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新型共轴反桨直升机

试验机厂家 发布时间:2008-10-12人气:

         在最近的报道中可以发现,美俄的先进直升机验证机纷纷采用了“共轴反桨+推进型尾桨”技术,但此共轴反桨并非俄罗斯“卡”系列和其他常见直升机的“软”桨,而是“硬”桨,尾桨也并非一般的抵消偏转力矩的作用,而是直接推进了,这究竟是为什么呢?

  
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  众所周知,当功率和转速达到某种瓶颈,就要看螺旋桨的效率了。因为螺旋桨转速很高,即使在机身飞行速度不是很高,螺旋桨尖端就已经遇到了“音障”问题,并且面临“失速”困扰,还受限于空气密度等因素,而发生“空转不做功”的问题。飞机螺旋桨因为空气动力学和重量限制,不可能做的太大太长太密,这就让螺旋桨飞机的速度遇到了瓶颈。

  当时尝试了很多办法,比如在螺旋桨外包一个“整流罩”阻止气流外逸(显然,这个思路后来衍生出了“涡扇”发动机),或者试图优化螺旋桨的造型(最终成为先进螺旋桨运输机的“马刀”型旋桨,并影响到喷气发动机的叶片造型,但不论怎么优化,其最适范围较小),还有一个就是著名的“共轴反桨”技术。

  所谓共轴反桨,就是双层桨叶共用一个传动轴,但转动方向相反,不仅平衡掉了单向转动偏转力矩,而且首要层为第二层提供了“预压缩”,第二级就有更大的“进/排气量”和“气流密度”,虽然达不到2倍的效果,但改善也是明显的。在喷火战斗机的末期改进型上就已得到了验证。

  但由于喷气发动机的飞跃式进步,战斗机淘汰了螺旋桨,但由于其经济性好,在不要求太高的速度的场合,比如大中型运输机,采用“共轴反桨+马刀型桨叶”就达到了螺旋桨的某种巅峰效率。
  
  直升机可以简单看作发动机朝上的螺旋桨飞机,虽然直升机的螺旋桨还需为机身提供升力,但很多技术概念是可以通用的,比如共轴反桨技术,就是俄国卡系直升机的标志。
  
  直升机的共轴反桨优点很多,在同样的输出功率(直升机对外部空气)时,就减小了旋翼长度/旋转面积,省掉了尾桨,非常适合于舰载的狭小空间使用。

  但显然,共轴反桨直升机并没有被用于陆基大型直升机、小型直升机和武装直升机。这是因为共轴反桨的较为复杂,结构重量较大,可靠性就稍有降低。用于大型直升机的制造难度较大,对于小型直升机太重,对于武装直升机不太可靠,而多用于“海基中型直升机”。具体原因如下:

  首要,海上气流较为稳定,至少也是在较大范围统一的,且没有高海拔降低功率的影响,虽然需执行反潜之类的武装行动,但绝大多数时候就是一架“飞行的起重机”,对于机动性没有太高要求。陆地地貌复杂、气流多变,武装直升机还需做高机动飞行,就很容易因飞行姿态和气流干扰损失掉两层选桨之间的“空气压缩区”,那么共轴反桨的重量就得不偿失了,而可靠性会进一步降低。

  第二,在某些急骤的机动飞行中(突然上升/突然下降时,某层桨叶的弯曲会滞后于另一层;或者突然向桨叶交叠的方向急转时)极可能发生上下旋桨相交的恶性事故。常规单层旋翼直升机在发动机停止工作时还能以较低速度螺旋下滑,即使战损也往往只失去一片桨,对于多桨叶机还能有一定升力,但失去旋翼的直升机则只会做垂直落体了……

  第三,为了保证安全性和控制压缩区,共轴反桨的高度较高,结构复杂,难以装顶置雷达,它想看到别人,就得先探出头来,这就丧失了直升机最大隐蔽接敌优势。

  第四,共轴反桨虽然可以无需尾桨平衡,但机动性也受到了影响,庞大的双层旋翼变换角度时显然不如单层容易,同时由于上述局限,往往对飞行姿态、机动过载作出很多限制。从某杂志的某篇海航访谈中也可以佐证,飞行员说直9非常“灵活”,而卡28很“笨重”。

  知道了这些,就能清楚为何貌似集先进技术和革命性创新于一身卡-50/52在俄罗斯武装直升机竞标中败给米-28的原因了。可能有朋友会引用卡-50在车臣的使用报告来证明其机动性不低,但恰恰是同一篇报告指出,要禁止其向某方向(左还是右,俺忘记了)急转。
 
  共轴反桨并未在卡50/52上体现出什么决定性优势:

  虽然省了尾桨但为了保证操作力矩,机尾长度并未短多少;

  虽然螺旋桨长度缩短,但双层桨的重量、可靠性的缺陷足以抵消它,陆地机场也不差那点空间,作战时的差异也可忽略不计;

  虽然共轴反桨有效率优势,但仅仅体现在“稳定前飞/悬停”姿态时,高机动作战时的“剩余空压”和“结构重量”相比是否合算很难说;

  虽然共轴反桨理论上通过对两层螺旋桨的差别控制可以作出匪夷所思的机动,但也更易发生事故,操作将非常复杂,而俄罗斯的自动控制技术又落后美国甚多;

  共轴反桨形成的“高压帽”,更易受复杂地形形成的局部高速风变影响(峭壁转折处、峡谷出口处,非垂直侧壁等等),就是说,可能维持姿态就够飞行员忙活了,没空去完成战斗任务。

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  俺这么一说,大家可能对共轴反桨丧失信心了,但需要注意的是,现有的共轴反桨的主要缺陷——环境适应能力、高机动飞行能力——的根源都是螺旋桨太“软”,用于战斗机、运输机的“纯推进式”螺旋桨就没这些问题。

  因为软,就容易损失掉中间的空气压缩区;

  因为软,两层螺旋桨就容易打架;

  因为软,两层螺旋桨就要保证足够的间距,加大了高度,也更易让压缩空气逃逸。

  所以,美国和俄罗斯纷纷研发了刚性很大的“硬”桨,来去弊存利,并且,硬桨的好处还在于“功率传递效率”很高,或者减小发动机重量或者增加飞行速度。


  但为啥不早这么干呢?

  需知,对于运输机那种纯推进式的较短的螺旋桨是容易做硬的,但想要让直升机的螺旋桨“又长又硬”还得“又轻”,就需要在材料、工艺、结构三方面下大功夫了

  为了进一步增加直升机得飞行速度,美国X2验证机还在尾部增加了推进式螺旋桨,实际上,由于推进气流得增加,也可大大提高可操作性和机动性。

  升力桨和推进桨由一台发动机提供动力,按飞行需要分配不同得功率(类似越野车对前后桥的分动原理),虽然这能让直升机作出更加匪夷所思的机动动作,但无疑也增加了操作难度(比较可靠的做法是先固定几个分配功率比值(比如10:0、2:8、5:5、4:6),然后做严格的试飞验证,得出各个状态的允许范围,存入飞行电脑中)。

  可能有朋友要说了,这么折腾还不如搞成V22鱼鹰那种呢~~

  
  需知,在发动机体积重量仍较大时,V22那种旋转发动机而非改变“排气流”方向(矢量喷嘴或多喷嘴)的做法的可靠性和实用性实在有点得不偿失,现适用范围仅针对“双发”“中轻型”“运输机”,其结构本身也难以用于作战机动。它的主要目的就是给美国海军陆战队提供中近程的高速的无机场局限的运输支援或者反潜,不能想象用螺旋桨机去和喷气战斗机作战,也无直升机的近地高灵活性和可靠性。

  总之,一种先进概念能够得意实现,是来自材料、工艺、结构的基础研发的支撑,更需要进行大量的工程实践验证,这也恰恰是中国近几十年所缺少的了。

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