一架未来复合式直升机应该长什么样?面向实用设计的重新构想

一架未来复合式直升机应该长什么样?面向实用设计的重新构想

为什么某种新构型的飞行器能够从诞生走向成熟?

是发明家的奇思妙想,还是设计师的灵机一动?其实,这些说白了都是表面现象,如果我们深入挖掘的话,很快就能发现:如果只是诞生于某种天马行空的想象的话,一种新构型飞行器是不太可能走向成熟的,那些真正声名赫赫的飞行器,其诞生往往是面向特定的、需求强烈的任务,当然,特别是军事任务。

一架未来复合式直升机应该长什么样?面向实用设计的重新构想

△如果没有美国陆军的通用战术运输需求,就不会诞生黑鹰

别的不说,就说在直升机领域,无论是黑鹰、阿帕奇、支奴干还是鱼鹰倾转旋翼机,他们都是面向美国军方实实在在的任务需求而诞生的。可以说,如果没有大量的任务需求,这些旋翼飞行器绝对不会像如今这般名著四海。关注直升机的读者朋友肯定都知道美国陆军现在大力推进“未来垂直升力”计划,而这个计划目前的子项目“未来远程突击直升机”和“未来攻击侦察直升机”的所有概念方案几乎都是“复合式直升机”。那么,“复合式直升机”到底有没有走向成熟的机会,或者说,它到底是应该面向什么样的任务而存在呢?它到底会长什么样呢?

一架未来复合式直升机应该长什么样?面向实用设计的重新构想

△如果没有中南半岛丛林战火的洗礼,美国陆军也不会想起要打造一架阿帕奇

要想探寻这个问题的答案,那么——请看正文。

怎样评估一种构型的好坏——谈谈复杂性因子

在西方(主要是美国)的复合式直升机研究方面,值得一提的几个要点主要就是:①美国在上世纪六十年代在方面取得的成就;②NASA和美国陆军面向任务性能进行的新构型直升机设计研究;③以及西科斯基公司的X2和空客直升机公司的X3等复合式直升机的成功。在这些曲折前进的探索之路上,最引人关注的一个重要问题就是:如何在造出来之前,评估一种新构型飞行器的好坏?

一架未来复合式直升机应该长什么样?面向实用设计的重新构想

△西科斯基的X2系列直升机可谓是从上世纪60年代存活下来的为数不多的复合式直升机构型

复杂的旋翼系统、自动倾斜器操纵系统、反扭矩系统、传动系统和驱动机构的机械复杂性显著地降低了直升机这种航空器的可靠性、可用性和可维护性,同时也在另一个层面上影响直升机执行任务的效率和作业的成本。到目前为止,研究人员进行了相当多的研发工作,这些工作的目的正是为了提升直升机的性能并降低直升机的复杂性,事实上,我在之前文章里重点介绍过的无铰式旋翼和无轴承式旋翼的发展其本来的目的就是为了降低直升机旋翼系统的机械复杂性和零部件的数量。

一架未来复合式直升机应该长什么样?面向实用设计的重新构想

△大名鼎鼎的科曼奇隐身直升机就采用了无轴承式旋翼

而一项新技术最终是否会被世界所接受还得取决于其成本/收益之间的平衡。就像在倾转旋翼机方面,其高速、长航程的任务收益抵消了该机在复杂度方面的提升。美国直升机专家惠尔特曾详细介绍过V-22鱼鹰倾转旋翼机的这些权衡抉择,但是他也指出美国军方需要一支数量更为庞大的鱼鹰倾转旋翼机机队来抵消由于该机高维护需求导致的战备率不足。

一架未来复合式直升机应该长什么样?面向实用设计的重新构想

△图为美国海军装备的最新版本的CMV-22B运输型鱼鹰倾转旋翼机

所以,在衡量未来的复合式直升机所带来的好处的时候,其复杂程度所带来的影响也是很有必要考虑在内的。在对于需要针对未来项目进行飞行器选型的决策者来说是一个进退两难的境地:在不清楚如何确定一种飞行器的复杂程度可能带来的影响的时候如何把复杂程度的影响考虑在内?(这句话听起来有点拗口,说白了就是——如何量化一架未来飞行器的复杂程度以及确定这种复杂程度可能带来的影响。)

通常来说,当任务设计研究被用来评估处于竞争中的构型(也就是竞标构型方案)的时候,工程分析——基于相对来说成熟且可靠的数学物理模型方法——通常会被设计师用来决定任务性能因子、重量和燃油需求等。此外,全生命周期成本的确定会更难一些,但是相对合理的估算还是可以做出来的。与此形成鲜明对比的就是:对于复杂度的评估——即便有可能评估出来——那也会是相当困难的。

一架未来复合式直升机应该长什么样?面向实用设计的重新构想

△直升机由于存在大量的转动部件,所以其复杂度本身就是相当高的,但是如何量化或者定义这种复杂度本身也是个难题

除了难以量化复杂度的影响之外,正如上文所言,还存在如何定义复杂度这个问题。一些可能可行的量化措施可能是这样的,比如说,零件数量、可动部件在空机重量中所占的比值(几何形状可变程度),或者(针对倾转旋翼机)则是驱动机构和倾转部件(旋翼、轴、传动系统和短舱)。

一架未来复合式直升机应该长什么样?面向实用设计的重新构想

△关于飞行器设计复杂度指标的一幅图,虽然说评估飞行器的复杂性并不容易,但这在飞行器构型选择阶段确实是相当重要的

按照上述逻辑,简单地对各种飞行器的复杂程度做了个评估,并初步量化成“复杂度指标”,做成了“复杂度指标”图,以此来区分不同旋翼飞行器构型的复杂程度。首先,简单认为常规直升机的复杂程度为1.0;由此,固定翼飞机的复杂程度大概在0.6左右,基本没有任何动部件的滑翔机其复杂程度就只有0.2。这样一来一架复合式直升机,配备有辅助机翼、推进装置、旋翼和反扭矩部件,其复杂程度就能达到1.2;倾转旋翼机,带有可动的短舱、驱动机构和倾转旋翼,复杂程度就该到1.5了。这些数值在本质上仍然是一种“假设”,但是在没法实现真正量化的复杂性领域,还是能够实实在在表现出一些东西的。

一架未来复合式直升机应该长什么样?面向实用设计的重新构想

△倾转旋翼机的结构示意图,其机械复杂程度还是要比普通直升机高很多的

在军用直升机的方案竞标中,有一条底线就是——决策者们必须要尽可能更多地考虑竞争中的构型的所有重要参数,有些参数的影响很难被量化(就比如说这里强调的“复杂度”这一概念),但却绝不能无视。

常规直升机和倾转旋翼机之间的“任务断层”

一架未来复合式直升机应该长什么样?面向实用设计的重新构想

△“任务断层”示意图,复合式直升机的机会源自于客户对于“中速飞行任务”的需求

现役的旋翼飞行器形成了两极分化——从常规直升机到倾转旋翼机——这种分化自然而然就形成了一种“任务断层”(Mission Gap)。这是什么意思呢?实际上就像上面这幅图中所描述的一样。有些客户(如美国陆军)非常强调垂直运输的效率、悬停和低速机动性以及短程任务能力,由此催生了对低桨盘载荷的直升机的强烈需求;有些客户(如美国海军陆战队)则要求更高的飞行速度和更大的航程来实现“远征”作业,由此他们选择了倾转旋翼机来应对这样的任务需求。

那么,如果“客户”既要求更高的飞行速度和更大的航程,并且还要求不能牺牲低速作业能力的时候,问题就来了,是否有一个选项正好处在常规直升机和倾转旋翼机之间呢?显然,设计师们在打造直升机的时候,首先是面向低速作业能力优化的,而在打造倾转旋翼机的时候,首先则是面向高速作业能力优化的,因此,从主观上来说,如果说有一种飞行器是面向“中速作业能力”进行优化设计的话,那肯定就是复合式直升机了,也就是说,复合式直升机能够填补所谓的“任务断层”。

一架未来复合式直升机应该长什么样?面向实用设计的重新构想

△图为AVX为美国陆军“联合多任务”项目打造的复合式直升机

鉴于美国陆军真的存在一系列所谓的“中速作业”任务,那么,我们就有理由认为,复合式直升机在这些任务中的表现将会远远超过现有的倾转旋翼机。

最大化投资回报——复合式直升机方向的研发机会很多

下面考虑一下投资先进旋翼技术研究的一些选择以及如何最大化获得“投资的回报”,同时也讨论一下哪种旋翼飞行器构型最值得投入研究和发展。

①常规直升机:常规直升机仍然是低桨盘载荷垂直起降(VTOL)飞行器中的中流砥柱。所以关于常规直升机旋翼在高速飞行时候后面临的后行侧失速和前行侧跨音速压缩性问题始终都存在需求和研究价值。但是对于常规直升机而言,这种理论限制基本上是不可以逾越的,所以说常规直升机的任务性能目前已经基本走到头了,或者说处于某种稳定的平衡状态了,在未来想要有质的飞跃基本上是不可能了。

一架未来复合式直升机应该长什么样?面向实用设计的重新构想

△常规直升机在军民领域都扮演着不可或缺的角色

②倾转旋翼机:面向“高速作业”任务而打造的倾转旋翼机的概念目前正当其时。从理论研究来说,航空界对于倾转旋翼机技术机理的认知越来越完善,总的来说,倾转旋翼机技术目前也没有什么未克服的障碍了。就目前来说,倾转旋翼机设计过程中固有的限制主要就是集中在桨盘载荷的选取以及在旋翼悬停性能和巡航效率之间的折中取决上面。

一架未来复合式直升机应该长什么样?面向实用设计的重新构想

△越来越多的倾转旋翼机方案正在被打造出来,图为卡瑞姆公司的转速优化倾转旋翼机概念设计

③复合式直升机:复合式直升机看起来是可行的,但是其在高气动效率方面的潜力尚未得到足够的验证。由于“复合式断代”的存在,数十年来,关于复合式直升机任务性能和关键技术的“研究和发展”工作相当相当少。目前最有希望的面向任务设计的研究工作需要以降低旋翼和桨毂阻力为基础,而随着现代生产制造工艺技术和优化设计技术的进步,复合式直升机的发展显然会从中受益。

一架未来复合式直升机应该长什么样?面向实用设计的重新构想

△图为贝尔公司为美国陆军打造的未来侦察直升机概念,也是复合式直升机的一种

综合考虑上述三种构型的旋翼飞行器,显然复合式直升机的研究和发展工作有着更多的引人瞩目的机会,并且也会有更多的“收益回报”。随着对于复合式直升机研发的需求越发强烈,对这种构型的飞行器就行投资显然也是振兴先进旋翼飞行器研究工作的最重要的途径。

复合式直升机的未来——重新构想

好了,如果现在你已经认可复合式直升机算是填补上文所述的“任务断层”的最合适选项的话,那么在本文的结尾处就让我们来重新构想一下一架真正高效的未来复合式直升机会是怎么样的?

一架未来复合式直升机应该长什么样?面向实用设计的重新构想

一架未来复合式直升机应该长什么样?面向实用设计的重新构想

△构想中的复合式直升机,以及应当追求来获取最佳任务性能的技术

上面这幅图正式展示了这样一种重新构想的未来复合式直升机。该机配备了辅助机翼,其展长与旋翼直升机相当,能够在巡航状态下承担大部分升力,从而使得旋翼拉力卸载,以此来最小化诱导阻力,从而提升巡航效率。其桨叶平面形状、扭转和翼型分布都经过专门的设计来平衡最优化的悬停效率(品质因子;Figure of Merit)和最小化的前飞功率需求。在机身设计方面则要考虑废阻力最小化,并且还要采用新技术来降低桨毂阻力。采用可变迎角的机翼来减小“悬停增重”效应,还要采用最优化的旋翼/机翼升力分布来最小化巡航阻力。

一架未来复合式直升机应该长什么样?面向实用设计的重新构想

△可倾转90°的尾桨概念示意图

​这种设计的额外好处就是可以选择性的拆除机翼来最大化低速飞行任务的有效载荷。该机的尾部采用可倾转的辅助螺旋桨,以此来提供推进力和悬停反扭矩以及航向操纵。全集成的先进飞行控制技术对于提供最优化的气动性能以及提供操纵、机动性和敏捷性在所有的飞行状态,同时也能保证颤振抑制和结构载荷控制。

发表评论

邮箱地址不会被公开。 必填项已用*标注

此站点使用Akismet来减少垃圾评论。了解我们如何处理您的评论数据