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从X2到SB-1挑战者西科斯基复合式直升机之路

165人参与 |时间:2021年01月01日 13:42 |百度已收录

进化——美国陆军航空装备现代化计划与西科斯基的新构型飞行器

从上世纪六十年代末期开始,西科斯基公司就启动了“前行桨叶概念旋翼”(简称:ABC旋翼)技术的研究,当然,在科普文中,这项技术有个更广为人知的名字“刚性共轴双旋翼”。在该技术的基础上,西科斯基公司先后打造了XH-59A试验机、X2技术验证机和S-97演示验证机。

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▲机身两侧装有喷气发动机的XH-59A试验机

这一系列基于“ABC旋翼”技术的飞行器不仅验证了“ABC旋翼”技术的可行性和应用价值,并且也将基于该技术的新构型飞行器逐步推向了成熟。而随着美国陆航对于旋翼类飞行器速度和航程的要求逐步提升,尤其是美国陆军航空装备现代化关键计划“未来垂直升力”(FVL;Future Vertical LIft)计划的推进,促使西科斯基联手波音公司开始进行“ABC旋翼”复合式飞行器的“放大”计划,从而促成了本文的主角SB>1验证机的诞生。

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▲SB>1是FVL计划的先导计划的一部分,其竞争对手是贝尔公司的V-280倾转旋翼机

从吨位上来说,X2试验机是3吨级别的,S-97验证机则是5.2吨级别的,而脱胎于美国陆军“联合多任务-技术验证”(JMR-TD;Joint Multi-Technology)项目的SB>1“挑衅者”复合式直升机则定位在14吨级别(潜在的黑鹰直升机接任者)。

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▲从X2到SB>1,西科斯基新构型复合式直升机尺寸“放大”示意图

从项目层面上来讲,SB>1复合式直升机主要还是面向FVL计划中的”中型垂直升力“(FVL-Medium,或者简称FVL-M)计划来打造的,为此,美国陆军也针对性地提出了一系列的”中型任务性能指标“(MPS-Medium)。这些任务指标主要可以归结为下述几个方面:

巡航速度要超过230节(约为426千米/时,1节约等于1.852千米/时,下同);

在1800米海拔高度和35摄氏度的环境条件下实现垂直起降;

在搭载4名机组成员和12名全副武装的士兵情况下,作战半径要达到424公里;

为了实现这些任务性能指标,SB>1复合式直升机采用了”ABC旋翼“技术、集成的尾部推进螺旋桨、优化的复合材料结构、电传操纵飞行控制系统和主动振动控制系统。其中,在旋翼系统中,主要突破了高升阻比的旋翼桨叶几何外形优化设计和低阻力的主旋翼桨毂整流罩系统设计。

这所有的种种优化设计联合起来促成了这种新构型高速直升机的诞生,采用上述一系列技术的X2(单座)验证机就在平飞测试中达到了250节的飞行速度,之后在S-97的飞行测试中,西科斯基公司也一直在推进着这一飞行速度上限。尽管S-97和SB>1在吨位上有着巨大的差异,但是,从X2到S-97,其飞行测试的成功无疑也大大降低了SB>1复合式直升机诞生的风险。

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▲在飞行测试中的西科斯基X2演示验证机

当然,作为”放大版本“的X2,SB>1复合式直升机更多的也只是一架”验证机“,而并不是美国陆军航空装备现代化的某种原型机——或者说黑鹰接任者的原型机。这主要是因为,对于”黑鹰接任者“,美国陆军还有很多其他的要求,比如要求配备改进的新型发动机等一系列部件,这些部件并非SB>1在研制之初就能接触到的。但是,相同的是,SB>1虽然不会是最终的原型机,但是,该机的发展毫无疑问会大大降低后续机型的研制风险——如果美国陆军选择它作为”黑鹰接任者“的话。

从X2到S-97再到SB>1,延续下来的不仅仅有典型的”刚性共轴旋翼“+”辅助推进螺旋桨“的独特构型布局,同样还有那些分析模型和方法。事实上,从XH-59A开始,西科斯基就已经着手建立这样一套用于”刚性共轴双旋翼飞行器“的优化设计模型,这套模型被用于X2和S-97的优化设计的分析计算,并通过其飞行测试数据进行优化,并最终被用到了SB>1之上。

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▲今年2月份,正在进行飞行演示的SB>1复合式直升机

尽管SB>1有着西科斯基在“ABC旋翼”技术方面数十年的努力和经验技术积累,但是吨位和尺寸的“放大”显然并不是简单的几何变化关系,其中涉及到诸多关键技术难题,阻挡了SB>1复合式直升机前进的脚步,直接导致其在飞行测试进度上全面落后于JMR-TD项目中的竞争对手——来自贝尔公司的V-280“勇气”倾转旋翼机。即便如此,西科斯基的这种新构型复合式直升机仍然牢牢吸引着美国陆军的目光。

”刚性共轴旋翼“技术的延续与发展

或许和你想象中的有些不同,但在JMR-TD项目中,“重量性能”一直都是美国陆军和西科斯基最关心的重要参数之一。

正如本文开头所说,在上世纪六十年代末、七十年代初,西科斯基公司就已经启动了“ABC旋翼”技术的研究工作,并在美国陆军的支持之下打造出了XH-59A试验机。一开始的XH-59A并不像后来的X-2那样加装了尾部螺旋桨,而是在机身两侧加装了辅助推进喷气发动机,并以这种构型达成了256节的高速飞行,可谓在速度方面已经达到甚至超过了美国陆军的要求。除此之外,无论在低速贴地飞行或者高速巡航飞行中,XH-59A的机动性能、操纵品质等都非常令人满意。

20210622151102624.jpg▲上世纪七十年代到八十年代之间,西科斯基公司打造了XH-59A试验机,图为该机飞行测试照片

但是XH-59A存在着致命的缺陷:空重比非常高、燃油消耗非常大并且振动水平特别强。而上述几个问题中,第一个问题尤其引人关注。这一点我在之前的文章中也介绍过,XH-59A在两侧配装喷气式发动机之后,竟然由于空重比超标而无法实现垂直起飞,最后只能通过“滑跑”的方式来实现起飞,这对于直升机来说,可以算是个“笑话”,当然也成了西科斯基公司的设计师和美国陆军专家心中的一根刺。

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▲1981年,停靠在跑道上的XH-59A试验机

后来,在上世纪八十年代初,美国陆军提出“轻型直升机试验”(LHX)项目的时候,西科斯基公司不是没考虑过XH-59A这种构型,但是该机空重比太大的问题在当时并没有得到妥善的解决,再加上美国陆军对于LHX项目型号并没有特别高的飞行速度要求,反而是非常强调隐蔽性能,这就最终促使西科斯基放弃了XH-59A的设计思路,最终形成了大名鼎鼎的RAH-66“科曼奇”隐身直升机的设计方案,当然,这是题外话了。

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▲西科斯基公司基于“ABC旋翼”技术的LHX直升机构想概念艺术图

言归正传,为什么XH-59A这种设计空重比会这么大呢?我们从一个小的角度来说,西科斯基最早负责“ABC旋翼”技术的总设计师曾指出,由于“ABC旋翼”采用了无铰式设计,并且桨叶的刚度非常之大,这就导致其等效挥舞偏置量超过了50%,这就意味着旋翼传递到桨毂上的力矩是相当巨大的,而由于上下旋翼共轴反转,等于是把这个力矩翻倍。

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▲XH-59A复合式直升机旋翼系统细节图,可以看出其与常规直升机铰接式旋翼的显著差异

而能够承受住这样巨大的力矩的桨毂其种重量势必会远大于普通直升机的桨毂,更别说共轴双旋翼还需要更为复杂的操纵系统、再加上尾部推进螺旋桨的传动系统和操纵系统部件、为了降低这种新构型直升机存在的巨大振动而采用的主动振动控制系统,这些都增大了该机的空重比。尽管随着技术的发展和突破,西科斯基设计师们不再面临XH-59A那种无法“垂直起飞”的问题,但是“重量性能”始终是S-97和SB>1必须面对的重要问题之一。

虽然提到SB>1的时候,很多人的第一印象就是——“黑鹰直升机的替代者”。但是如果仔细来看这个问题的话,就可以发现美国陆军要的并不是“另一种黑鹰直升机”,而是一种比黑鹰直升机要强得多的旋翼飞行器。

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▲停靠在机库中的SB>1复合式直升机

尽管目前美国陆军并没有透露过很具体的下一代通用直升机的指标要求,但是从定性的角度,我们还是大概可以看到,他们要求的是一种负载能力更强、速度更快、航程更远的直升机:有效载荷大概要比现役黑鹰直升机高出50%,飞行速度要超过230节,同时仍要保证黑鹰直升机所具备的出色的低速机动性和操纵品质。

而事实上,从S-97的表现来说,无论是高速飞行能力还是低速飞行效率,这种新构型的复合式直升机似乎都已经满足了美国陆军对于下一代通用直升机平台的想象,所以,现在又回到了本小节的开头——“重量性能”将会成为成败的关键。

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▲早期悬停测试的SB>1,可以看到其主旋翼桨毂还没安装,尾部螺旋桨也没开机

对于S-97,西科斯基公司的工程师目前对其的要求是空重比小于等于68%,对于SB>1的期望值还要比这个更小一些。尽管该期望值仍然远远比不上黑鹰直升机的空重比——大概在57%左右——但是对于一架新构型复合式直升机来说,已经算是不错了。而且,就好比当初的UH-60“黑鹰”直升机在研制过程中,就多次受到CH-53K“种马”系列直升机经验技术的支撑一样;西科斯基公司的设计师们在研制SB>1的过程中,也从CH-53K“种马王”重型直升机的研制中得到了许多启发,尤其是在重量性能的优化设计上。

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▲高速飞行的SB>1复合式直升机艺术概念图

除此之外,SB>1在旋翼系统、尾部螺旋桨系统、垂尾和平尾等系统的优化设计方面,由于有S-97复合式直升机研制和试飞过程中积累的经验,也得到了“进化”。其前飞性能、品质因子、低速机动性、高速操纵性和稳定性等性能指标都得到了提升。

SB>1”挑衅者“的现状

对于西科斯基公司而言,无论是X2还是S-97或者是SB>1,他们有个共同的特点就是采用了“X2技术”,所以这一系列飞行器也被称为“X2技术飞行器”。之所以这么说,就是因为这一系列飞行器尽管外形上或多或少有些差别,但是其本质上都保持了X2复合式直升机发展至今的关键技术:电传操纵飞行控制系统、主动振动控制技术、集成式推进螺旋桨、高升阻比的旋翼系统、更大的飞行任务包线和更低的机组成员工作负担。当然,所有的这些技术都已经被集成到了SB>1“挑衅者”复合式直升机中,最关键的是,SB>1试验机的空重比据称确实是已经小于X2复合式直升机了。

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▲西科斯基为SB>1复合式直升机打造的传动系统测试台示意图

而正如前文所言,在飞行测试的竞赛中,SB>1复合式直升机一度落后与贝尔公司的V-280倾转旋翼机,但是,随着美国陆军在去年年底和今年初一再敦促加快“未来垂直升力计划——中型”分计划的进度。西科斯基公司也在多方压力之下加快了SB>1的飞行测试节奏,并在今年六月中旬正式完成了“高速巡航”的飞行测试项目,其公开最大飞行速度目前已经突破了200节(超过了黑鹰直升机的极限飞行速度),想必后面只要不出现关键技术问题,那么其飞行速度突破230节已经算是指日可待了。

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