直升机空气动力学

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1、直升机空气动力学 限制直升机速度的一个重要因素是旋翼桨叶的挥舞，桨叶的惯性在不断地挥舞中增加了机械振动，铰链的磨损（或弹性元件的疲劳）使直升机的可靠性总是不如固定翼飞机。常规直升机的柔性桨叶虽然是非常规机动成为可能，但柔性的桨叶也限制了直升机的机动性，难于像固定翼飞机一样做迅猛的滚翻、拉起、俯冲、盘旋动作，过于激烈的机动动作可能使桨叶和机体碰撞，严重危害飞行安全。刚性桨叶的限制要小得多，采用刚性桨叶的直升机或许有这样、那样的问题，但都具有比常规直升机远为出色的机动性。为此，刚性桨叶一直是直升机研究的一个目标。洛克希德“夏延”的下马给刚性桨叶的发展蒙上阴影，但刚性桨叶的研究并没有就此偃旗息鼓，近

2、来又柳暗花明的迹象。为了大幅度提高直升机性能，美国从 70 年代开始，进行了一系列直升机研究机项目。西科斯基的“前行桨叶概念”（Advancing Blade Concept，简称 ABC）在较早就获得成功。如前所述，刚性旋翼的一个大问题是由于前飞的相对速度叠加在旋翼旋转速度引起的非对称升力，但对于刚性的共轴反转双桨来说，两边的非对称升力叠加起来，就对称了，刚性的桨叶和桨轴吸收所有的扭力，这就是 ABC 可以免去挥舞铰的基本思路。由于刚性桨叶没有挥舞，上下旋翼可以离得很近，而没有碰撞的危险。差动式地加减上下旋翼的桨距以形成扭力差不仅形成水平方向上的转向，还由于刚性旋翼非对称升力造成横滚，进一步

3、加速转弯过程，所以 ABC 具有异乎寻常的机动性，大大超过常规直升机。ABC 直升机有专用的推进发动机，高速平飞时，用气动舵面实现飞行控制。采用 ABC 的 S-69（军用代号 XH-59A）参加了 LHX 竞争，但技术终究不够成熟，在悬停中低头或抬头也比较困难，落选于同出于西科斯基的常规旋翼加涵道尾桨的方案，后者最终成为 RAH-66“科曼奇”，现在也下马了。 西科斯基 XH-59A“前行桨叶”概念研究机，用共轴反转的刚性旋翼，既抵消扭力，又抵消非对称升力 流线型的 S-69 蛮俊俏的 前行桨叶在无人机的大潮中得到复苏，西科斯基的 Mariner/Cypher II 将前行桨叶和涵道风扇结合

4、起来，动力从“碗边”通过传动轴传递，可以分别传递给上下旋翼，而不必用套筒轴驱动，大大简化机械设计和制造。理论上涵道可以改变气流方向，解决后行桨叶失速（retreating blade stall）问题，提高直升机速度。但涵道本身增加重量，更是增加迎风阻力，如果像 Mariner 那样开在中机身，还妨碍机内载荷和设备的布置。西科斯基在 Mariner 上使用前行桨叶，与其说是为了速度，不如说是为了减小旋翼直径。涵道的采用和和后行桨叶失速没有太大关系，主要是无人机整体布置上的方便，涵道结构本身容纳发动机和机载设备，加上涵道有良好的侧向隔音作用，特别有利于巷战或特种作战使用。 西科斯基的 Marin

5、er/Cypher II，是美国海军无人机竟标中的候选之一 / Mariner/Cypher II 的前身 Cypher 在美国陆军本宁堡步兵学校的演习场作巷战演示 作为美国直升机工业的龙头老大，西科斯基在 80 年代和国防部和 NASA 合作，研制了所谓 X 形翼研究机，其基本思路是在直升机和固定翼飞机之间架一座桥，机顶的 X 形机翼可以在直升机状态下旋转，产生升力；前飞达到一定速度后，X 形翼锁住固定，作为机翼使用，飞机转入固定翼状态。X 形翼在气动上虽然少见，但并非不可思议，这就是一对后掠翼加一对前掠翼。直升机状态下，反扭力问题有尾桨解决，比较难的是采用刚性的单旋翼，如何解决非对称升力的

6、问题。西科斯基采用独特的“环流控制技术”（Circulation Control Technology），将发动机压缩机后引出高压气流，通过宽大的桨叶内的管路，像吹气襟翼一样，向桨叶后缘开缝襟翼吹气。吹气襟翼在下垂的襟翼表面喷吹高压空气，加速机翼上表面的气流流动，使机翼达到超过实际空速下能够产生的升力，50-60 年代第一代超音速战斗机的低速性能就是靠吹气襟翼“救命”的。环流控制桨叶根据桨叶在圆周运动中的不同位置，控制开缝宽度和吹气强度，控制升力的增减，以补偿非对称升力。 西科斯基的 X 翼研究机将宽弦“桨叶”和机翼合二为一，在直升机状态作旋翼旋转，在固定翼状态固定，作为 X 形机翼，在直升机

7、和固定翼之间架桥 / 用普通直升机旋翼先行试验的西科斯基“旋翼系统研究机”（Rotor System Research Aircraft，简称 RSRA） 按固定翼飞机试飞的 RSRA，可以看到，RSRA 用机翼就可以产生足够的升力，并不需要 X 形翼的额外升力 90 年代时，波音接过接力棒，将 X 形翼的概念推向新的高度，用麦道直升机和 NASA 的合作结果，研制了“蜻蜓”（Dragonfly）研究机。“蜻蜓”有鸭式前翼和宽大的水平尾翼，机顶上有一字形的旋翼-机翼。在直升机状态下，旋翼-机翼在喷气翼尖的作用下旋转，产生升力。一字形的旋翼-机翼相当于双叶旋翼，可以用跷跷板铰链完成挥舞和领先-滞

8、后动作，所以“蜻蜓”对非对称升力的补偿还是常规的。“蜻蜓”的动力装置是一台涡扇发动机，从压缩机引出高压气流，通过管路输送到旋翼-机翼的翼尖，驱动喷气翼尖。由于喷气翼尖不产生反扭力，“蜻蜓”没有尾桨。达到一定的平飞速度后，鸭翼和平尾产生足够的升力，旋翼-机翼锁住，作为固定的机翼，飞机转入固定翼状态。“蜻蜓”正在试飞，美国军方对它寄予厚望，甚至有想法把它放大到载人攻击直升机。 波音的“蜻蜓”Dragonfly 研究机 “蜻蜓”在悬停中 这张三视图清楚地显示了旋翼-机翼的两重性 “蜻蜓”垂直起飞到平飞的过程 “蜻蜓”的鸭翼-旋翼（canard rotor wing）概念对海军很有吸引力，海军有将其开

9、发成舰载无人机的打算 / 载人的“蜻蜓”长满牙齿，蛮凶的 X 形翼到“蜻蜓”有一个共同的特点：采用宽弦刚性桨毂可锁定的两用旋翼-机翼（所谓stopped rotor）。粗短宽厚的刚性旋转机翼从根本上解决了很多细长的柔性旋翼桨叶难以解决的问题，但是和常规直升机相比，这些飞机的悬停和非常规机动性能还是受到一点损失的，正可谓有得必有失。最主要的技术困难还是来自于升力产生机制转换期间的飞行控制问题，处理不好，就容易失事。事实上，所有在升力产生机制中转换的所谓 convertiplane 都有这个机制转换期间的控制问题，机制转换动辄几十秒，快的也要 10 秒，就是不敢动作太猛，怕失控，同时也有速度和高度

10、的限制，不是随时随地想转换就可以转换的。在战斗中，这个转换时间和高度、速度的要求给战术动作带来很大的困扰，升力机制的转换只好在进入战斗前完成，使 convertiplane 在实用中的吸引力受到不小的损失。 “蜻蜓”的鸭式布局为旋翼和机翼的关系提供了一个新思路。机翼可以在平飞中为旋翼卸载，但机翼对旋翼的下洗气流造成遮挡也是不争的事实，鸭式布局把机翼和旋翼的位置错开来，互不遮挡，如果没有胃口直接上两用旋翼-机翼，将“蜻蜓”的鸭式布局、Piasecki 的涵道螺旋桨和 S-69 的 ABC 桨叶结合起来，在技术上没有太了不起的困难，但可以成就一架相当先进的直升机，如果没有胃口直接上这样布局的载人直

11、升机，至少可以从无人直升机开始。从复合直升机，到直升-旋翼机，到可锁定的旋翼-机翼，这是一条从直升机向固定翼飞机过渡的路径。与此对应，当然也有一条从固定翼飞机向直升机过渡的路径。如果能使固定翼飞机的推进装置改变方向，不就能实现垂直起落了吗？贝尔的 XV-3 是采用倾转动力的固定翼飞机的先驱之一。XV-3 的处在翼尖的发动机是固定的，但驱动旋翼的桨轴可以倾转，所以叫倾转轴（tile shaft）。平飞时，旋翼向螺旋桨飞机一样驱动飞机，垂直起落和悬停时，旋翼通过桨轴向上偏转 90 度。为了保持直升机状态的飞行控制，XV-3 的旋翼是和直升机一样的柔性旋翼，具有全套的总距和周期距控制。XV-3 的动

12、力不足，无法在超出地面效应的高度悬停，作为直升机的功效有限，但 XV-3 证明了将直升机和固定翼飞机结合起来的可能性，为贝尔日后争取到 XV-15 乃至 V-22 的合同至关重要。 以固定翼状态飞行的贝尔的 XV-3，发动机不转动，旋翼的驱动轴转动，所以称 tilt shaft，日后成为 V-22 的重要先驱 / 以直升机状态飞行的 XV-3 XV-3 在悬停状态，由于功率不足，XV-3 不能在超出地面效应以上的高度悬停 / 与贝尔 XV-3 竞争落选的 Transcendental 1G，这是由从 Piasecki 分出来的一批人设计的 XV-3 从直升机状态向固定翼飞机状态转换的过程 和贝

13、尔 XV-3 的技术相似，Transcendental 1G 也是采用倾转轴 / Vertol（以 CH-46、CH-47 出名，后为波音收购）XV-21，同样是 Tilt Shaft 贝尔对柔性桨叶的局限清楚得很，在 70 年代，以 XV-3 的研究结果为基础，和 NASA 和美国军方合作，研制了采用半刚性桨叶的 XV-15。XV-15 的发动机舱和旋翼一起倾转，所以成倾转旋翼（tilt rotor）。半刚性桨叶可算是贝尔的看家本领了，当年红透直升机世界半边天的 UH-1，就是采用半刚性的双叶旋翼，桨叶和桨毂刚性连接，但桨毂和桨轴通过跷跷板轴承柔性连接，利用前行侧桨叶的自然升起和滞后，带动后

14、行侧桨叶的自然降落和超前。很神妙的设计，可惜只能用于双叶旋翼。贝尔将跷跷板的原理推广到三叶（理论上也可以更多片桨叶），估计就是在万向接头外包覆一个刚性的整流罩，所有桨叶和整流罩刚性连接。 桨叶和桨毂的经典的分立铰链式连接，挥舞铰、摆振铰“五毒俱全” / 紧凑一点的重合式铰链连接 双叶桨叶特有的跷跷板式连接，省却了挥舞铰和摆振铰，贝尔的经典之作 UH-1 和 AH-1 就是用这种结构 / 从跷跷板进一步发展而来的万向接头式连接，估计贝尔的半刚性旋翼就是在万向接头外包覆一个刚性的整流罩 贝尔的半刚性旋翼保留了直升机的总距和周期距控制，用于在悬停或直升机飞行状态时的飞行控制。贝尔还采用了宽弦、大弯度

15、的桨叶，是桨叶最大限度地在前飞时接近常规螺旋桨的特性。XV-15 引起了军方极大的兴趣，飞行试验远远超过简单的悬停、平飞和直升机-固定翼飞机之间的状态转换等概念证明型的试飞科目，而是进入了演习场、两栖登陆舰等接近实战的条件下的试验。美国军方对实验结果相当满意，这直接导致最终的四大军种联合研制的 V-22“鱼鹰”项目。V-22 是历史上第一架也是仅有的一架可以垂直/短距起落的量产型运输机，V-22 故事的细节请看 “鱼鹰”杂谈。 贝尔 XV-15 在悬停中 / XV-15 在平飞中 XV-15 在起飞 为了尽可能减小迎风阻力，倾转旋翼的旋翼直径应该在不影响直升机状态下的性能的前提下尽可能减小。但

16、较小的旋翼不可能不影响直升机状态的性能，最突出的就是所谓“涡流环”现象。直升机在快速下降过程中，要使旋翼进入自己的下洗气流，或下洗气流造成的涡流，旋翼和周围空气之间的相对气流方向和相对速度出现本质变化，可能出现“打滑”而失去升力，这时候越是增加旋翼功率，打滑越严重，这就是所谓的“涡流环”现象。常规直升机也会出现“涡流环”现象，但小直径的旋翼更容易进入这一状态。V-22 在试飞中几次引人注目的坠机，大多出自这个原因。在悬停或直升机状态时，倾转旋翼在理论上可以通过控制左右发动机的推力来控制横滚，用旋翼的前后转动来控制俯仰，偏航比较难办，可以用旋翼下洗气流作用在机翼的襟翼上，辅以一定的横滚作用来实现。但事实上，增减发动机推力的灵敏度不够，反映不够快，控制量也不够精细。用机电控制倾转旋翼来实现俯仰控制，灵敏度问题更大，无法适应恶劣天气时的飞行要求。实用化的倾转旋翼的 V-22（及其前身 XV-15）都是采用直升机桨叶，即保留了全套直升机的总距和周期距控制，而不是只可以调节桨距的螺旋桨，所以直升机状态的 V-22 的操控和直升机无异。在以螺旋桨-旋翼为基础的垂直/短距起落飞机中，倾转旋翼是最成熟的方案。美国的 V-22 在饱经千难万险之后，终于开始量产。 直升机状态前飞中的 V-22 在空投伞兵