只要这方面技术达标,复合式直升机大有前途,堪比倾转旋翼机

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为什么美国要再次大力推动复合式直升机?

在之前的文章中,我介绍过很多复合式直升机的概念,细心的读者朋友们可以发现,上世纪六十年代正是美国复合式直升机的井喷时期,不仅诞生了大名鼎鼎的AH-56A夏延直升机,同时还诞生了许多试验性质的复合式直升机型号,波音·伏托尔、西科斯基、贝尔等公司都对此投入了大量的研究。但是复合式直升机在美国直升机界的辉煌并没能持久,随着夏延直升机的项目在碰上技术困境和美国空军与陆军的军种之争而黯然退场之后,诸多复合直升机的研究工作都因此而受到波及(甚至可以说是打击),从而形成了一个被美国直升机专家称为“复合式断代”(Compound Gap)的直升机历史时代。

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△洛克希德公司的AH-56A夏延直升机可谓是是上世纪六十年代最为瞩目的新构型直升机

而自从“复合式断代”开始,关于专用于复合式直升机的技术研究和探索就逐渐变得非常少,甚至可以说是几乎没有。所以,自然而然,关于“现代化”的复合式直升机其实际性能潜力(也就是说在现代技术的加持下,复合式直升机能发展到什么样一个性能水平)的相关内容也是相当少。不过随着美国陆军开始推进新构型高速直升机的研制工作,不少关于复合式直升机任务设计的研究工作在过去的十年内被付诸实施——基于现代技术的应用——关于“现代化复合式直升机”的可行性构想也被越来越多的研究者所关注。

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△目前,倾转旋翼机的发展日趋成熟,显然在高速直升机领域已经拔得头筹

本文的目的正是介绍相应的研究工作,当然主要是一些结论性的内容,那么复合式直升机到底有没有足够的潜力和现在相当热门且渐趋成熟的高速型旋翼飞行器——倾转旋翼机——一争高下呢?请看正文。

复合式直升机和倾转旋翼机的对比

美国直升机专家曾通过简化的复合式直升机性能模型来进行巡航速度接近的复合式直升机和倾转旋翼机性能的对比分析——主要基于最基本的气动效率(等效升阻比,也就是前飞升力和等效阻力的比值,通常用来评估前飞性能)进行对比。专家们采用简单的降阶模型剥离并重点对比了和等效升阻比相关的最基本的关键因素,以此来分辨不同的旋翼构型(复合式和倾转旋翼式)的实际性能。

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△美国直升机界已有的复合式构型和倾转旋翼构型高速直升机概念设计

用于对比的两架飞行器有着相同的起飞重量、机翼面积、翼展、桨盘载荷和机身废阻迎风面积。为了进行对比,建立了机身、机翼和旋翼/倾转旋翼的气动模型。旋翼的诱导速度是通过理想化的动量理论来考虑到模型内的,为了提高计算效率,简化计算过程,旋翼/机翼之间的干扰影响则直接被忽略了。在巡航过程中,机翼分担的升力直接达到了100%,而在悬停状态下的机翼的“垂直增重”效应也被忽视了,所以本计算中的悬停性能也是理想化的。复合式辅助推进螺旋桨的损失、倾转旋翼短舱的阻力和所有的压缩性效应都被忽略了。两种旋翼都按照线性规则降低转速,其中倾转旋翼转速会降低到悬停桨尖速度的50%;而复合式直升机则会降低悬停桨尖速度的20%。

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△旋翼转速降低的技术被称为“Slowed Rotor”,下一代直升机基本都具备这种技术(图为采用该技术的空客直升机X3复合式直升机)

这两种飞行器之间的显著区别就是“Edgewise Rotor”(切向平飞旋翼)和倾转旋翼的型阻功率以及复合式直升机旋翼桨毂的废阻功率。在本文所谈论的研究工作中,桨毂阻力定义为与旋翼桨毂的等效废阻截面积、飞行器的总重和桨毂阻力因子,虽然其公式对读者朋友理解本文的内容没有什么大的助益,但是假如有些读者想要深入探究阻力计算方式的话,这个经验化的公式还是值得一看的:

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还需要说明的就是,在本文的比较中,桨毂阻力因子(也就是公式里面的Kfe)数值设定为0.28,这代表着一种非常低的桨毂阻力,怎么个低法呢?这样说吧,现有的常规的直升机,其旋翼桨毂在阻力最优化设计的情况下,桨毂整体的阻力因子大概在0.5左右,按照现有的直升机设计,这个数据要降低一半左右几乎是不可能的。这两种飞行器的物理特性和气动参数被列举在下表中。

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△被拿来进行对比的三种构型的飞行器基本参数数据表

值得注意的是,除了最基础的两种构型的对比之外,同时还针对高桨盘载荷(差不多两倍的桨盘载荷,桨盘载荷就是旋翼总拉力与旋翼桨盘面积的比值)的倾转旋翼进行了额外的对比分析。

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△三种构型飞行器等效升阻比随飞行速度变化曲线

这些分析的结果都展示在上图中。复合式直升机有着较低的桨盘载荷,同时得益于较低的桨毂阻力,其最大等效升阻比能达到和倾转旋翼机相当接近的程度。如果这两种飞行器配备有相同的安装功率(和悬停功率相当),这种情况下两者的最大飞行速度(在海平面标准状况下)分别是复合式直升机247 mph,倾转旋翼机262 mph,差距非常小,仅仅只有15 mph!

对于高桨盘载荷的倾转旋翼机,其最大等效升阻比会增长,这是因为较小的倾转旋翼尺寸降低了型阻功率消耗。如果考虑更高桨盘载荷的倾转旋翼的悬停需求的话, 其整体安装功率需求也会变高,这种设计的倾转旋翼及其最大速度变成了310 mph。当然,随着桨盘载荷的增加,复合式直升机的升阻比和桨盘载荷也会随之增加。

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△简化模型的直升机初步概念设计流程图

从这种对比中得到的结论有如下所述几点:

①一种配备有低阻力机身和超低阻力旋翼桨毂的先进复合式直升机能够与桨盘载荷相当的倾转旋翼机达到相近的效率;

②倾转旋翼机的高速能力一部分来自于较高桨盘载荷的悬停需求。

综合这些信息,可以认为复合式直升机构型也是能够实现目前战略家们所关注的极具吸引力的潜在性能的,但是这里仍然必须要强调的就是,要实现这一构想,很重要的一点就是需要将废阻力降低到一个很低的水平。

NASA和美国陆军面向实际任务性能的研究工作

在过去十年内,NASA和美国陆军进行了一系列面向实际任务性能构型设计的研究工作,这些工作主要内容就是评估一些直升机、倾转旋翼机和各种复合式构型的性能实力对于一系列范围很广的民用和军用任务场景的适用性。这些工作的目的包括:①从技术因素的方面探索这些构型的潜在任务性能;②为预研计划探究关键性技术;③确定应用于军事任务方面的性能和针对专用的任务评估最优的构型设计。总的来说,这些研究工作提供了一种定性的感知对于先进旋翼飞行器的性能和总的可行性,这是按照现代化设计方法和合理的假设对于相关的尖端技术学科。

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△NASA和美国陆军对于下一代倾转旋翼和复合式构型的飞行器的部分研究工作总结图表

在下图中对于7种NASA和美国陆军进行过的研究进行了总结对比。图中包含有研究日期、任务、设计总重、桨盘载荷、最大速度和巡航速度以及等效升阻比等数据。上文所提到的桨毂阻力参数,在对于复合式构型的数据中也被包含了进去。必须注意的就是这些结果并不能直接拿过来进行对比,因为这些研究工作面向的具体任务、模型假设和其他多种参数因子都是不一样的。但是,此处的目的是为了从这些数据中总结评估复合式直升机的总体的性能潜力。

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△NASA提出的大型民用倾转旋翼机概念设计

在这许多数据中,本研究最感兴趣的还是最大(或者巡航)速度性能以及在特定的巡航速度下的气动效率(这个指标一般用最大等效升阻比来评估)。总的来说,飞行速度和等效升阻比的数值对于现代化的复合式直升机来说都是要远高于当前的常规构型直升机的。并且,目前的等效升阻比的数值相比于上世纪六十年代那些试验性质的复合式直升机而言也有了长足的进步。此处尤其关注的就是NASA在2006年启动的“民用重型运输任务”(Civil Heavy Lift Mission)研究工作。这项研究工作的目的是要打造一种能够搭乘120名乘客的城市短途运输飞行器,其巡航速度需要达到350节,飞行高度30000英尺,航程1200海里。

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△NASA提出的大型民用重型运输直升机总体要求

NASA的研究工作对一种倾转旋翼构型和两种复合式构型进行了研究。其中大型民用倾转旋翼机(LCTR;Large Civil Tiltrotor)在巡航飞行的时候,其等效升阻比相比民用纵列复合式直升机(LCTC;Large Civil Tandem Compound)更高,并且在相同的指定任务情况下,总重较低,燃油消耗较少。但是复合式直升机的性能数据更为可观,并且在高巡航速度下等效升阻比更高。正如图中所展示的,NASA和美国陆军在任务研究中假设复合式直升机具备量级非常低的桨毂阻力(其阻力因子设定的数值通常在0.35~0.5之间,我在上问题到过,这种数值的阻力是非常低的)。

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△多种复合式/倾转旋翼构型的飞行器等效升阻比随飞行速度变化曲线

这张图片还展示了一些其他的信息,其中气动效率(也就是等效升阻比)被表示飞行速度的函数。从上世纪六十年代的试验性质复合式直升机飞行测试结果中得到的数据值也被放到了对比之中。NASA的民用重型运输任务项目的结果和复合式直升机的飞行测试结果的直接对比令人印象非常深刻。之前为了支撑美国陆军的“联合多任务”项目,美国政府牵头的研究小组设计了一种复合式直升机(对应图中:Gov't Design Winged Compound),该机的数据也被放到了这张表里面,该机的最大等效升阻比超过了8.0。其总体数据的变化趋势和已有的飞行测试结果吻合相当良好。

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△NASA设计的大型民用共轴复合式直升机


总的来说,虽然本文所述的研究结果很少有定量分析的内容,但是通过这些定性的数据对比,以及NASA和美国陆军面向任务性能构型设计的研究结果都表明,尽管复合式直升机未必是应对“高速和长航程任务”(HSLR;High-Speed and Long-Range Mission)的最优选择,但是这种构型仍然具备足够的潜力在高速性能和任务适用性方面远超过常规直升机,并且能够和倾转旋翼机“相差无几”。当然,这里有个前提——就是要通过技术革新来实现桨毂阻力的降低,这也是复合式直升机目前需要重点关注的关键技术领域之一。

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