飞行的程咬金

晨枫

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美国陆军正在进行“联合多用途直升机”（Joint Multi-Role，简称JMR）和“未来直升机”（Future Vertical Lift，简称FVL）计划，最终将取代UH-60“黑鹰”、AH-64“阿帕奇”和其他主流直升机，计划2017年首飞，自然引起贝尔、波音和西科斯基等主流直升机厂商的巨大兴趣。波音和西科斯基联手，以西科斯基X-2研究直升机为基础，采用共轴反转刚性旋翼和推进螺旋桨技术联手推出JMR/FVL方案。贝尔在命运多舛的V-22“鱼鹰”的基础上，推出第三代倾转旋翼技术，翼尖发动机不再整体倾转，而是通过伞齿轮组只倾转旋翼部分，降低了机械复杂性，在理论上甚至有可能用安装在机身内的发动机驱动两侧的倾转旋翼，半刚性旋翼也加大直径，降低翼盘载荷，避免了“鱼鹰”的很多问题，以此作为贝尔JMR/FVL方案的基础。就是欧洲直升机也以X-3研究直升机技术为基础，推出竞争方案。欧洲直升机X-3和西科斯基X-2没有任何关系，采用常规的单旋翼，左右推进螺旋桨，但没有尾桨。在高速平飞时，旋翼卸载到接近风车状态，反扭力基本消失，升力基本上靠短翼产生。在低速或者悬停时旋翼出力产生升力的情况下，用左右推进螺旋桨的不对称推力平衡旋翼的扭力。但现在正在半路杀出一个程咬金来，名不见经传的AVX公司推出一个新颖的方案，引起人们极大的兴趣。


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美国陆军正在着手研究替换AH-64“阿帕奇”和UH-60“黑鹰”的问题，技术验证计划名为JMR


贝尔的方案基于倾转旋翼的MV-22“鱼鹰”
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西科斯基（现在得到波音加盟）的方案基于X-2的共轴反转刚性双桨和推进螺旋桨技术


" O5 E+ L% _9 l; k" m欧洲直升机的方案基于X-3技术，但现在有可能索性退出
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$ f, ~5 b+ ~3 V2 t' [但AVX的方案才是真正的半路杀出来的程咬金
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3 [' J" c( h6 H8 m4 Y: ]8 I4 Y4 x, v小小的AVX由一些前贝尔公司人员组成，包括贝尔的前总工，由于并没有现成的量产产品，严格来说只是一个皮包公司。但21世纪最重要的就是创意，AVX带来的正是创意。AVX的方案是一个独出心裁的成熟技术和新概念的混合体，采用俄罗斯卡莫夫直升机那样的传统共轴反转双桨旋翼，但也采用推进螺旋桨。两者都是成熟技术，但结合在一起则起到1+1>2的作用。AVX正是希望用成熟技术的全新包装达到高性能和低风险的效果。

直升机相比于垂直-短距起落飞机来说，最大的优点就是无与伦比的悬停性能。共轴反转双桨提供了比单桨高得多的悬停性能。悬停是最吃功率的时候，对于单桨-尾桨的传统布局来说，主旋翼这时出力最大，需要尾桨的反扭力也最大。也就是说，悬停状态一方面需要最大功率，另一方面也是反扭力造成的功率浪费最大的时候。共轴反转双桨则没有这个问题，全部动力都可以用于产生升力。俄罗斯海军即使放弃与陆军和空军的通用性也要坚持用共轴反转双桨的卡莫夫直升机，很大原因就是因为共轴反转双桨优异的悬停性能，这对直升机反潜十分重要。由于反转双桨可以抵消一部分旋翼的本质振动，平稳性也更好，更加容易操纵。俄罗斯海军的卡莫夫直升机在海上悬停这样的高危操作时，经常只需要一个飞行员在控制。
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卡莫夫直升机是最典型的共轴反转双桨，以特别优异的外挂和悬停性能而得到俄罗斯海军的青睐
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1 A$ l7 z" O4 T) P/ Q7 b9 x1 `但卡莫夫那样的传统双桨不适合高机动动作，曾有双桨在高g转弯中打架的事情

共轴反转双桨不是没有缺点的。在前飞时，前行桨叶迎着气流运动，后行桨叶则背对气流运动，相对速度之差使得前者产生更大的升力，这造成直升机左右的升力不平衡。为了恢复平衡，桨毂结构上有一块斜板，使得桨叶在圆周运动的同时，在前行阶段有所上抬，在后行阶段有所下压。也就是说，从前面看过去，旋翼的转轴垂直向上，但叶尖路径平面是向一侧有所倾斜的，倾斜方向由旋翼是顺时针还是逆时针旋转而定。这样，从前面看过去，共轴反转的双桨必然一个向左倾斜，另一个向右倾斜，一侧间距比另一侧更小。在飞机急转弯时，离心力和气动压力可以使得有弹性的桨叶产生超常挥舞，向特定方向急转弯就可能在间距较小的一侧造成碰撞。因此，共轴反转双桨需要大大增加上下双桨的间距，不仅增加迎风阻力，也削弱了共轴反转的气动对称。
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另一方面，桨毂结构上同一块斜板也可以使叶尖路径平面向前有所倾斜，在产生升力的同时产生推力。为了加强推力的产生，有时机体都要有所前倾，以增加叶尖路径平面的前倾角度。但前倾（还有侧倾）造成桨叶的挥舞，引起强烈的周期性振动，在某种程度上限制了实用飞行速度。采用额外的推进螺旋桨可以为旋翼卸载，是提高直升机速度的常用作法。

AVX的组合不是简单地把集中不同的技术堆积在一起，而是富有创意地利用了各种技术的优点。
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共轴反转双桨最大的优越性在于悬停和垂直起降性能，所以为悬停和垂直起降而优化。在平飞中，推进主要来自推进螺旋桨，而旋翼主要用于产生升力。从动力分配的角度来说，在230节（约426公里/小时）速度时，2/3的动力用于推进螺旋桨，1/3的动力用于旋翼。事实上，旋翼还是有所前倾的，但这是用来补偿机体在前飞时有所上仰的姿态，上仰的机体本身在前飞时还产生一点气动升力，民航客机为了省油也是这么做的。这与常规直升机截然相反，由于机体要有所前倾以增大叶尖路径平面的前倾角度，机体实际上是产生一点负升力的。不用旋翼前倾而产生推力使得全速前飞时桨叶负载降低50%以上，极大地降低了振动。
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/ G5 E1 z0 f4 u/ `  p  _1 l0 _* H" n! eAVX的升力设计也有特色。在全速前飞时，旋翼只提供60%的升力，前机身的短翼和推进螺旋桨的涵道提供其余40%升力的主要部分。采用短翼提供辅助升力是常见的做法，问题在于短翼通常只能设在中机身，以便维持升力和重力的平衡。但短翼设在中机身恰好挡住了旋翼下洗气流的路径，造成升力损失。采用前置短翼在很大程度上缓解了这一困局，而升力平衡问题则由后置的涵道螺旋桨解决，涵道相当于环翼，不仅提高螺旋桨的推进效率和遮蔽噪声，还提供前飞时的升力。降低旋翼对升力的出力还有助于降低阻力，前行桨叶是造成额外阻力的，出力越大，阻力也越大。但高大的共轴反转双桨的阻力还是比单桨大，全速前进时，旋翼和桨轴系统占总阻力的一半，所以AVX在研究用整流罩减阻的措施。
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短翼和涵道在超低速和悬停时无法提供升力，这就是共轴反转双桨发挥作用的时候了。由于所有功率都可以用于旋翼而产生升力，除了运转平稳和容易操纵外，共轴反转双桨的载重和外挂能力比单桨更强。AVX的方案在大小上和UH-60“黑鹰”相仿，正常起飞重量约为22000磅（约9980公斤），可运载12名士兵和4名机组人员，但最大外挂载重能力达到13000磅（约5900公斤），和CH-47“奇努克”相仿，远远超过“黑鹰”的9000磅（约4080公斤）。

直升机最大的优点不光是能垂直起落，还在于能在空中悬停、侧飞、倒飞、慢翻滚等特殊机动；不光可以在平地和无风条件下垂直起落，还可以在具有一定坡度或者狭窄的场地和有侧风、背风的情况下垂直起落。直升机最大的缺点当然是速度不能和固定翼飞机相比。西科斯基X-2、欧洲直升机X-3、贝尔倾转旋翼都用独特的技术手段克服直升机的速度缺陷，但也因此牺牲了一些直升机的本质有点，悬停、非理想起落场和特殊机动能力在不同程度上有所损失。这些新技术还有一些令人担忧的技术风险。西科斯基X-2采用刚性旋翼，振动和疲劳依然是没有彻底解决的难题。当年洛克希德AH-56“夏延”的速度和机动性不成问题，但直升机状态的性能和振动、疲劳问题无法解决，最终只得下马。开放的尾端推进螺旋桨和传统的开放尾桨一样，在窄小、拥挤的起落场上容易和地面障碍碰撞，对从机尾经过的人员也是一个很大的危险。欧洲直升机X-3的旋翼是常规的，技术成熟，但在旋翼空转的旋翼机状态和旋翼出力的直升机状态之间的平顺转换是一个难题，用两侧推进螺旋桨作为反扭力补偿对飞控的可靠性、反应速度的挑战很大。常规直升机的旋翼和尾桨用机械连接保证同步，X-3采用多台互相独立但必须合作工作的发动机，万一一台推进发动机故障而不能在悬停或者垂直起落状态下提供反扭力，如何保证飞行安全是一个难题。贝尔的第三代倾转旋翼的翼尖发动机不再倾转，但倾转旋翼的一些本质问题依然无法避免。这在本质上是具有直升机特性的固定翼飞机，而不是真正的直升机，悬停、非理想起落场和特殊机动能力不能和常规直升机相提并论。

; r3 Z) E# U, f6 X1 P8 d4 u相比之下，AVX反其道而行之，立足于成熟的共轴反转双桨，用推进螺旋桨和短翼提高飞行速度，但特别强调悬停、非理想起落场和特殊机动能力。这样虽然在纸面上的性能（尤其是速度）不及更新颖的设计概念，但在实用上或许更有吸引力。更重要的是，AVX的方案技术风险最低。传统共轴反转双桨是成熟的技术，不管是否能得到卡莫夫的技术合作，美国都有足够的技术储备解决相关问题。在高速平飞状态下旋翼得到短翼和发动机涵道的卸载，实际上减小了依靠旋翼出力的传统共轴反转双桨的桨叶碰撞问题。事实上，早在40年代直升机先驱希勒就研究过共轴反转双桨。短翼和涵道推进螺旋桨更是没有技术难度。推进发动机不参与悬停或者垂直起落状态，可靠性不是一个问题。在实用性方面，AVX的发动机、旋翼和机体设计与传统设计相近，很多行之有效的传统设计都可以沿用。比如两侧舱门边上可以安装舱门机枪，便于掩护登机和离机的步兵，而不受倾转旋翼那样两侧不宜开门的限制；机尾蚌壳式尾门和跳板便于车辆和物资进出，X-2的推进螺旋桨挡住了尾门进出的通道，X-3的推进螺旋桨兼作反推力，在近地悬停或者地面短停时正在全力工作，对尾门进出的人员和车辆是很大的问题。

AVX的设计还有一个好处：可以很容易地用于现有的旋翼-尾桨式直升机的改装。用套件从现有单旋翼改装为共轴反转双桨不难；从现有尾桨改为AVX式的也很容易，只需要换上AVX的尾撑-推进螺旋桨结构，把原用于驱动尾桨的传动轴连接到驱动双涵道推进螺旋桨的动力轴上也就可以了；两者都在维修基地就可以进行。这样的AVX改装如果不增加前置短翼的话，旋翼在前飞中还是要产生主要升力，但依然不需要产生主要的推力，还是达到旋翼卸载和提高速度的目的，同时提高垂直起飞重量和改善高原-高温性能。在阿富汗和伊拉克的作战中，美军直升机屡屡发现速度和航程常常不是个大问题，但高原-高温性能不足是个问题，以至于用CH-47“奇努克”完成通常可能UH-60“黑鹰”就能完成的任务。AVX技术用于改装升级的潜力不容忽视。
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8 ~' \* M% U& ?AVX已经为这个别出心裁的方案设想了很多应用，包括重型武直

3 ^; W! g+ g1 f5 b6 e
. n' j% K9 u" {另一个好处是可以对现有直升机进行改装
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" [* `9 L( Q( G对于西科斯基、波音、贝尔和欧洲直升机这样的传统直升机大户来说，AVX无疑是半路杀出的程咬金。与西科斯基、波音、贝尔、欧洲直升机不同的是，AVX非但现在没有直升机制造能力，将来也不打算有这样的能力。AVX将提供关键技术，这关键技术要“嫁接”到现有直升机或者合作伙伴的技术上才能发挥作用。这对AVX既是挑战也是机会，使其有机会与现有的直升机公司合作而不一定正面竞争。但这是美国乃至西方军工世界的一个崭新模式。在具体的武器或者系统技术层次上，这样的纯技术、无制造的皮包公司是有先例的，但在直升机这样的大型系统上，还没有先例。AVXde道路如果走通，或许会打开美国乃至西方军工世界的一个新局面，少数寡头形成事实垄断已经成为一个问题，但纯技术、无制造的新兴力量就比小而全、大而全的新开户头要容易存活得多。但这是题外话了。

常挨揍

大胖子休假，沙发

martian

板凳滴油

山远空寒

这篇好看！赶明儿我有本事也招呼一群中学生，搞个飞机模型啥的玩儿！

李根

哇塞，这比小小说好看多了
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赫然

思路很棒！

不过，这个改装太扯了。动力和操纵系统全改，和造新的也没啥差别了。

晨枫

赫然 发表于 2013-10-4 21:05
9 p+ y8 l6 X3 Z  E" R5 |# D思路很棒！
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6 J6 N; Y2 I. {4 _不过，这个改装太扯了。动力和操纵系统全改，和造新的也没啥差别了。 ...

( Y" n! J& J: ~' B6 w. A, {$ ]/ S5 X发动机可以保留，传动全改。

qiuwen777

晨枫 发表于 2013-10-5 11:26
' c$ @9 v! H7 J$ r1 ~发动机可以保留，传动全改。

# I  z  |; ]3 Z# H% i8 `国内显然会推导重来，gdp翻一翻。

xlan1976

嘿嘿，这篇不错
对于晨大所说的X-3的问题，在FADEC和电传操纵技术广泛应用的今天，其实不算大问题。如果这个都解决不了，那么很多第三代以后的飞机就都无法操纵了。。
个人对AVX这样的皮包公司提供整个飞机或是直升机这样的产品还是不太看好，因为时至今日其实我们对空气动力学和内力学的研究还是处在实验科学的状态，换句话说，没有大量的实验支撑，而仅仅是靠纸面工作是很难做出一个实用的产品。。
当然AVX的人员构成决定了他们的构想在纸面上看很棒，但没有实际设备的支持，这个东西离实用还很远。。
我觉得他们提供技术对现有直升机的某些系统进行改装更靠谱一些，但即使这样也许要有第三方参与进来提供实际支持。。