自转旋翼、涡扇发动机、桨尖驱动,非同寻常的喷气式直升飞机

自转旋翼、涡扇发动机、桨尖驱动,非同寻常的喷气式直升飞机

在直升机行业,如果不慎将“直升机”(Helicopter)一词误称为“直升飞机”,那往往是要闹笑话的,至少会被认为是“不专业”,因为从飞行器的本质定义上来说,直升机和飞机(Airplane)是两种截然不同的飞行器,直升机一般是指以大尺寸旋翼为主要升力面和操纵面的垂直起降航空器,而飞机则一般指的是“固定翼飞机”。不过,凡事都有例外。

“GBA-DARPA Heliplane”就是一种独特的“直升飞机”(Heliplane),作为一型概念验证机,GBA-DARPA之所以能够“明目张胆”自称为直升飞机,主要还是因为它本身就兼具有直升机和固定翼飞机两者的特点——既能够实现垂直起降、悬停和低速机动,也能够像固定翼飞机一样高速巡航——该机的巡航速度能够达到常规直升机的两到三倍,甚至更高。

自转旋翼、涡扇发动机、桨尖驱动,非同寻常的喷气式直升飞机

△除了格罗恩兄弟航空公司之外,卡特旋翼机航空技术公司也在积极探索高速型复合式自转旋翼机的技术,图为他们的复合式旋翼机概念

从该机的名字就可以看出,这是GBA(Groen Brothers Aviation)格罗恩兄弟航空公司DARPA美国国防先进研究项目局合作推进的项目,其中GBA公司是承包方,而DARPA自然就是金主,不过后来GBA公司因财政问题而重组为Skyworks Global公司,这架“直升飞机”名字也被改成“垂直起降喷气飞机”(VertiJet)。从名字来看就可以发现,命名者开始弱化该机在直升机方面的特点,其中到底经历了什么?下面,请看正文。

从自转旋翼机到垂直起降喷气飞机——VertiJet进化之路

美国国防先进研究项目局(DARPA)一直都在寻求一种能够达到与固定翼飞机性能相当的旋翼类飞行器。而格罗恩兄弟航空公司自从上世纪八十年代开始就一直致力于复合式自转旋翼机的研究工作,这种复合式自转旋翼机在保留自转旋翼机的飞行特征同时,结合了固定翼商务喷气飞机的特点,在多个方面都和美国国防先进研究项目局的要求相契合。

自转旋翼、涡扇发动机、桨尖驱动,非同寻常的喷气式直升飞机

△格罗恩兄弟航空公司上世纪九十年代打造的“Hawk 4”型自转旋翼机

话说回来,格罗恩兄弟航空公司加入美国国防先进研究项目局的“直升飞机”项目也存在一定的巧合,这个项目本来DARPA是希望由亚当斯飞机公司牵头的,但是当时亚当斯飞机公司找不到合适的主旋翼系统供应商,最后他们找到格罗恩兄弟航空公司,希望能为他们打造主旋翼系统。格罗恩兄弟航空公司在接到邀请之后,向DARPA提交了一份备忘录,详述了打造这种新型“直升飞机”旋翼系统所存在的关键技术重难点。

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△“直升飞机”项目计划在亚当斯飞机公司的A700型超轻型飞机基础上改造出原型机(上图下方)

DARPA对格罗恩航空公司在这方面的专业水平非常满意,于是当该局准备启动“直升飞机”(Heliplane)探索项目的时候,他们首先想到格罗恩兄弟航空公司。“直升飞机”项目初期规划会分为四个阶段来完成,总耗资大概在4000万美元左右,参与项目的承包商主要有格罗恩兄弟航空公司、乔治亚理工学院、亚当斯飞机工业公司和威廉斯国际公司。其中格罗恩兄弟航空公司毫无意外地被选为第一阶段的领路人,这一阶段的工作为期15个月,总经费640万美元。第1B阶段则转而由乔治亚理工学院管理,格罗恩兄弟航空公司则成为分包商。项目第二阶段主要工作就是在NASA兰利研究中心的高速风洞中进行缩比模型的风洞测试,然后还需要打造一个全尺寸的喷气机原型。这一工程阶段的经费预估则要高得多,大概在2400万美元到2800万美元之间。

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△“直升飞机”项目的早期原型机概念

然而,项目的进展并没有预想中那么顺利,到2008年,由于“直升飞机”始终存在无法解决的较高的噪音问题,美国国防先进研究项目局因此终止了对该项目的支持。

2012年,格罗恩兄弟航空公司陷入财政困境,徘徊在破产和倒闭的边缘,在这种情况下,投资人史蒂夫·斯特凡诺维奇雪中送炭,救活了这家曾经辉煌过的航空公司,并在2017年4月24日,将重组后的公司命名为“Skyworks Global”(可译为:斯卡沃克斯国际公司)。2019年7月份,斯卡沃克斯国际公司与诺斯罗普·格鲁曼公司旗下的“缩尺复合体”(Scaled Composites)公司合作,设计、制造并测试了第一架改进后的“直升飞机”原型机,该机被重新命名为“VertiJet”,其目标是在随后的一年半到两年内完成348节(也就是时速644公里)的巡航飞行和1850公里的航程飞行。

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△“VertiJet”飞行器的概念设计图

凭借其出色的飞行速度和可观的航程,该机能够跟上美国海军陆战队的现役的MV-22“鱼鹰”倾转旋翼机,从这个角度来说,该机的这些性能指标能够满足美国海军陆战队在去年4月份披露的“鱼鹰”倾转旋翼机武装护航飞行器的要求。当然,该机也能够作为美国陆军的未来远程突击飞行器(FLRAA;Future Long-Range Assault Aircraft)的一个备选项。按照斯卡沃克斯国际公司的说法,该机还有一个突出优势就是成本低,一架搭载4~6名乘客的“VertiJet”飞行器,其造价可以控制在1000万美元以内,这个数字无论是对于美国军方还是商业航空运营商而言,都是极具吸引力的。

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△斯卡沃克斯国际公司展示其VertiJet具备与“鱼鹰”倾转旋翼机伴飞的能力

简单高效、安全可靠——“直升飞机”的设计特点

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△VertiJet飞行器的宣传概念图

总的来说,“直升飞机”和VeriJet可以说是同一种基础型号飞行器的两种衍生版本,前者的重点在于探索这种复合式构型飞行器的高速前飞潜能,而后者的侧重点则在于向民用商务飞机市场推出这种极具特点的复合式自转旋翼机。而从时间历程上来说,VertiJet可以说是继承了英国航空史上大名鼎鼎的复合式自转旋翼机“罗托达因”(Rotodyne)和“直升飞机”项目的研究成果。

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△英国航空史上颇具盛名的复合式自转旋翼机“Rotodyne”项目随着该国航空公司的合并和重组而告吹

VertiJet既有固定翼机翼,也有大尺寸的主旋翼系统。其旋翼系统既可以无动力自转,从而在前飞过程中为该机提供升力;同时,也可以通过旋翼桨叶内置的小型喷气发动机在短时间内驱动旋翼桨叶旋转,从而实现与直升机类似的垂直起飞、悬停和垂直降落等功能。和“直升飞机”项目指标近似,VeriJet飞行器的最高时速预估在644公里左右,航程为1609公里,有效载荷454公斤,按照官方说明,该机可以搭乘一名飞行员和4到6名乘客。下面,我针对VertiJet的几个关键系统进行解读。

①自转旋翼

自转旋翼机(Autogyro/Gyroplane)一直都是格罗恩兄弟航空公司的强项,或者说,虽然他们家顶着个航空公司的名头,但实际上该公司的主力产品本身就是自转旋翼机。所谓“自转旋翼机”,顾名思义,其主要升力面还是旋翼系统,和直升机的旋翼系统颇有几分相似之处。但是与直升机不同的是,自转旋翼机的旋翼系统不是通过主动力系统来驱动的,自转旋翼机的主发动机只用来驱动其附带的推进螺旋桨来为整个飞行器提供前飞推力,而旋翼系统是通过“迎风自转”来为全机提供升力的。由于自转旋翼机的旋翼系统在飞行中一直处于自转状态,所以相比直升机,自转旋翼机本身的安全性能更高、结构更简单而且更安静。

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△自转旋翼机的诞生比直升机来得更早,但是由于早期这类飞行器不具备悬停能力,垂直起降性能也比不上直升机,所以其发展逐渐落后于直升机

格罗恩兄弟航空公司没有止步于传统的自转旋翼机设计,他们在自转旋翼机的旋翼桨叶尖端加装了小型的喷气发动机,通过这种喷气发动机来驱动旋翼转动,就能实现类似于直升机一样的垂直起飞、悬停和降落。航空业界一般将这种飞行器称为“Gyrodyne”,这个词在中文中常常被翻译为“旋翼式螺旋桨飞机”,足见其和常规自转旋翼机的不同。

总的来说,配备自转旋翼系统的旋翼机都会具有如下特点

  • 自转旋翼系统结构简单,生产和维护成本都比较低,同时也有利于降低全机的空重比,提高飞行器的可用性、飞行效率、航程和续航时间;
  • 可以实现垂直起降而不需要专门的跑道——不过并不是所有的自转旋翼机都具备垂直起降能力,常规的自转旋翼机还是需要短距离滑跑起飞,有些特别设计的自转旋翼机可以通过旋翼预旋转储存动能来实现“跳飞”,像VertiJet这种通过桨尖喷气驱动来实现自转旋翼与驱转旋翼之间的转换的飞行器并不多见,而且也普遍被认为可能存在严重的噪音问题;
  • 飞行操纵相当简单,自转旋翼机的飞行驾驶学习成本和固定翼飞机的操纵难度相当,飞行员训练成本远小于直升机;
  • 从本质上来说,自转旋翼机是一种稳定性非常好的飞行器,而不像直升机其本身就是一个不稳定的系统;
  • 自转旋翼的特点决定它不会受到失速等问题困扰,也可以在完全没有任何动力的情况下安全着陆,这是自转旋翼机固有的安全性

②复合辅助机翼和推进装置

从现有的配置信息来看,VertiJet飞行器采用的是两台威廉姆斯国际公司的FJ44涡扇发动机来提供前飞推进力,不过根据斯卡沃克斯国际公司的介绍,该机还可以安装混合动力驱动系统,不过考虑到该机的机械传动系统本质上并不复杂,所以采用混合动力驱动系统的必要性似乎也并不大。

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△复合式构型可以说是下一代旋翼飞行器的发展方向,参与美国陆军“未来垂直升力”计划的竞标飞行器几乎都是复合式旋翼飞行器

而在高速飞行的时候,该机两侧的机翼在能够承担绝大部分升力,从而实现旋翼拉力的卸载,旋翼拉力的卸载,就能使的自转旋翼的转速降低,并且使得桨盘平面的后倒角减小,前者降低了旋翼系统的型阻力,后者降低了旋翼系统的后向力,总的来说,这所能带来的最大的好处就是可以降低旋翼系统的气动阻力,从而提升了该机的前飞性能,使得这种飞行器的前飞速度得以最大化。

③机械结构的简单性、可靠性

相比于直升机的驱转旋翼系统,自转旋翼系统消除了沉重、昂贵且复杂的一系列动力传动部件,比如说减速器和传动轴等部件,这当然也降低了飞行器的生产和维护成本。而如果自转旋翼机的发动机在空中停车,那么始终处于自转状态的主旋翼能够确保自转旋翼机进入平稳的自转下滑状态,从而实现安全着陆。

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△一架超轻型单座自转旋翼机结构示意图,可以看到其结构系统相当简单,远没有直升机那么复杂

在自转旋翼机的可靠性方面,斯卡沃克斯国际公司还是格罗恩兄弟航空公司的时候,就曾下过功夫研究。事实上,尽管理论上自转旋翼机是一种比固定翼飞机和直升机安全系数都要高得多的航空器,但是在上世纪八十年代,美国运动型自转旋翼机蓬勃发展的那段时期,该机的事故率还是相当高的,斯卡沃克斯公司的设计师认为其中很大一部分原因是当时许多自转旋翼机“设计不当”。

该公司的设计师认为当时很多生产制造厂商仅仅只是会制造一种“看起来像是自转旋翼机”的东西,而对这种航空器背后的原理却知之甚少,也没有花费精力和经费投入研究,其中有很多事故的研究结果都表明这些坠毁的自转旋翼机其全机重心与主旋翼和推进螺旋桨拉力矢量之间的错位。为此,格罗恩兄弟航空公司专门成立过一家名为“Sparrowhawk”的子公司来解决这些问题,最终他们打造了一种被称为“放手自稳”的自转旋翼机增稳系统,提升了自转旋翼机的可靠性。

未来可期——VertiJet的项目展望

从某种角度来说,无论是航空从业人员还是飞行器运营商们,可能都需要停止把自转旋翼机和直升机划上等号。诚然,直升机是一种具有独特能力的优秀航空器,但是自转旋翼机更像是一种“不需要跑道的飞机”(而不是悬停性能较差的直升机),它所能完成的任务相当广泛,可以说是涵盖了直升机任务领域和飞机任务领域的交集。

概括来说,VertiJet这种飞行器出现的目的是为了解决世界上三分之二的航空需求——现实情况就是目前世界上三分之二的地区没有或者不具备建设基础设施的能力,同时这些地区也缺乏接受良好教育或者训练的地勤人员——VertiJet就是为此而生。该机不像固定翼飞机一样需要规模庞大的机场和建设良好的跑道,同时也不像直升机那样需要复杂又精细的维护工作。Vertiet这一类飞行器的出现,本质上不会和固定翼飞机或者直升机形成水火不容的竞争关系,更准确来说应该是这种飞行器的出现,补足了固定翼飞机和直升机之间的任务缺口。

自转旋翼、涡扇发动机、桨尖驱动,非同寻常的喷气式直升飞机

​△斯卡沃克斯国际公司的下一代自转旋翼机概念,不少技术就是源自于“直升飞机”项目

从这个层面来说,VeritJet这种飞行器所能带来的好处是显而易见的——成本低廉的商务航空服务——它不需要规模庞大的机场航站、也不需要花费大量人力物力打造基础设施,而且其本身的操纵飞行培训和维护修理难度也处于较低的水平,加上该机出色的安全性,如果说,斯卡沃克斯国际公司能够在电传操纵飞行控制系统和该机的垂直起降性能以及噪音水平方面持续优化的话,那么其前景还是相当光明的。

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