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据中国国防科技信息网报道:目前大多数人都认为,当前的旋翼机由于其性能包线而限制了其承担的任务。
尽管一架经过了大规模修改的韦斯特兰“山猫”直升机于1986年8月11日创下了直升机飞行速度的世界记录(400.8 km/h),但目前使用的大多数机型,如阿古斯塔·韦斯特兰AW139、欧直公司的EC155和西科斯基公司的S-76等均无法突破175 kt(324 km/h)的飞行速度。与涡桨式固定翼飞机相比,如比奇飞机公司的“空中国王”,其巡航速度低了至少85kt(157 km/h),而比典型的喷气式客机,如“霍克”800,则低了接近260 kt(482km/h)。
由于旋翼机的航程大多在175nm(324km)左右,这意味着旋翼机大多数情况都用于在城郊或乡下和城市之间的运输,而很少用于“市中心到市中心”的城市间运输,这也大大影响了其作为商务飞行器或VIP飞行器的吸引力,而另一个限制因素则是传统的旋翼机座舱内部的高噪声和振动水平。
旋翼机的噪声和振动水平只是近年来才降低到固定翼飞机的水平上,而旋翼机通常不超过20 000ft(6100m)的升限又使旋翼机无法在云层上空飞行,因而在一些情况下由于恶劣的气象条件而无法使用。
提高直升机的速度可同时提高其任务能力和经济上的实用性,对于直升机来说,速度和垂直起降能力几乎同等重要,如为海上钻井平台提供保障时。
因此,提高直升机的速度(或者一种更快的垂直起降飞行器)对于旋翼机设计师们来说是一项长期且重要的任务。Fairey Rotodyne飞行器(如图)于1957年6月11日首飞,其验证机速度达到175kt(比同时代的直升机快了50kt以上),并可承载48名乘客。为了达到这一设计目标,该机采用了一套桨尖喷气驱动的4片桨叶主旋翼,并加装了一对短翼,在短翼上装有由Napier Eland涡桨发动机驱动的螺旋桨。
Rotodyne可在桨尖喷气旋翼的作用下垂直起降,并在起飞后将所有功率转为驱动螺旋桨,转到前飞模式,这时其主旋翼转变成自转旋翼机的工作模式。Rotodyne方案最终因资金问题而破产,但在其终止前创下了一系列的旋翼机飞行速度记录。该机还参加了范保罗航展,引起了观众的轰动。
Rotodyne只是这一代希望突破常规构型直升机速度限制的试验性旋翼机中的一种。贝尔公司也研制了一个型号,采用了倾转旋翼的构型,其旋翼在垂直起降时提供升力,在前飞时转为水平方向提供拉力。
最初研制的XV-3采用了常规的固定机翼,并在翼尖装配了可旋转的旋翼系统,其后续的XV-15也采用了相似的结构,在翼尖装配了可旋转90°的发动机短舱及三片桨叶的旋翼系统。Canadair公司的CL-84和LTV公司的XC-142A采用的方案和XV-3/15系列略有区别,这两型倾转旋翼机将整个机翼和发动机短舱一起选装。尽管这几个试验型号都没有投入生产,但为贝尔/波音后来研制的V-22“鱼鹰”打下了技术基础,V-22就是在XV-15的基础上进行的开发。
在垂直起降时,V-22的发动机短舱保持垂直状态,提供起飞所需的升力,在起飞后,短舱前倾90°,转为水平方向提供前飞拉力,其飞行模式也从直升机模式转为固定翼涡桨飞机模式,与现有的直升机相比,V-22在性能和燃油消耗率方面均有较大优势。
V-22目前已投入美国空军和海军陆战队的前线战场,在伊拉克和阿富汗的战场上成功证明了其使用价值。V-22可搭载最多32名士兵,以及4名机组成员,最大飞行速度可达250kt(463.5km/h),实用升限为25 000ft(7625m)
贝尔/阿古斯塔公司研制的民用型倾转旋翼机BA609已完成了原型机试飞。该机可用于多种任务,如商务运输、搜索救援、执法行动等。
BA609可搭载9名成员,巡航速度为275kt(510km/h,约为相同吨位直升机的两倍),其航程可达800km以上,可用于两个城市之间的运输任务,也可用于近海支援任务,其完成任务所需的时间将是现有直升机承担时的一半。
但目前还有一些问题无法明确,如倾转旋翼机是否能够满足绝大多数情况下的特殊要求,其性能上的优势是否可以弥补其高昂的费用、高噪声和较低的任务载荷方面的缺陷,以及一些在垂直升降、缓慢飞行下可能存在的潜在问题。
关于倾转旋翼机还有很多问题需要进一步观察,如倾转旋翼机是否是一种赋予常规飞行器悬停能力的最佳解决方案,以及倾转旋翼机可以在达到“突破常规直升机飞行速度限制”目标下使其资金利用率更高等。对于常规直升机的主旋翼来说,后行桨叶失速是其主要的速度限制因素。这可以通过加装固定短翼以提高升力、加装另外一套推力系统或二者同时采用的办法。如Piasecki公司研制的X-49A“速度鹰”技术验证机,该机在西科斯基公司的YSH-60F基础上改装。该机装有涵道式推力螺旋桨(与该公司研制的Model 16H-1“寻路者”试验机很相似),以及常规的机身短翼,以卸载一部分主旋翼载荷,短翼上还装有用于飞行控制的襟翼。X-49A于2007年6月29日首飞,飞行速度达到了180kt,公司计划将其飞行速度提高到200kt以上。
西科斯基公司也在其XH-59试验机上开始了一系列旨在提高直升机飞行速度的研究工作。XH-59的主旋翼是一套共轴式刚性双旋翼系统。该旋翼构型的后行桨叶不需提供很多的升力,其升力主要由前行桨叶提供,而其产生的滚转力矩也由另一副旋翼的前行桨叶所提供的升力平衡,从而消除了后行桨叶失速现象。
这些措施使该机的前飞速度达到160kt。而其引入涡轮喷气发动机将其速度提高到接近240kt。但该机在噪声和振动以及燃油利用率方面存在着很大问题。
西科斯基重新修改了其XH-59的构型,推出了X2技术验证机。该机于2008年8月27日首飞,该机采用了先进的原材料、旋翼技术和数字化飞控系统,以克服XH-59所遇到的种种问题。X2同样采用一套共轴式刚性双旋翼,其旋翼桨叶具有较高的升阻比,并装有桨毂整流罩,该机还在尾部装配了一套6片桨叶的推力桨。
X2采用先进的综合电传飞控系统,在飞行包线中提供旋翼转速全权控制。该机于今年5月达到了181kt的平飞速度,西科斯基公司希望X2能够在未来的第四阶段飞行试验中超越250kt的飞行速度,成为新一代高速直升机的研制基础。
目前在把需求集中在提高速度方面性能上的观点存在着一些质疑。今年在伦敦举行的皇家航空协会讲座上,俄罗斯卡莫夫设计局的总设计师谢尔盖·米赫耶夫表示:“速度不是未来旋翼机主要的性能需求。未来主要的需求是提高直升机的气动性能,这才是未来直升机工业发展的突破点。”
但是,卡莫夫设计局也在研制自己的高速直升机型号Ka-92,该机采用了与X2类似的共轴双旋翼的主桨和与X-49A“速度鹰”类似的尾部推力风扇。俄罗斯的另一家直升机设计局米里设计局也在研制一个类似的构型Mi-X1。(中国航空工业发展研究中心李昊)