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倾转旋翼机难以替代水平推进直升机:因控制难度偏大

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美国作为旋翼机的先驱,自从又失去了苏联这个强有力的对手后,就成了独孤求败的状态。到了今天在旋翼技术能力在世界范围内可以说是首屈一指的,在一定程度上可以引领未来数十年世界旋翼机的发展方向。近20多年,在美国在高速直升机领域诞生了两种重要的旋翼技术的分支,一个是倾转旋翼系统,一个是共轴双旋翼+水平推进装置。那么谁会代表未来的旋翼机发展方向呢?今天宣仔就讨论一下这个问题。

如果论技术先进性,毫无疑问是倾转旋翼。倾转旋翼机以美国贝尔公司为代表,目前已经服役的的V-22鱼鹰倾转旋翼机最大速度可达275节(509km/h)速度,另一款V-280则可以飞280节(520km/h)的速度,保持了目前直升机的速度记录;之所以能这么快,是因为倾转旋翼机可以将转动螺旋桨的主轴,在高速飞行时螺旋桨的几乎水平(还是有一定角度),彻底变身为一架固定翼飞机。

V-22鱼鹰,已经服役数百架

V-280,未来陆军和陆战队采购的热门机型

另一种方案共轴双旋翼+尾推,是将推进装置加在机尾。这样做效率最高,但会引入一个问题。根据角动量守恒,弹旋翼机会产生扭转力矩使直升机旋转起来,所以需要在尾部装一个尾桨或者涵道风扇通过转动产生力矩来把机身角动量减到0(也就是机身不旋转)。由于尾部推进装置会挤占掉尾桨的位置,所以在弹旋翼机上是没办法加尾部推进装置的。所以增加了水平推进动力的直升机往往采用共轴双旋翼,因为共轴双旋翼,两个旋翼通过相同转速的,方向相反的转动,使旋翼系统的合成后的角动量保持在0附近,机身也不会旋转了。由于实现原理的限制,共轴双旋翼+尾推的方案在速度上略逊一筹,目前以西科斯基为代表,其S-97 Raider X最大速度可以飞到240节,也就是440km/h的速度。

西科斯基的S-97 Raider X

S-97的平飞动力来自尾部的螺旋桨转动产生的推力

虽然速度快得多,但论安全性和成熟型以及悬停能力,倾转旋翼机和共轴双旋翼还是没法比。共轴双旋翼之前在俄罗斯人手里弄出来一个上下桨叶打浆的问题,但是那是不增加尾推的情况下,桨叶和桨毂不得不采用铰接导致的缺陷。西科斯基采用了刚性的旋翼,桨叶和桨毂刚性连接,彻底解决了这个问题,所以安全性非常高。加上旋翼还是在飞机头顶上,这种方案的悬停能力更好,适合用来做武装直升机和侦查直升机,以及索降任务。西科斯基甚至提出过一个专利,旋翼都采用较宽的桨叶,在高速飞行时,可以将桨叶锁死不转,这样就可以变身为一个“X”型的机翼来提供升力;此时全部的动力都由尾部螺旋的转动提供,不得不说这是个鬼才设计,这样也可以使旋翼机彻底变身为一架固定翼飞机,与倾转双旋翼是殊途同归的。宣仔认为在侦查武装直升机的竞标中,这种方案毫无疑问会获胜。但这种方案不太适合把起飞重量做的太大,所以如果是做运输直升机,尤其是配发给快速反应部队的话,显然还是倾转旋翼机更占优势。

旋翼锁死作为固定翼提供升力的一种方案,是未来的双旋翼+尾推的演进方向

而倾转双旋翼虽然飞行速度很快,但有两个致命缺陷,一个是悬停能力不好,一个是引入过多的机械可活动件,系统复杂度太高。起降稳定性不好是因为,倾转旋翼机必须做成在两翼安装两个旋翼的形式,旋翼产生的升力并不在飞机重心上,而是对飞机重心有一个力矩;通过两个旋翼的力矩抵消维持平衡;但是这只是理想状态。在实际使用,根据环境不同,飞机制造的一致性不同,两个旋翼产生的力矩可能不尽相同;这需要飞行员和飞控系统实时不断调整两个力矩维持平衡,但也非常容易引入震荡。初次做面食的人应该都体验过,水多了加面,面多了加水是个啥体验,因为经验不足,总是很难达到刚刚好的状态,最后就翻车了。其实飞机控制也是一样,系统稳定性差,就容易出现这个震荡。

V-22的系统稳定性不好,容易引起人机耦合震荡

不好控制也就不说了,倾转旋翼机机械结构也过于复杂。下图是 V-22鱼鹰从折叠到打开的过程。看起来非常酷炫,未来感十足,但是可以看到涉及到的可动机械部件是很多的。由于系统正确运行率是所有部件正常运行率的乘积,所以任何一个部件出问题都会导致系统问题,尤其是这种可动件。鱼鹰自研发到服役,已经有42人在事故中死亡。不过目前美国似乎已经通过训练和保养很大程度上减少了事故的发生,目前已经服役了数百架V-22。但客观地讲,这种直升机还是用来做运输更好。做为对悬停能力要求较高的武装直升机和特种作战的直升机并不是太合适。

V-22展开过程,很有变形金刚的感觉,但是作为武器显得有点过于精密了

因此宣仔认为,在陆军未来的FARA和FVL等计划中,美国很可能会出现两种方案的旋翼机都服役的局面,一家独大赢者通吃的局面可能不会出现。(作者署名:纸上的宣仔

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