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收放式单桨旋翼,喷气动力,西科斯基40年代高速直升机概念揭秘

453 人阅读 | 时间:2019年06月30日 21:57

到上世纪40年代末,关于直升机的飞行原理和概念得到了充分的验证和认可,数量可观、种类繁多的以旋翼为主要升力面和操纵面的直升机都进入了生产线。不少设计师们已经开始把注意力聚焦到“如何扩展直升机的速度包线”这个点上。

对于常规直升机而言,由于“周期性旋转导致的来流不对称”问题导致其飞行速度有着无法逾越的“理论限制”,因此它们的速度一般被认为不可能超过180节(约333千米/时)。为此,当时很多直升机制造厂都开始积极探索采用独特构型的高速型旋翼飞行器来尝试突破直升机固有的理论限制。

西科斯基公司,作为实用直升机的缔造者和领头羊,自然不会在直升机相关领域落后于人,他们也提出了一种名为“Stowed Rotor”(收放式旋翼)的概念,这种概念最大的特点就是其旋翼只有单片桨叶,并且这单叶旋翼还能够收缩到机身内部,以便使该飞行器“变形”为具备高速飞行能力的固定翼飞机,而为了确保单片桨叶能够稳定旋转,工程师在该片桨叶的“对面”设计了一块恰当的“配重块”。

收放式旋翼飞行器的早期发展

在那个航空行业粗放发展的年代,固定翼飞机由于过度追求速度导致其起飞和降落所需的跑道越来越长,饱受诟病;而作为当时独具垂直起降能力的航空器——直升机——又由于巡航速度太低、航程太短而致使其应用范围相当有限。为此,工业界提出了多种所谓“可变形飞机”(或者叫做“转换式飞机”,Convertiplane)的概念,这些概念试图将直升机和飞机的特点融合到一起,最终形成一种同时具备垂直起降能力和高速飞行能力的复合式飞行器。

从上世纪40年代末开始,西科斯基公司就着手探索“收放式旋翼”的相关技术,在项目启动初期,研究人员考虑的还是将常规的多片桨叶式旋翼收缩到机身内部,但是这个难度显然非常大,毕竟绝大部分直升机的旋翼都会超过机头,要将其收放到机体不现实。在多轮激烈讨论之后,一个大胆的想法在研究团队中被提了出来:既然常规旋翼行不通,为什么不尝试一下只有一片桨叶的旋翼呢?

旋翼飞行器

说干就干,西科斯基的工程师都是实打实的行动派,他们敲定单片桨叶搭配配重块的旋翼方案之后,在1948年的8月份,把造好的新旋翼系统装到了“世界上第一型实用直升机”西科斯基R-4上进行了飞行测试。在测试之前,工程师们还在设想着种种可能出现的问题——振动过大、侧翻、脱桨诸如此类;然而,整个飞行测试出乎意料的成功,除了确实存在“可接受范围内”的振动问题之外,其他一切正常,“单桨旋翼测试”圆满成功。这一次的成功给了研制团队莫大的鼓舞,激励他们继续推进“收放式旋翼”飞行器的研制工作。

从1949年开始,西科斯基的研发团队正式开始设计收放式旋翼飞行器的具体方案,该型飞行器拥有一副独特的旋翼系统,旋翼系统要能够为其提供足够的升力来支持它垂直起飞,但是到了前飞阶段,该飞行器的旋翼系统必须要能够空中停转,然后收缩到机体内部,从而“转换为”一种类似于常规固定翼飞机的飞行器,直到降落阶段,再将旋翼从机体中释放出来,最终实现垂直降落。在那个年代,提出这种相当超前的“概念设计”是相当具有前瞻性的,而西科斯基的工程师从这时候也已经认识到:对于未来的飞行器而言,将垂直起降能力和高速飞行能力结合到一起是存在可能的!

可惜的是,当时航空界的研究主要还是通过“制造——试验——纠错——再制造”这样的试错性方式来打造飞行器的,这种方式对于要打造一型“未来式飞行器”的西科斯基团队而言,显然是不合适的,他们必须对相关的技术和分析手段(比如说结构受力分析、旋翼气动载荷和振动分析等等)进行探索,才能在此基础上开展收放式旋翼飞行器的研究。为此,从1951年到1958年,西科斯基的研究团队一头扎进“技术的海洋里”,疯狂探索打造一型“可变形飞机”所需要的种种技术知识和手段。这种研究同样非常需要大量经费的支撑,美国空军就是当时西科斯基的“金主”,他们在“收放式旋翼”的概念上与西科斯基公司签署了两份研发合同,以此来支持西科斯基的研发团队持续推进相应的研究工作。

美军的支持,项目的进展与终止

事实上,早在50年代初,美国空军和陆军就展开了一项联合设计竞赛,该竞赛的目的就是从多家“转换式飞机”方案的参赛者中选出一家的方案来给予经费支持,将其从概念设计阶段推进到原型阶段,其中包括初步设计、风洞测试和模型制造。美军当时是希望这种新式飞行器能够用于侦察和间谍任务,并且希望探索该技术是否能够应用到大型飞行器上。经过多轮竞标,西科斯基公司的“收放式旋翼飞行器”方案入选了,并被美军定型为XV-2,同期入选的还有麦道公司的XV-1复合式直升机和贝尔公司的XV-3倾转旋翼机。

为了设计出布局最优的飞行器,西科斯基的研究团队尝试了多种旋翼和推进系统。在50年代初,燃气轮机的技术尚且不成熟,受限于这一困境,研制团队迟迟未能找到性能合适的动力系统。研制团队也尝试过喷气驱动式旋翼系统,但是由于其桨盘载荷过小而难以实现,最终也放弃了。不过尽管西科斯基的团队很多初期设计都被放弃,但是该机特有的单桨旋翼系统却一直保留了下来,这主要是因为对于一副要收缩到机体内部的旋翼系统而言,单片桨叶的设计确确实实是最方便的。

经过1951年到1953的艰难探索和试错之后,XV-2终于定型了,最后的设计方案本质上是一架喷气式飞机,但是附带了一套单片桨叶带额外配重的,通过高压喷气发动机驱动的旋翼系统。这样的设计能够确保旋翼能够在高速飞行中停止转动,并收缩到机身内部,这样一来,该机就真正意义上同时具备直升机和飞机两种飞行器的特点了。同时为了防止旋翼在低转速的时候过度挥舞,工程师设计了一套锁死机构,能够保证其旋翼系统的挥舞铰在旋翼转速较低(低于标准速度的1/4)的情况下自动锁死,从而规避挥舞过大的问题。可是这样一来,在挥舞铰锁死的情况下,旋翼旋转产生的力将会刚硬地传递到机身上,致使机身存在俯仰和滚转运动的趋势,这对于要空中停转和启转的飞行器而言是相当危险的。为此西科斯基的工程师又针对性提出了一种措施:为实现空中停转,在关闭旋翼动力之后只调整旋翼的桨距,使其进入“零升力”状态,这样旋翼的型阻力就能使其逐渐停止转动,而零升力的桨叶本身不存在挥舞运动,也就不至于产生力矩传递到机身。反过来,对于零升力状态的旋翼,只要启动动力系统,让其转速超过挥舞铰锁死的临界速度,随后调整旋翼桨距就能让其重新产生升力。

1953年的时候,西科斯基的团队完成了全尺寸旋翼的制造工作,并开始进行户外测试,已验证喷气驱动的喷嘴、管道是否安装正确,同时也要对整体的气动性能和结构完整性和强度进行验证。验证完成之后,该旋翼系统被运往美国空军的赖特菲尔德基地进行风洞试验,在风洞试验中,试验团队对照旋翼尺寸给其配了机身,以此来验证旋翼和机身之间的相互干扰,并且对了工程师所设计的挥舞铰锁死系统进行了全方位的测试。

试验结果表明,XV-2的方案从理论上来说是可行的,但是实际工业水平却无法支撑这一超前的概念,而实际制造和操纵的复杂度以及可能会研制失败的风险也让美军望而却步,从而使他们将更多的重心转向可行性更高的XV-1和XV-3,直至最后,XV-2宣告终止。

尽管西科斯基公司的这一设计非常优秀,但是由于当时的工业制造技术和动力传动系统的实际性能没能赶得上设计的水平,而且该机的操纵控制系统对当时的飞行器而言也是“难度超标”了,加上美军经费的收紧,这一杰出概念就此中止,甚至都没能走到原型机打造的地步,最终只留下了一台模型、几张图纸和几篇报告而已。

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