AA82276761 2014-12-8 02:08
AVX公司的新型直升機
美國陸軍正在進行“聯合多用途直升機”（Joint Multi-Role，簡稱JMR）和“未來直升機”（Future Vertical Lift，簡稱FVL）計劃，最終將取代UH-60“黑鷹”、AH-64“阿帕奇”和其他主流直升機，計劃2017年首飛，自然引起貝爾、波音和西科斯基等主流直升機廠商的巨大興趣。波音和西科斯基聯手，以西科斯基X-2研究直升機為基礎，採用共軸反轉剛性旋翼和推進螺旋槳技術聯手推出JMR/FVL方案。貝爾在命運多舛的V-22“魚鷹”的基礎上，推出第三代傾轉旋翼技術，翼尖發動機不再整體傾轉，而是通過傘齒輪組只傾轉旋翼部分，降低了機械複雜性，在理論上甚至有可能用安裝在機身內的發動機驅動兩側的傾轉旋翼，半剛性旋翼也加大直徑，降低翼盤載荷，避免了“魚鷹”的很多問題，以此作為貝爾JMR/FVL方案的基礎。就是歐洲直升機也以X-3研究直升機技術為基礎，推出競爭方案。歐洲直升機X-3和西科斯基X-2沒有任何關係，採用常規的單旋翼，左右推進螺旋槳，但沒有尾槳。在高速平飛時，旋翼卸載到接近風車狀態，反扭力基本消失，升力基本上靠短翼產生。在低速或者懸停時旋翼出力產生升力的情況下，用左右推進螺旋槳的不對稱推力平衡旋翼的扭力。但現在正在半路殺出一個程咬金來，名不見經傳的AVX公司推出一個新穎的方案，引起人們極大的興趣。
[attach]104275[/attach]
美國陸軍正在著手研究替換AH-64“阿帕奇”和UH-60“黑鷹”的問題，技術驗證計劃名為JMR
[attach]104276[/attach]
貝爾的方案基於傾轉旋翼的MV-22“魚鷹”
[attach]104277[/attach]
西科斯基（現在得到波音加盟）的方案基於X-2的共軸反轉剛性雙槳和推進螺旋槳技術
[attach]104278[/attach]
歐洲直升機的方案基於X-3技術
[attach]104279[/attach]
但AVX的方案才是真正的半路殺出來的程咬金
小小的AVX由一些前貝爾公司人員組成，包括貝爾的前總工程師，由於並沒有現成的量產產品，嚴格來說只是一個虛擬產品。但21世紀最重要的就是創意，AVX帶來的正是創意。AVX的方案是一個獨出心裁的成熟技術和新概念的混合體，採用俄羅斯卡莫夫直升機那樣的傳統共軸反轉雙槳旋翼，但也採用推進螺旋槳。兩者都是成熟技術，但結合在一起則起到1+1>2的作用。AVX正是希望用成熟技術的全新包裝達到高性能和低風險的效果。
直升機相比於垂直-短距起落飛機來說，最大的優點就是無與倫比的懸停性能。共軸反轉雙槳提供了比單槳高得多的懸停性能。懸停是最吃功率的時候，對於單槳-尾槳的傳統佈局來說，主旋翼這時出力最大，需要尾槳的反扭力也最大。也就是說，懸停狀態一方面需要最大功率，另一方面也是反扭力造成的功率浪費最大的時候。共軸反轉雙槳則沒有這個問題，全部動力都可以用於產生升力。俄羅斯海軍即使放棄與陸軍和空軍的通用性也要堅持用共軸反轉雙槳的卡莫夫直升機，很大原因就是因為共軸反轉雙槳優異的懸停性能，這對直升機反潛十分重要。由於反轉雙槳可以抵消一部分旋翼的本質振動，平穩性也更好，更加容易操縱。俄羅斯海軍的卡莫夫直升機在海上懸停這樣的高危操作時，經常只需要一個飛行員在控制。
[attach]104280[/attach]
卡莫夫直升機是最典型的共軸反轉雙槳，以特別優異的外掛和懸停性能而得到俄羅斯海軍的青睞
[attach]104281[/attach]
但卡莫夫那樣的傳統雙槳不適合高機動動作，曾有雙槳在高g轉彎中打架的事情
共軸反轉雙槳不是沒有缺點的。直升機在前飛時，前行槳葉迎著氣流運動，後行槳葉則背對氣流運動，相對速度之差使得前者產生更大的升力，這造成直升機左右的升力不平衡。為了恢復平衡，槳轂結構上有一塊斜板，使得槳葉在圓周運動的同時，在前行階段降低迎角，在後行階段增加迎角。也就是說，從前面看過去，旋翼的轉軸垂直向上，但葉尖路徑平面是向一側有所傾斜的，傾斜方向由旋翼是順時針還是逆時針旋轉而定。這樣，從前面看過去，共軸反轉的雙槳必然一個向上台，另一個向下壓，一側間距比另一側更小。在飛機急轉彎時，離心力和氣動壓力可以使得有彈性的槳葉產生超常揮舞，向特定方向急轉彎就可能在間距較小的一側造成碰撞。因此，共軸反轉雙槳需要大大增加上下雙槳的間距，不僅增加迎風阻力，也削弱了共軸反轉的氣動對稱。
[attach]104282[/attach]
直升機的斜板控制旋翼旋翼葉片的迎角
另一方面，槳轂結構上同一塊斜板也可以使葉尖路徑平面向前有所傾斜，在產生升力的同時產生推力。為了加強推力的產生，有時機體都要有所前傾，以增加葉尖路徑平面的前傾角度。但前傾（還有側傾）造成槳葉的揮舞，引起強烈的周期性振動，在某種程度上限制了實用飛行速度。採用額外的推進螺旋槳可以為旋翼卸載，是提高直升機速度的常用作法。
AVX的組合不是簡單地把集中不同的技術堆積在一起，而是富有創意地利用了各種技術的優點。
共軸反轉雙槳最大的優越性在於懸停和垂直起降性能，所以為懸停和垂直起降而優化。在平飛中，推進主要來自推進螺旋槳，而旋翼主要用於產生升力。從動力分配的角度來說，在230節（約426公里/小時）速度時，2/3的動力用於推進螺旋槳，1/3的動力用於旋翼。事實上，旋翼還是有所前傾的，但這是用來補償機體在前飛時有所上仰的姿態，上仰的機體本身在前飛時還產生一點氣動升力，民航客機為了省油也是這麼做的。這與常規直升機截然相反，由於機體要有所前傾以增大葉尖路徑平面的前傾角度，機體實際上是產生一點負升力的。不用旋翼前傾而產生推力使得全速前飛時槳葉負載降低50%以上，極大地降低了振動。
AVX的升力設計也有特色。在全速前飛時，旋翼只提供60%的升力，前機身的短翼和推進螺旋槳的涵道提供其餘40%升力的主要部分。採用短翼提供輔助升力是常見的做法，問題在於短翼通常只能設在中機身，以便維持升力和重力的平衡。但短翼設在中機身恰好擋住了旋翼下洗氣流的路徑，造成升力損失。採用前置短翼在很大程度上緩解了這一困局，而升力平衡問題則由後置的涵道螺旋槳解決，涵道相當於環翼，不僅提高螺旋槳的推進效率和遮蔽噪聲，還提供前飛時的升力。降低旋翼對升力的出力還有助於降低阻力，前行槳葉是造成額外阻力的，出力越大，阻力也越大。但高大的共軸反轉雙槳的阻力還是比單槳大，全速前進時，旋翼和槳軸系統佔總阻力的一半，所以AVX在研究用整流罩減阻的措施。
[attach]104283[/attach]
AVX直升機前飛時由推進螺旋槳提供推進力
短翼和涵道在超低速和懸停時無法提供升力，這就是共軸反轉雙槳發揮作用的時候了。由於所有功率都可以用於旋翼而產生升力，除了運轉平穩和容易操縱外，共軸反轉雙槳的載重和外掛能力比單槳更強。AVX的方案在大小上和UH-60“黑鷹”相仿，正常起飛重量約為22000磅（約9980公斤），可運載12名士兵和4名機組人員，但最大外掛載重能力達到13000磅（約5900公斤），和CH-47“奇努克”相仿，遠遠超過“黑鷹”的9000磅（約4080公斤）。
[attach]104284[/attach]
懸停時由共軸反轉雙槳提供升力
直升機最大的優點不光是能垂直起落，還在於能在空中懸停、側飛、倒飛、慢翻滾等特殊機動；不光可以在平地和無風條件下垂直起落，還可以在具有一定坡度或者狹窄的場地和有側風、背風的情況下垂直起落。直升機最大的缺點當然是速度不能和固定翼飛機相比。西科斯基X-2、歐洲直升機X-3、貝爾傾轉旋翼都用獨特的技術手段克服直升機的速度缺陷，但也因此犧牲了一些直升機的本質，懸停、非理想起落場和特殊機動能力在不同程度上有所損失。這些新技術還有一些令人擔憂的技術風險。西科斯基X-2採用剛性旋翼，振動和疲勞依然是沒有徹底解決的難題。當年洛克希德AH-56“夏延”的速度和機動性不成問題，但直升機狀態的性能和振動、疲勞問題無法解決，最終只得放棄。開放的尾端推進螺旋槳和傳統的開放尾槳一樣，在窄小、擁擠的起落場上容易和地面障礙碰撞，對從機尾經過的人員也是一個很大的危險。歐洲直升機X-3的旋翼是常規的，技術成熟，但在旋翼空轉的旋翼機狀態和旋翼出力的直升機狀態之間的平順轉換是一個難題，用兩側推進螺旋槳作為反扭力補償對飛控的可靠性、反應速度的挑戰很大。常規直升機的旋翼和尾槳用機械連接保證同步，X-3採用多台互相獨立但必須合作工作的發動機，萬一一台推進發動機故障而不能在懸停或者垂直起落狀態下提供反扭力，如何保證飛行安全是一個難題。貝爾的第三代傾轉旋翼的翼尖發動機不再傾轉，但傾轉旋翼的一些本質問題依然無法避免。這在本質上是具有直升機特性的固定翼飛機，而不是真正的直升機，懸停、非理想起落場和特殊機動能力不能和常規直升機相提並論。
[attach]104285[/attach]
[attach]104286[/attach]
AVS可以像固定翼飛機那樣以機頭向下姿態進場降落，可以部分解決垂直降落時的揚塵遮擋的問題
相比之下，AVX反其道而行之，立足於成熟的共軸反轉雙槳，用推進螺旋槳和短翼提高飛行速度，但特別強調懸停、非理想起落場和特殊機動能力。這樣雖然在紙面上的性能（尤其是速度）不及更新穎的設計概念，但在實用上或許更有吸引力。更重要的是，AVX的方案技術風險最低。傳統共軸反轉雙槳是成熟的技術，不管是否能得到卡莫夫的技術合作，美國都有足夠的技術儲備解決相關問題。在高速平飛狀態下旋翼得到短翼和發動機涵道的卸載，實際上減小了依靠旋翼出力的傳統共軸反轉雙槳的槳葉碰撞問題。事實上，早在40年代直升機先驅希勒就研究過共軸反轉雙槳。短翼和涵道推進螺旋槳更是沒有技術難度。推進發動機不參與懸停或者垂直起落狀態，可靠性不是一個問題。在實用性方面，AVX的發動機、旋翼和機體設計與傳統設計相近，很多行之有效的傳統設計都可以沿用。比如兩側艙門邊上可以安裝艙門機槍，便於掩護登機和離機的步兵，而不受傾轉旋翼那樣兩側不宜開門的限制；機尾蚌殼式尾門和跳板便於車輛和物資進出，X-2的推進螺旋槳擋住了尾門進出的通道，X-3的推進螺旋槳兼作反推力，在近地懸停或者地面短停時正在全力工作，對尾門進出的人員和車輛是很大的問題。
[attach]104287[/attach]
AVX JMR尾部的大型艙門方便運輸
AVX的設計還有一個好處：可以很容易地用於現有的旋翼-尾槳式直升機的改裝。用裝備從現有單旋翼改裝為共軸反轉雙槳不難；從現有尾槳改為AVX式的也很容易，只需要換上AVX的尾撐-推進螺旋槳結構，把原用於驅動尾槳的傳動軸連接到驅動雙涵道推進螺旋槳的動力軸上也就可以了；兩者都在維修基地就可以進行。這樣的AVX改裝如果不增加前置短翼的話，旋翼在前飛中還是要產生主要升力，但依然不需要產生主要的推力，還是達到旋翼卸載和提高速度的目的，同時提高垂直起飛重量和改善高原-高溫性能。在阿富汗和伊拉克的作戰中，美軍直升機屢屢發現速度和航程常常不是個大問題，但高原-高溫性能不足是個問題，以至於用CH-47“奇努克”完成通常可能UH-60“黑鷹”就能完成的任務。AVX技術用於改裝升級的潛力不容忽視。
[attach]104288[/attach]
[attach]104289[/attach]
AVX已經為這個別出心裁的方案設想了很多應用，包括重型武裝直升機
[attach]104290[/attach]
另一個好處是可以對現有直升機進行改裝
對於西科斯基、波音、貝爾和歐洲直升機這樣的傳統直升機大戶來說，AVX無疑是半路殺出的程咬金。與西科斯基、波音、貝爾、歐洲直升機不同的是，AVX非但現在沒有直升機製造能力，將來也不打算有這樣的能力。AVX將提供關鍵技術，這關鍵技術要“嫁接”到現有直升機或者合作夥伴的技術上才能發揮作用。這對AVX既是挑戰也是機會，使其有機會與現有的直升機公司合作而不一定正面競爭。但這是美國乃至西方軍工世界的一個嶄新模式。在具體的武器或者係統技術層次上，這樣的純技術、無製造的顧問公司是有先例的，但在直升機這樣的大型系統上，還沒有先例。AVX的道路如果走通，或許會打開美國乃至西方軍工世界的一個新局面，少數寡頭形成事實壟斷已經成為一個問題，但純技術、無製造的新興力量就比小而全、大而全的新開戶頭要容易存活得多。但這是題外話了。