垂直起落之路上的匪夷所思（五）

晨枫

! b. ]" Z4 r/ X$ X) m
还有一些比较特别的设计，不大好归类，统统放到这里。

& b/ i0 F9 W! I. l9 l9 V3 f1 c# a
贝尔X-22采用“四立柱”的涵道风扇
+ O. B' F/ H) p7 p
贝尔在直升机世界里是巨头，从一开始就在垂直起落方面深耕，1966年首飞的X-22曾经是很有潜力的方案。
% F& k  A) x- q) q
这显然是现代多旋翼无人机的先驱，而且采用涵道风扇。

四个涵道风扇显然对应于“四立柱”，由于采用四台分别的发动机，横距和纵距问题都容易解决。当然，代价是交联驱动轴，前后、左右涵道风扇都用同步轴联动，每台发动机都能提供30%的额外功率，所以任一发动机故障的话，其余发动机可以接过，保证安全。当然，这样的同步轴意味着重量、机械复杂性和功率损耗。
. O) @4 z6 m* |) u
" S" W; f) y/ H8 I现在多旋翼无人机不再用同步轴，主要是因为无人机没有那么高的安全性要求。不同步只是飞行时有点摇摇晃晃，无大碍。但换成载人的话，这点摇摇晃晃就不只是不舒适的问题，可能飞行员直接被晃晕了，没法安全操纵。最不济，一台电动机故障，无人机失控，摔了自认倒霉，但没有太大的问题。多旋翼如果推广到载人，要么极大增加旋翼-电动机数量，八旋翼起跳，甚至更多，要么也采用机械的同步轴，那分布式电动驱动的优点就抵消了。
7 p/ S" R. R) \
$ I. x% }. _$ W% A$ d7 T2 `0 y对于X-22来说，涵道风扇也是领先时代的。
! C/ ^6 v' d& X; ^
与开放旋翼相比，涵道风扇的推进效率更高。旋翼翼尖和机翼翼尖一样，有翼尖涡流损失损失。对于机翼来说，下表面压力高，上表面压力低，这本来是产生升力的关键，但在翼尖处，气往低压流，气流会横着绕过来，向上表面流动，形成涡流。这部分能量既不产生升力，也不产生推力，所以是损失，等效为阻力。旋翼也一样，在翼尖有径向绕过来的涡流损失。说起来，这也是涡流环，但和一般说的速降中形成的涡流环不一样，不要混淆。
; u- I# f' i4 o9 k1 y$ W
" O' X. Y8 V8 H2 h" W! o要降低翼尖损失，飞机用翼梢小翼，旋翼就用涵道。翼梢小翼增加重量和阻力，使用与否是个权衡问题。涵道的重量和阻力可是大得多了。一般说来，只有在旋翼直径无法加大而升力或者推力还是不够的时候，才采用涵道。在飞机上，在船上，都是这样。涵道壁还有阻隔噪声的作用，但这是次要的。

) w3 F: c6 E! a# X5 A在X-22上，降低旋翼直径正是采用涵道风扇的原因，否则就大而无当了。更重要的是，涵道风扇转过来，从升力风扇转变为推进风扇的时候，涵道本身起环形翼的作用，增加升力。
' u! |* `6 G+ h" _9 ~7 q& ~2 J/ R
% }7 n( ^( Z) Y: ]6 W8 V# ^. j不过X-22最后还是因为性能达不到要求，尤其是垂直起飞重量，而速度没有比直升机高多少，下马了。本来这是美国陆军“空中吉普”的候选。

无数垂直起落设计或者构想中采用涵道风扇，最后都是栽在重量和阻力上，还有同步轴。

另一方面，现在人们对倾转旋翼已经熟悉，实际上还有倾转机翼。发动机和旋翼相对于机翼是固定的，但整个机翼一起倾转。
# v9 ^. v! g. k% h1 S# l; P' @! t
( F0 [- E+ j7 k. t# {3 r2 |( ^" N
LTV XC-142差点投产了

; U# u% N% }: _( d
在无人机时代，倾转机翼重新流行起来，因为只需要一套倾转机构

  K% w2 W" a9 Y/ f  R$ l
采用分布式多旋翼的话，尤其适合倾转机翼
3 R. o) l3 G8 W3 i! k: w
倾转机翼和倾转旋翼的特点相近，实际上更加适合垂直起落和悬停，因为“下洗阻力”小。但在短距起落状态，接近竖立的机翼像门板一样，阻力极大，而且容易失速。不过在无人机时代，倾转机翼反而比倾转旋翼更加简单：只有一个倾转机构，而不像倾转旋翼，每一个旋翼都需要一个倾转机构。
" M- U& N. s; D6 e
( C$ s3 f* b) }8 A( v- c对于分布式推进来说，倾转机翼尤其适合。分布式推进将推进力沿翼展均匀分布，使得推进气流不再集中在少数几个推进器（螺旋桨或者喷气口）附近，大大改善整个机翼的升力效率和受力分布。这要是也用倾转旋翼的话，沿着机翼翼展需要很多倾转机构不说，还需要很多开口，影响结构强度和重量。倾转机翼就省事多了，只需要在机翼-机体结合部一套倾转机构就成。
) ^$ d! S' x- h2 m# R3 \- H+ g
  _$ [4 |  ^& f4 s$ C
引射（ejection）利用文丘里管的远离，用少量高压流体的高速流动在喉部产生负压，抽动大量低压流体，极大增加流体总流量，增加推力
& f' r8 j3 W! O

罗克韦尔XFV-12基于引射原理，用发动喷流拉动环境空气，产生增升
, W/ Y& I/ n6 p
3 _8 _4 ?' a# ^( h* p. w
; D7 C: p1 |1 z: F; i2 B: `在原理验证时，效果很鼓舞，但到了实际飞机研制出来、开始试验的时候，发现引射增升根本达不到预期，对环境空气的条件太敏感，再增加引射口也无济于事

3 J. |4 u+ C3 c8 G/ L% r# x
在陆地上使用的话，尘土、树叶被吸入，更是问题

3 p1 q- f5 X& |9 o% N: k1 S: X- V
; a7 y0 C$ E6 u9 D这本来要成为朱姆沃尔特的“制海舰”的舰载战斗机，这下黄了
$ R6 ^  y6 t2 g2 ?
3 U* D$ `3 _6 O+ \7 G" p
洛克希德XV-4也用引射增升，以差不多的理由下马了
6 K$ ^7 ~8 i; [/ \- F8 \4 m+ r% u
  c1 C! b: z( s4 F  m5 l6 v5 O+ x但是美国海军还没有放弃制海舰的想法，在80年代战斗机推重比已经超过1的时代，试图用类似直立起飞的办法，用“起竖式舷侧平台”作为发射架，让战斗机靠自己的动力直接升空，降落还是需要拦阻索。但起飞准备时间很长，起飞重量和垂直起飞一样，很受限制。战斗机推重比超过1.0是指在正常起飞重量下。海上出动尤其强调航程和载弹量，需要以最大起飞重量起飞，还是不行。
. K8 O- j% o: g

紧接着美国海军推出直立起飞、拦阻索降落的思路

! B* E6 H2 ^+ y& l1 c; a0 ]另一个思路是“天钩”。
+ U& N  y9 l# V- E2 M" R
+ `0 h0 P2 X& `; {7 X在“鹞”式初步上舰的时候，人们以为可以像直升机一样运作，只要直升机甲板面积够用就行。后来发现，临时用用可以，常年出动不行。甲板摇晃、喷流烧灼都是问题。这也是“阿波罗”和“联盟”号在轨道上对接的时代，于是有设想用起重机将“鹞”式吊到舷侧海面上空，再发动机点火。这就没有喷流烧灼问题；起重机吊臂也可以在空中三轴稳定，相对于飞机的位置反而稳定。飞机产生足够升力后，起重机脱钩，飞机飞走。
: e# k5 P0 a. G! o+ ?' d
8 Y: U5 b; E3 J& N* A+ L! y5 c回收时反过来，飞机首先与起重机吊钩对接，然后发动机关机，起重机把飞机吊回甲板。

! C9 p/ R* g9 v1 _
天钩将“鹞”式的垂直起落吊离甲板，消除对舰船的影响
+ E- w% i" b4 O

预期4000吨以上的驱逐舰就能改装，实际上7000吨以上更好，极大增加海上航空力量的建设成本和部署灵活性
$ Z) `" p3 s) T% `' ~6 a& ^- k

" f! b: e, o+ {+ [8 r4 p$ Y. m这是真的试验过的
  ]% B/ L8 ?, [8 I% C& x
  D& A+ g( n8 @# \1 h* ~3 g% n但“天钩”最后放弃了。对接是高难度的，偶尔为之可以，不宜作为日常运作。垂直起飞、着陆和悬停对重量的限制还是绕不过去，还是老老实实走STOVL航母的路。

五月

都怪讨厌的重力。

: p3 d3 R. ?6 b" N; v' N