AA82276761 2014-11-9 02:58
直升機的降落安全問題
直升機是可以垂直起飛、降落的飛機。既然是飛機，最大的問題不是飛不起來，而是飛起來後無法安全降落。但直升機可以垂直降落，不需要跑道，在危急情況下，趕緊找一個地方降落下來，即使在喪失動力的最壞情況下，也可以自旋降落，為什麼還會有降落安全問題呢？事實上，直升機非但有降落安全問題，問題還不小。2011 年5 月1 日精銳的美國海軍海豹突擊隊長途奔襲巴基斯坦的阿伯塔巴德擊斃賓拉登時，一架神秘的直升機在降落中失事，幸好無人因此傷亡，但留下的殘骸引起關注航空技術的人們一陣不大不小的驚訝。不久後的8 月6 日，一架運載22 名美軍特種部隊和7 名阿富汗特種部隊人員的CH-47 直升機被塔利班的火箭筒擊中，機上人員全部喪生。火箭筒的對空射程十分有限，所以這架CH-47 應該在很低的超低空，但依然沒有做到在被擊中之後爭取時間安全降落。這些由最老練的直升機飛行員駕駛的直升機也難逃失事的厄運，凸顯了直升機特有的降落安全問題。
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賓拉登神秘直升機的殘骸
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隱身直升機想像圖
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被RPG 擊傷的CH-47
直升機的奧秘全在於那個旋翼。旋翼旋轉時，形狀像一個倒立的傘，旋翼槳葉葉尖劃過的途徑構成傘沿，傘沿構成盤面的軸向指向旋翼的出力方向。水平旋轉時，旋翼產生的是純升力；前傾旋轉時，旋翼出力的垂直分量構成升力，水平分量則構成推力，所以直升機的旋翼同時產生升力和推力，旋轉盤面的前傾角度決定了旋翼出力在升力和推力之間的分配。直升機的爬升、下降和前行是旋翼的出力和盤面角度綜合控制的結果。直升機的基本飛行控制是總距和周期距，總距用於控制旋翼在盤面方向上的出力，週期距則用於旋翼盤面的傾斜角度，包括前傾、後傾和側傾，用於實現前飛、倒飛和側飛。直升機控制還包括蹬舵，用於控制尾槳的反扭力。
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旋翼旋轉時，形狀像一個倒立的傘
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週期矩控制示意圖，注意上旋轉斜板和旋翼槳葉的連接，和下旋轉斜板受飛行員控制的可調角度
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直升機主旋翼反扭力的示意圖
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沒有一定的反扭力措施，直升機就要打轉轉/ 尾槳是抵消反扭力的最常見的方法
在空中飛行的時候，直升機是一個可以三維轉動的物體，轉動中心位於重心，一般位於機體的下半部。旋翼盤面的出力軸線通過重心時，飛機穩定飛行；出力軸線不通過重心時，力臂就造成滾轉，滾轉方向和滾轉速度由旋翼盤面軸線偏離重心的相對位置而定。另外，旋翼盤面傾斜時，產生的升力隨傾斜角度而變化。在機動動作期間，直升機的燃油消耗相對於總重可以忽略不計，所以重量是不變的，而機動動作期間，旋翼盤面的角度在不斷變化，旋翼出力的垂直分量隨之在變，所以為了保持高度，必須保持升力和重力相等，總距和周期距在機動飛行期間需要協調控制，兩者都是控制直升機機動的主要手段。
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旋翼傾斜，造成升力的作用力軸線傾斜，由於作用力軸線不再通過重心，造成扭轉力矩，使飛機向旋翼傾斜方向滾轉，直到作用力軸線重又通過重心，恢復平衡
典型直升機採用單旋翼加單尾槳，串列或同軸雙旋翼、無尾槳、傾轉旋翼、剛性旋翼等其他形式的直升機也有使用，情況更加複雜，不在本文討論範圍之內。
就降落動作而言，在正常情況下，直升機在空中減速接近降落場，進入懸停後，平滑地減小總距，垂直下降，輕緩接地，然後繼續平滑地減小總距，直至在地面停穩，然後可以徹底收油門，準備關發動機。如果天氣無風，地面平整且水平，直升機垂直降落並不復雜。但在戰鬥中，不是總能挑選天氣、地面的條件的，還不能氣定神閒地降落，甚至可能遇到直升機受到戰損的情況，這時挑戰就來了。
在敵人火力下突擊機降，通常採用高速進入，然後急停速降，盡量減少在敵人火力下暴露的時間。在進入時，一般猛拉週期距，使直升機像眼鏡蛇一樣高高揚起，同時適當收一點總距，開始下降。直升機拉起的姿態導致很大的阻力，旋翼盤面後傾則產生向前的推力，進一步強化減速過程。急停完成的同時應該正好進入懸停，然後改平下降，直至接地。急停和懸停轉折的高度不應該太高，否則從懸停到接地的時間較長，增加暴露在敵人火力下的時間。但如果高度過低，在機頭拉起的同時，尾槳下垂，有可能觸地，就要發生事故。
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UH-60 快速降落姿態
尾槳觸地的危險畢竟還比較少，但直升機在陡直速降過程中，還有另一個更加凶險但並不能忽略的問題：渦流環。旋翼靠旋轉產生升力，但槳葉靠近圓心處的線速度低，靠近葉尖處的線速度高，所以旋翼產生的升力不是沿徑向均勻分佈的，而是中間小，周邊大。這也可以用旋翼產生的壓力分佈來表示，向下的壓力可以等同於向上的升力，旋翼的壓力分佈就是像曾經流行的蛤蟆墨鏡的形狀，兩端下垂，中間扁平，也就是邊緣處壓力大，圓心處不產生壓力。在直升機下降過程中，旋翼盤面承受向下運動的阻力，旋翼邊緣繼續產生足夠的升力，可以克服阻力，氣流繼續向下運動；但旋翼中心本來就不產生什麼升力，此時在阻力作用下形成圓心處局部空氣向上流動的現象，造成嚴重升力損失，這就是渦流環。
在下降速度不高的情況下，渦流環導致的升力損失問題不大；但高速下降時，渦流環急劇惡化，導致升力迅速下降。更加糟糕的是，此時急劇增加總距實際上加速渦流環的惡化。這好比汽車輪子在泥濘地裡陷住了一樣，拼命加大馬力，只有陷得更深。汽車輪子陷住了只是狼狽一點，直升機在不可控高速下降時旋翼“打滑”，那就不是狼狽的問題了。在下降過快最需要加大升力以阻止不可控下降的時候，急劇增加總距反而使下降加速，這種違反直覺的現象非常容易導致失事。美國V-22 傾轉旋翼直升機在試飛階段兩次非常引人注目的墜毀就是由於渦流環。渦流環問題在旋翼直徑較小、轉速較快的時候更容易發生，但直徑較小、轉速較快的旋翼的重量較小，阻力較小，適合於高速飛行，這是一對很難調和的矛盾。V-22 的傾轉旋翼恰恰直徑較小、轉速較快，但在現有翼展的情況下，旋翼直徑已經到了極限；進一步增加翼展的話，不僅增加阻力和重量，也使得機翼平轉後不超過機體長度的要求不再可能得到滿足，超過美國現有兩棲攻擊艦的升降機尺寸。看來V-22 是注定要“一輩子”忍受渦流環的痛苦了，只有在敵前機降的時候“小心輕放”，避免渦流環造成事故。
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1991 年6 月11 日，MV-22 墜毀在波音威爾明頓試飛中心
像汽車陷進泥濘一樣，如果剛陷進一點，還陷得不深，加大油門一下子就衝出去了。剛進入淺度渦流環的情況也是一樣，增加總距可以沖出去。但如果已經進入深度渦流環，反而應該收一點總距，同時壓低週期距，增加前進速度，可以改出渦流環。前進速度使旋翼的壓力分佈有所變形，把前進一側的蛤蟆鏡片向旋翼圓心方向擠壓，填補圓心處的低壓區，改出渦流環狀態。事實上，當前進速度足夠快的時候，或者在下滑角度小於30 度的時候，渦流環現象可以避免。
人們對直升機降落安全的信心在很大程度上來自於直升機在危急時刻依然保持的自旋降落能力。自旋是直升機發動機失去動力時，旋翼進入風車狀態的情況。自旋狀態下的旋翼依然可以產生一定的升力，這自旋狀態下的直升機在本質上和滑翔狀態的固定翼飛機相似，存在安全降落的可能，但遠非輕而易舉。如果沒有前進速度，單靠重力下落，旋翼也能產生自旋，但這點自旋不足以使下落的速度減慢到足以安全降落的程度，通常需要結合前進速度的動能加上起始高度的位能才能轉換為足夠的驅動旋翼的轉動能量，使下降速度降低到安全的程度。在發動機正常出力的情況下，槳距可以按速度和升力要求放在較大的位置。在發動機故障而失去動力的時候，首先要降低總距，減小槳距，才能保持或者增加旋翼自旋轉速，贏得足夠的旋翼轉動能量，否則有可能在10 秒鐘內就導致旋翼停轉。這容易理解，在極端情況下，風車葉片完全平行於風向時，也就是說，槳距達到最大，葉片完全“順著”風向，這時風力並不能驅動風車。另一個極端情況是槳距達到最小，風車葉片完全垂直於風向時，風力只是撼動風車，也不能使其轉動。一旦發動機故障，飛行員應該立刻減小槳距，建立穩定的自旋，下一步就可以進入自旋降落了。
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自旋降落基本過程
如果有一定的前進速度，應該採用相對較小的角度進入，在適當的時候拉起機頭，使旋翼盤面對準下滑方向，將更多的動能轉化為旋翼的轉動能量，並消耗掉過多的前進速度，然後改平，盡量輕緩地降落，同時減少接地後向前的滾動。如果沒有足夠的前進速度，自旋下降就主要依靠下降過程中的位能轉化為旋翼的轉動能量了。如果這點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。在實戰中，如果是發動機被擊中後被迫自旋降落，通常是在低空低速甚至懸停的時候，所以到了需要靠自旋降落救命的時候，並不一定能夠救命。非戰鬥條件下起始速度和高度可能更有利於自旋降落，成功率要大幅提高。
由於現代軍用直升機都有很強悍的抗損設計，除非發動機被直接命中而立刻解體，即使喪失全部潤滑油甚至部分機件損壞，都有可能堅持運轉最關鍵的幾十秒鐘甚至幾分鐘，足夠堅持到安全降落，而不需要依賴自旋降落。在實戰中，尾槳被擊中其實是更大的危險。即使不受到戰損，尾槳在機尾的最後端，遠離飛行員的觀察視線，在擁擠的降落場上，很容易由於疏忽而撞上障礙物。低空強烈陣風或者附近直升機起落時捲起的強烈氣流也可能使尾槳失控偏離，發生碰撞。更糟糕的是，在貌似正常的飛行中，也可能出現尾槳失效的情況。
從上往下看的話，美英的直升機旋翼是逆時針方向旋轉的，法俄直升機則是順時針方向旋轉的。這只是技術傳統的差別，沒有優劣之爭。為了方便起見，以下討論都以美英直升機為例，法俄直升機只要把左右顛倒一下，討論完全適用。
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各國直升機主旋翼旋轉方向的比較
旋翼旋轉時，在旋翼的上下方都形成旋轉的氣流。在10-30節速度前飛右轉的時候，或者在風向來自左前方約60 度的時候懸停右轉，尾槳將進入旋翼氣流沖刷區，強化了尾槳的反扭力作用。為了保持航向，尾槳出力應該適當減小。但繼續右轉時，尾槳離開旋翼氣流沖刷區，反扭力作用急劇下降，如果不及時補償，會馬上造成直升機突然急速右轉。對於飛行員來說，直升機好像首先在很遲疑地右轉，需要減小反扭力才勉強使其右轉，然後右轉突然加速，需要大大增加反扭力，在操作上很不自然。相對來說，左轉動作就很自然。這種左右不對稱的操作很容易導致飛行員操作失誤，造成事故。有趣的是，美國航母的艦橋從“蘭利”號時代就採用右島設計，直升機從左舷進入和離去，起飛後迅速飛離或者降落出現意外時加速左轉復飛的動作比右轉更容易。航母先於直升機出現，或許這是美英直升機採用逆時針轉動的原因。
另一方面，如果懸停或者低速飛行時是背風，尾槳和尾撐好比風向標的尾羽，不很強烈的背風都容易使機尾被吹向一側，風向在正後方左右60 度範圍內影響最大。完全正後方的背風當然沒有影響，但風向略微偏離正後方，就有影響，而且尾槳和尾撐被吹向一側要加大投影面積，進一步強化背風的作用。如果吹向右側（機頭指向向左），還可以用降低尾槳出力來補償；如果吹向左側（機頭指向向右），就要看發動機是否還有餘力提供額外的反扭力了。在重載懸停的時候，發動機出力已經達到最大，尾槳不一定有餘力提供額外的反扭力，無地效背風低速右轉彎是更糟糕的組合，很容易進入不可控的迅速右偏。空氣密度較低和重載是等效的，阿布塔巴德突襲的時候，據說天氣預測不夠精確，空氣密度預報偏離了一點，導致重載的直升機操作乏力，可能是神秘直升機失事的原因之一。頂風懸停則沒有這個問題，高速前飛也沒有這個問題，尾槳和尾撐順著風向，是自然穩定的。
直升機無控右偏是發動機扭力無法得到補償造成的，降低發動機出力是根本的解決辦法。在高度和速度容許的情況下，犧牲高度，增加速度，可以改出尾槳失效狀態，如果做不到，最極端的辦法就是自旋降落。
但這些都是在開闊、平坦降落場的情況，如果地面不平，在山坡上降落，或者降落時有側滑導致右側機輪或者雪橇首先接地，問題更加複雜，最主要是機身側向滾轉的支點從重心轉移到首先接地的機輪或者雪橇了。旋翼盤面指向、直升機是否水平、地面坡度都使問題大大復雜化。
在一側機輪或雪橇首先接地的情況下，重力和旋翼升力的滾轉力臂都不再以重心為支點，而以首先接地的機輪或者雪橇為支點。如果機身向首先接地的一側傾斜，重力的力臂將長於旋翼升力的力臂，所以周期距對滾轉控制的效率相比於空中自由飛行時急劇下降，接地瞬間這種控制效果的急劇變化好像汽車從硬質路面開到深厚積雪的瞬間突然轉向不靈一樣。如果是右側機輪或者雪橇首先接地，尾槳的推力方向有把機身向右方推動的自然趨向，進一步惡化了穩定性問題。來自左面的側風、重載降落以至於缺乏額外升力用於克服滾轉傾向、裝載不均勻導致重心向右偏移都使一旦發生側滾更難恢復。裝載不均勻實際上是一個很大的問題，機身傾斜的時候，機內燃油會在重力作用下向一側流動，即使艙內人員、貨物裝載均勻，燃油重量的不對稱也可能造成重心的不利偏移。
由於首先接地的機輪或雪橇是滾轉支點，旋翼出力軸線落在機輪或雪橇的外側還是內側就十分重要。如果旋翼出力軸線落在機輪或雪橇的內側，降低總距、減少升力可以抑制向外的滾轉趨勢，最後使直升機的兩側機輪或雪橇都可靠接地。如果旋翼出力軸線落在機輪或雪橇的外側，則必須增加總距，把直升機推回到旋翼出力軸線落在內側的情況，然後才降低總距，繼續完成降落的過程。如果判斷錯誤，應該增加總距的時候降低總距，或者應該降低總距的時候反而增加，都會導致直升機迅速向外側滾，接下來就是旋翼觸地的悲劇。
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側風下垂直著陸，要防止支點突然轉移到外側機輪而引起翻滾的問題/ 斜坡上起飛，要注意不能太猛，否則重心突然從後離地的機輪向重心轉移，會造成突然而劇烈的擺動，危害飛行安全
旋翼出力軸線問題不僅降落時要小心，起飛時也要小心。如果一側機輪或雪橇首先離地，需要平緩、小心地繼續升起，直到兩側機輪或雪橇都離地後，才可以放心大膽地增加總距，加速爬高離去。如果一側機輪或雪橇還在地面，過早地大幅度增加總距的話，可能在升力還不足以使兩側機輪或雪橇都離地，但側滾力矩急速增加，其結果是直升機以尚在地面的機輪或雪橇為支點側滾，造成事故。在背風右轉起飛時，尤其容易發生這樣的事故。強烈左側風的情況和右側機輪或雪橇單側著地的情況相當，也要小心謹慎，不要過早急劇增加總距，極端情況下甚至可能無法安全起飛。
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軍艦的直升機甲板面積有限
在強烈側風下或者坡地上降落的話，動作輕緩、穩健、果斷、及時十分重要。在接地瞬間，滾動中心從重心轉移到首先接地的機輪或雪橇，側滾力矩在瞬間發生可以高達5 倍以上的變化，而首先接地的機輪或雪橇可能由於粗暴操作而反彈，在瞬間造成反向側滾，可能馬上使直升機失控。
在海上中小型艦船上起飛、降落時，海浪造成甲板起伏，相當於坡地上起飛、降落的情況。糟糕的是，海浪造成的起伏是動態的、隨機的，“上坡”在瞬間內會變成“下坡”，所以風浪較大的時候，直升機無法安全起飛、降落，這也是為什麼直升機在海上救援的時候，通常寧願保持高度，懸停在被救援船隻上空，用吊索使救援人員和器材上下，而不貿然在起伏的艦船上降落、再次起飛。在艦船上降落，還有飛越舷側時從沒有地效到有地效的變化，而地效對於旋翼升力要求的影響很大，進一步增加了艦船上降落的挑戰。
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著艦時側翻的SH-60
在坡地上降落的話，一般應該側對坡面，而不是面對坡面。面對下坡尤其應該避免，否則在再次起飛的時候，非常容易造成尾槳觸地。直升機在平行於坡地的方向上進入然後懸停，在穩定下降時，一側機輪或雪橇首先接地，此時應該停頓一下，確保可靠接地和滾轉支點的可靠轉移，然後再繼續穩定下降，同時把周期距轉向上坡方向，“壓下”直升機，確保兩側機輪或雪橇都可靠落地，然後把周期距回正到和坡面平行的位置，收油門，準備關發動機。在“壓”週期距的時候，要特別注意旋翼不要在上坡方向觸地。一般來說，坡度超過15 度的話，就不容易保證安全降落。在有大風的時候，背風面會有下降氣流，向風面會有上升氣流，所以可供安全降落的角度會有所增減，這個也要考慮。
在狹小、擁擠的場地降落時，除了要避開障礙物和電線，還可能要在開闊地形側風降落和狹窄地形頂風降落之間選擇，如果有可能，盡量在開闊地進入，在最後關頭再轉向狹窄地形頂風降落。如果要避開地面高大障礙物的話，盡可能低平地進入依然比陡直下降要有利於安全降落。低平進入容易使旋翼保持較高的轉速，萬一需要，可以通過週期距控制很快地改變航跡；但陡直下降需要較大幅度地降低旋翼轉速，使發生意外時改出的能力降低，還容易因為過快下降而進入渦流環狀態。在建築群中間降落，地面渦流會十分複雜，尤其需要額外的控制能力。另外就是在狹小、擁擠的場地降落時不要三心二意，看準了降落點就降下去，舉棋不定、拖泥帶水容易壞事。
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CH-47 的縱列旋翼佈局使其可以進行蜻蜓點水式的後輪觸地懸停
在山頂或者山脊上降落又是另一個問題。山頂或者山脊上沒有障礙物的問題，但上升氣流、下降氣流和側風下的亂流使安全降落很不容易。在山脊上降落時，應沿著山脊的平行方向從向風方向進入，利用上升氣流提供額外的升力，增加總距控制的餘地。為了減少低空亂流的影響，風力越大，下降角度應該越陡。這對飛行員的技術要求很高，不僅要掌握好下滑角度，還要掌握好前進速度。由於從較高高度陡直下降，到達山脊之前離地高度較高，不容易像平地上超低空掠地接近時容易靠目視判斷接近速度，需要藉助儀表和經驗來保持合適的接近速度。另一個要注意的是要把直升機保持在向風面，進入背風面容易受下降氣流影響，增加總距控制的負擔。如果側風強烈，可以側風進入，但在最後關頭“迎風轉舵”，頂風接地，這樣便於控制降落，也便於隨後的起飛。
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汶川地震時參與救援的黑鷹降落情形
在山頂上降落和在山脊上降落差不多，只是進入航跡要求更加精確。多數適合直升機降落的山頂不是一個圓點，而是一個橢圓或者矩形的區域，應該盡量利用長軸的方向進入。山頂降落的動作要求比山脊降落更加精確、穩健、果斷。接地時要確保地面足夠堅固和平整，才能收油門。不過從山脊或者山頂上起飛和平地上起飛不一樣，由於是從最高點起飛，迴避周圍的地面障礙物不是大問題，但避免亂流是大問題，所以不必急於爬高，而是應該盡快前飛，獲得速度，這樣不僅盡快脫離亂流區，萬一發生意外需要自旋降落的話，也可以從較有利的速度開始。
在地面覆蓋沙塵和大雪的時候，旋翼下洗氣流造成的能見度降低是一個很大的問題。看不見地面的情況下降落，可以對地面的平整程度誤判，貌似平整的場地上，一邊鼓包，一邊凹坑，很容易使實際接地點相當於陡坡，在坡地上降落但按照平地降落的程序，很容易造成危險。更大的危險在於誤判高度或者看不見障礙物，造成硬著陸或者碰撞。典型的降落方法是在降落點上空懸停一段時間，懸停高度以捲起的沙塵或積雪不至於淹沒直升機為限，用強大的下洗氣流吹走沙塵或者積雪，這個過程可能需要一兩分鐘。然後陡直下降，以免帶起附近的沙塵或積雪。如果有足夠的開闊地，另一個降落方法是滾動下滑，也就是保持一定的速度，使捲起的沙塵或者積雪正好落在前進的直升機之後，不至影響飛行員的視線。
在風和日麗、天高雲淡的日子裡，蜻蜓點水一樣的直升機是一道悅目的風景線，但直升機的英雄本色在於危難之中的搜索救援。在惡劣氣候、惡劣地形、惡劣海況下，等待救援的人們對直升機具有特別高的期望，但直升機在這樣情況下的安全降落是極大的挑戰，難怪高山、遠洋搜救直升機飛行員是一群特別值敬重的英雄。