节里面“自转”（Autorotation）的内容。
电子书是免费发布的，下载地址：Helicopter Flying Handbook。
自转
自转，是这样一种状态：直升机主旋翼系统的旋转，由从下至上运动的气流驱动，而不是由发动机驱动。通常情况下，有动力飞行时，空气是被从上方吸入主旋翼系统，并被向下排出，但是在自转状态下，直升机处在下降过程中，空气从旋翼系统的下方向上流入。
自转之所以能够实现，是由于自由行程离合器这样一个部件，这个特殊的离合器能够使旋翼在发动机不工作的情况下继续旋转。在发动机停车的情况下，自由行程离合器自动将将旋翼系统和发动机脱开，使旋翼能够自行旋转。
这是直升机在发动机失效情况下安全着陆的手段，因此所有直升机都必须具备这种能力，如果这机型想要取得适航证的话。
如果飞行员决定尝试重新启动发动机，（这种情况下的操作程序每一种直升机都不一样，而且必须严格执行），需要重新接通启动发电机来开车，当发动机启动成功后，自由行程离合器会自动把发动机和旋翼系统重新结合起来。
悬停状态下的自转
绝大多数的自转都是有前飞速度的。为了简单起见，下面的这些讲解是基于静风场中，垂直下降情况下的自转（没有前飞速度）。
在这种条件下，驱动桨叶旋转的力与这片桨叶在旋转平面中所处的位置没有关系，转动到各个位置都是相同的。
因此，直升机前飞速度导致的前行、后行桨叶升力不对称这个因素可以不考虑。
在垂直自转中，旋转平面被分为三个区域：
被驱动区、驱动区，和失速区域。（见下图）
下图是三个区域的桨叶切面的受力分析。
A是被驱动区
B和D是平衡点
C是驱动区
E是失速区
每个区域的受力情况都不同，因为旋转引起的相对气流，越靠近桨叶根部的位置速度越慢，越靠近桨尖的位置相对气流速度越大。而且，桨叶的扭转使得驱动区的桨叶切面迎角也比被驱动区要大。
由桨叶下方向上流入桨盘的气流，与旋翼旋转形成的相对气流结合起来，使得桨叶上每一点的空气动力合力都不相同。
被驱动区，又称为螺旋桨区，是最靠近桨尖的区域。
通常，这个区域占旋转半径的30%范围。在被驱动区，图中的A，气动力的合力方向是指向旋转轴后方的，导致产生的合力变成了旋转阻力。被驱动区产生一些升力，但是这部分升力被阻力的作用抵消了。总体的结果是对桨叶的旋转产生阻力。被驱动区的大小，取决于桨距、下降率，和旋翼转速。当改变自转状态下的桨距，或者下降率时，被驱动区以及相关的其他区域的大小都会发生变化。
桨叶上有两个平衡点，一个在驱动区和被驱动区之间，另一个在驱动区和失速区之间。
两个平衡点，气动力合力与转轴都是重合的。升力与阻力都有，但是总的效果是桨叶不加速也不减速。
驱动区，或是叫自转区，通常在桨盘半径的25%至70%范围。图的C部分显示的就是驱动区，这就是产生自转驱动力的区域。
驱动区的气动力合力是相对于旋转轴稍稍前倾的，产生了持续的加速动力。
这一点点前倾，提供了推力，驱动桨叶旋转。
驱动区的大小，随着桨叶桨距、下降率，以及旋翼转速的变化而不同。
通过控制这个区域的大小，飞行员可以调整自转的转速。
比如，如果总距增加，桨叶切面迎角会在所有区域增加。这会导致平衡点向桨叶根部移动，增加被驱动区的范围。失速区的大小也会因为驱动区减小而扩大。
驱动区的减小，会导致驱动区提供的加速力的减小，最终减小转速。
如果想要得到恒定的转速，需要调整总距，使得驱动区提供的加速力，同被驱动区、失速区产生的减速力相平衡。
桨叶最内部的25%是失速区，攻角已经大于最大允许迎角（失速迎角）了，产生旋转阻力。图中的E部分表示失速区。
自转（前飞状态下）
前飞状态下的自转驱动力产生方式，与直升机在静风场中垂直下降完全相同。
然而，由于前飞速度改变了向上流入桨盘的气流，在后行桨叶上，由于攻角的增加，三个区域的范围都沿着桨叶的方向向外侧移动了。
前行桨叶的攻角较小，被驱动区扩大了。
后行桨叶一侧，失速区扩大了。
桨叶根部的一小部分区域出现了返流，因此后行桨叶部分的被驱动区缩小了。
自转着陆的首要动作，是操纵直升机平飘减速。飞行员向后拉周期变距杆，进入平飘。改出平飘时，由于流经桨叶的气流变化，会导致转速上升。飞行员应该调整总距来保证旋翼转速不超过限制。
自转着陆
对于直升机来说，自转下降是失去动力时的工作方式，这时发动机与旋翼系统脱开，桨叶只由从下至上流经桨盘的气流驱动。这时发动机不提供任何动力。
实施自转着陆的最常见原因就是发动机或者传动线系失效，也有可能用于尾桨完全失效的情况，因为自转状态下完全没有反扭矩的产生。这两种情况下，机务维护质量通常都是失效的原因。发动机失效最常见的原因就是油品不达标，或者燃油耗尽，被迫进入自转。
如果发动机失效，自由行程离合器单元自动将发动机与旋翼脱开，使主旋翼自主旋转。
实际上，只要发动机的转速低于旋翼的转速，自由行程离合器就会将发动机与旋翼脱开。
在发动机失效的瞬间，主旋翼桨叶通过攻角和速度产生升力和推力。通过减小总距，（总距必须在发动机失效后立即减小），升力和旋转阻力都减小了，直升机立即开始下降，产生由下至上流过旋翼系统的气流。
这股向上穿过旋翼的气流提供了足够的推力来保持整个下降过程中旋翼转速的稳定。
由于尾桨与主旋翼是联动的，所以方向控制还是一样通过操纵脚蹬来实现，同正常飞行一样。
有几个影响自转下降率的因素：密度高度、总重、旋翼转速，和空速。
控制下降率首要的手段，是空速。
速度的大小，通过周期变距杆调整，同正常时一样。
理论上，飞行员可以选择不同的下滑角，从垂直下降（最小角度）到最大范围。
下降率，没有前飞速度时下降率最大，大约在速度50-60节的时候获得最小下降率，具体取决于直升机本身的性能和上面提到的几个影响因素。
如果速度继续增加，超过了最小下降率时的临界速度，那么下降率又会继续增加。
自转着陆的时候，唯一可用于减小下降率、实现软着陆的动力，就是存储在旋翼桨叶中的动能。
桨叶尖端的重量可以大幅提高储存的动能。
直升机使用大下降率，比使用小下降率，减速着陆所需要的能量要大得多。
因此，使用过大或过小速度自转下降的情形，比使用最小下降率对应的速度的情形，要危险得多。
每一种型号的直升机都有一个具体的空速和旋翼转速，这时无动力下滑效率最高。
这个具体的空速值，不同类型的直升机不一样，但是影响和决定这个数值的条件都是相同的。
简单地说，旋翼转速数值保持在较低的绿色指示范围，可以在自转中实现更长的距离。
更大的重量，需要更高的总距来控制转速。
有些直升机需要少量调整最小旋翼转速设置，来区分对待夏季条件和冬季条件，高高度飞行和海平面飞行。
自转时，不同型号直升机的具体下滑速度、旋翼转速，是根据常规天气、风场，以及常规装载情况确定的。
当直升机满载，并且在很高的密度高度飞行，或者在阵风变化较大的情况下，需要在下降时稍稍增加速度来获得最佳性能。
当直升机在较低的密度高度飞行，且空载，想要获得最佳性能就需要保持稍小的速度。
按照这个大体的原则来调整空速、旋翼转速，飞行员就能够在各种情况下获得相似的下滑角，并且能够推算出接地点。
飞行员应当练习不同速度下的自转，从最小下降率的速度到最大下滑角的速度。
飞行员对于可用着陆场地的判断，以及不同条件下选择合适速度的判断，应当如本能一般熟练。
直升机的滑翔比，要比固定翼飞机小很多，需要适应。
表速55的拉平着陆同表速80的拉平着陆完全不同。在这些条件下，旋翼转速的控制对于保证足够的缓冲着陆能量非常重要。
直线自转
直线自转，是只改变高度，不转弯的自转。风对自转的影响很大。大的逆风使地速减小，导致下滑线非常陡峭。例如，直升机保持60节的速度，风速15节，那么地速就是45节。即使保持相同的下降率，下滑角也会陡峭许多。
接地速度和滑跑速度取决于地速和消速效果。
消速或者平飘的角度越大，并且持续时间长，接地速度就会越小，滑跑距离也越短。
必须注意，在这个时候尾桨是距离地面最近的部分。如果时机没有把握好，或者着陆姿态没有及时摆好，尾桨有可能打地，并导致机身反弹向前倾，很可能导致损毁。
逆风是有利于自转下降时减小接地速度和消速的。越小的接地速度，需要越精确的平飘速度、时机控制，特别是对于旋翼旋转惯性比较小的直升机。如果自转的最后阶段，旋翼总距提的过早、过高的话，旋转动能会耗尽，导致没有缓冲作用或者仅有极小的缓冲。这样会导致直升机硬着陆和相应的损毁。简单来说，练习长距离滑跑比小速度硬着陆要好得多。熟练之后，滑跑距离就可以缩短。
技巧
参考下图。
位置1点。由平飞状态，合适的速度（巡航速度或者制造厂给出的速度），500-700英尺的真高，航向逆风，柔和一致地下放总距到底，控制总距保持旋翼转速指示在绿色区域范围内。
桨距到底的时候，旋翼转速就由机械桨距限动块来决定了。地面维护的时候，限动块必须设置到能够允许最轻载重时，用最小的转速实施自转。也就是说，空气密度、直升机载重发生变化的时候，可以使用总距进行调整。进入自转后，总距必须调整，来保持预定的旋翼转速。
操纵脚蹬来配合总距，操纵周期变距杆来调整空速。
一旦桨距放到底，减小油门来确保两个指针完全分离。这表示旋翼的转速高于发动机的转速，自由行程离合器已经将发动机完全脱开了。
将两个指针分开后，重新调整油门，保证发动机转速在慢车状态，但是不要过高导致两个指针重新重合。制造厂通常会标记出每一架特定直升机的最佳转速。
在位置2点的时候，使用周期变距杆调整状态，来获得制造厂给出的自转或最佳下滑速度。这时同样需要调整总距来保证旋翼转速不超出绿色指示范围。
周期变距杆向后移动，会导致旋翼转速增加，这时就要使用总距进行调整控制。避免总距提升过大，这会导致旋翼转速急剧下降。避免只是盯着直升机的前下方看，要不断地循环检查状态、配平、旋翼转速和空速。
在工厂给出的高度上，也就是图中的位置3，向后带周期变距杆，开始平飘，减小速度和下降率。操纵脚蹬保持航向。平飘过程中，保持旋翼转速始终在绿色范围内。带杆的时候要注意，既不能粗猛带杆导致直升机向上爬升，又不能带的太慢导致无法消速，后者会导致直升机快速下沉，可能导致尾桨打地。大多数的直升机，合适的平飘状态是带着较慢的向前的地速的。当前飞速度减小到预定的地速（通常是指允许的最小速度）的时候，也就是在位置4，前推周期变距杆，摆好着陆姿态。
在许多轻型直升机上，飞行学员可以坐在驾驶座上，教员往下拉直升机的尾梁，拉到让尾撑接触地面。这样的练习可以让飞行学员对禁止的状态有一个概念，因为飞行员绝对不能让直升机打地，除非这时机头更容易打地。这样限制平飘的俯仰状态会导致接地速度稍快，但是会避免尾桨打地。
起落架距离地面的高度这时应该大约在3-15英尺，取决于厂家给的高度。随着地速和高度的减小，应该前推驾驶杆，逐渐摆平直升机的状态。有些情况下可以带一个仰角着陆，只使用后轮或滑橇后缘接地，用来减小速度，但是如果着陆重量过重的话就需要摆平状态，使载荷平均分布在起落架上。需要特别注意避免的是，接近地面10英尺以下带大仰角，直升机必须保持着陆姿态防止尾桨打地。
在这个位置，想要做着陆的话，操纵直升机垂直下降，也就是位置5.必要时上提总距，控制下降率，为着陆做缓冲。这个总距的控制动作使用的是旋翼系统中潜在的一部分动能来减小直升机下降率。同时需要操纵脚蹬，用来保持航向，因为桨距提升导致旋翼转速下降，尾桨效能也下降了。着陆时应保持和平飞相同的状态。
这时候增加桨距的操纵效果会与正常状态稍有不同。主旋翼转速下降，反扭矩也下降，需要更大的操纵量来在下降着陆的过程中保持航向。
一些直升机安装有倾斜的尾部安定面，比如Schweitzer 300。有一件事情非常重要：飞行学员在自转下降的任何阶段都必须准确操纵脚蹬。如果操纵不及时的话，尾梁向右摆动，会使倾斜的安定面产生作用力抬升尾梁，导致机头下俯，这样的偏差需要快速地蹬右舵修正。
训练飞行时，可以在垂直着陆时恢复动力，代替垂直着陆。参考恢复动力的章节内容来正确操作。直升机着陆后，把总距杆放到最低来减速停稳。不要使用向后拉周期变距杆的方式减小向前的速度，这样会导致旋翼桨叶打到尾梁。在地面滑跑的过程中柔和下放总距杆，起落架会承受更多的重量，阻力增大实现减速。
有一个经常犯的错误是，自转下降过程中长时间悬停离地，不做缓冲着陆。长时间滞空会把旋翼的旋转动能用尽，最终导致硬着陆，旋翼桨叶会向下挥舞、弯曲打到尾梁。旋翼的旋转动能应该用来做可控的、柔和的缓冲着陆，而不是任由直升机在最后的离地几英尺高度上自由下坠。
常见错误：
1.不清楚发动机或传动系统失效后，立即进入自转状态的重要性。
2.动力下降时，脚蹬操纵量不够。
3.动力下降时，猛地下俯机头，让直升机进入俯冲状态。
4.下降时旋翼转速保持不好。
5.上提总距杆时的高度过高，导致硬着陆、方向操纵失控、损毁主旋翼桨叶或尾桨。
6.没有在厂商提供的最佳高度上改平直升机。
7.空中保持航迹不准确，着陆时带侧滑，起落架方向与运动方向不一致。
8.接地时没有消除侧向漂移。
9.在自转超出限制、不符合着陆标准时，没有及时选择复飞。
带转弯的自转。
转弯，或者一系列的转弯，在自转时可以实施，用来着陆时对正风或躲避障碍物。转弯通常要早完成，这样能保证余下的自转过程还是像直线自转一样。自转过程中转弯通常都只操纵周期变距杆。使用脚蹬帮助操纵或者加速转弯，都会导致速度损失和机头下俯。当进入稳定自转时，脚蹬必须有足够的操纵量，来保证直升机的方向平衡以及防止航向摆动。这个操纵量要保持恒定，不能改变用来辅助转弯。如果直升机在前飞时没有保持好航向平衡，直升机就会侧滑，并且机身阻力会大大增加，导致转弯时下降率增大。因此，为了保持最小下降率，指示侧滑的小球必须始终保持在中间位置。
