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美高速旋翼机的“四驾马车”

  • 发布时间:2014-11-24 01:31:47  来源:科技日报  作者:佚名  责任编辑:罗伯特

  本期特别关注

  近日,首架S-97高速攻击直升机原型机曝光,其采用高速旋翼机概念,媒体称有望掀起新一轮的直升机技术革命。其实,高速旋翼机在美国并不是一个新鲜事物。美军为提高直升机的飞行速度,已经与4家公司签订协议,研制新的技术验证机。请看科技日报特约专稿——

  据报道,美军为提高直升机的飞行速度,已与4家公司签定了技术开发投资协议,用以研发新的技术验证机,进而确定未来军用旋翼机的发展方向。根据协议,4家公司将各自研制一款技术验证机,并完成所有的测试,从而为未来垂直运输系统(FVL)项目积累数据,FVL的目标是取代现役数量庞大的军用直升机群。在军方的计划里,未来的FVL系统无论是飞行速度,还是任务半径以及航程,都将远远超过现役的直升机。

  这4家公司分别是AVX飞机公司、贝尔直升机公司、Karem飞机公司(2004年该公司被波音并购,之后整合进波音防卫系统分部)和西科斯基公司。据美国陆军介绍,“被选中的公司提交的方案,在技术指标上要满足未来的需求,包括飞行速度、航程等,这些数据未来将直接应用于FVL项目。”另外,未来的FVL项目将会发展成为一个包括诸多型号的飞机家族,而不是单一的飞机型号。

  4家公司所提出的方案大体分为两种,一种是倾转旋翼机方案,兼有直升机和传统布局飞机的优点;另一种是与传统直升机类似的概念,采用固定旋翼系统+推进式螺旋桨布局。

  AVX:后来居上

  AVX公司与西科斯基公司的方案属于后者,其中AVX公司的方案采用共轴双旋翼+两个管道式风扇布局,双旋翼提供垂直起飞的能力,管道式风扇提供前进的动力。

  2005年AVX飞机公司成立,之后的短短几年内就亮出了几个让业界震惊的大动作,包括参与OH-58D直升机升级计划,竞争美国陆军JMR-TD项目等。AVX提出的设计概念采用的是共轴双旋翼+两个管道风扇的无尾气动布局,其中管道风扇可以提供40%的升力,而主旋翼则可以提供60%的升力。同时在前机身两侧设计了短翼,这样可以在高速飞行时提供额外的升力。该方案的机舱采用了与大型运输机类似的斜坡式尾舱门,能够满足同时装载两个460升标准货盘,而人员和轻型车辆等装备也能更快速地装卸。攻击型还可以在机舱内安装30毫米口径的炮塔以及反装甲导弹系统,这些武器虽然安装在机舱内部,但是可以通过机舱底板上的舱门滑出进行发射。

  在机身设计上,为了减小飞行时的气动阻力,该机的机头设计有轻微的上反角。同样出于减小机身机动阻力的考虑,两个推进螺旋桨采用了管道式设计,这种结构比常用的开放式推进螺旋桨的结构要轻,并且在飞行过程中的阻力也更小。

  据AVX公司的官方数据显示,在运载12名士兵以及4名机组乘员的情况下,该方案的起飞重量为12吨。与陆军现役UH-60M相比,该方案的最大外挂能力达到5.9吨(UH-60M为3.8吨),能够吊运陆军装备的M777A2型155毫米榴弹炮等重火力装备;其机舱截面尺寸达到6×6英尺,几乎相当于UH-60M的2倍,所以其内部载荷能力达到了3.6吨。飞行过程中,该方案在不使用管道风扇的情况下,飞行速度为320千米/时,而在使用管道风扇的情况下最大速度可以达到430千米/时。

  西科斯基:抢占先机

  西科斯基的S-97型设计概念,采用共轴双旋翼+后机身推进式螺旋桨布局,该布局已经在之前的X-2技术验证机上完成了大量测试。

  西科斯基研制S-97的初衷,是希望将其发展成为一款多功能武装侦察直升机,并能够赢得国防部的订货。但是,包括美国国防部和美国陆军在内,都没有对西科斯基明确表态。而这次选中该公司参与JMR-TD项目,也算为S-97找到了新的出路。

  S-97的设计完全基于西科斯基公司的X-2技术验证机,采用共轴反转双旋翼,尾部装推力螺旋桨。NASA在上世纪70年代的研究中发现,采用刚性共轴双旋翼布局的直升机是未来高速直升机的出路之一,因为上下两个互相反转的旋翼在直升机的两侧始终同时存在前行桨叶,从而弥补了后行桨叶失速的缺陷,获得更大的飞行速度,但是为了充分发挥前行桨叶的升力特性,必须采用刚性旋翼。而西科斯基在与NASA联合开展研制的过程中获益匪浅,并将此技术一直传承下去。西科斯基公司的资料显示,X-2在之前试验中已达到469千米/时的前飞速度,且只需要消耗最大功率的70%。在进行一些改进后(如加装旋翼头整流罩),X-2将能够达到520千米/时的前飞速度。

  该构型具备更高的机动性,与常规构型直升机相比,其加速/减速性能更高。在悬停性能方面,该构型比机械结构和气动特性更加复杂的V-22更好。

  贝尔:再写辉煌

  贝尔公司与洛克希德·马丁公司共同研制了V-280项目,即V-280倾转旋翼方案。它与目前已经在美国空军和美国海军陆战队服役的V-22属于同一类型,只是机身外形更大,装备的发动机功率也更大,倾转旋翼技术更为成熟。

  V-22“鱼鹰”是直升机与飞机“联姻”的产品,在设计上它吸收了固定翼和旋翼的优点,又克服了普通直升机前飞速度慢的弱点。起降时,使用水平的旋翼,可实现垂直起降;前飞时,旋翼向前偏转,实际就成为巨大的螺旋桨,它不仅提高了机动飞行能力,还比普通直升机要快得多。在相当大的速度范围内,它都很容易从依靠旋翼升力飞行变为依靠固定翼升力飞行,较好地解决了固定翼飞机不能垂直升空悬停,直升机活动半径小、航程短、航速慢的缺陷,为飞行器的发展开辟了新领域。

  V-22“鱼鹰”倾转翼直升机不仅结构独特,而且突破了飞机和直升机的原有飞行模式。飞行中它可任意变换固定翼和旋翼两种形态,航速是直升机的两倍多,各种指标也是任何直升机无法比拟的。它机内装有3套驾驶操纵系统,转换形态时,驾驶系统也自动转换。两台发动机由变速控制器相连,当一台发动机转速下降到熄火时,另一台发动机便通过变速控制器转换成带动两副螺旋桨的工作状态;发动机舱内采取增压措施,能有效阻止海上潮湿空气侵蚀;机身下方两侧和主起落架舱较大,起飞后自动封闭,紧急情况下在海上迫降时具有一定浮力,可使V-22“鱼鹰”不致沉没。

  V-22“鱼鹰”座舱是全新的,大量采用多功能的阴极射线显示技术。正副驾驶员均可有操纵杆、脚镫和油门。V-22“鱼鹰”对起降的条件要求不高,可在大型舰船上起降,因而可在未来的两栖登陆作战中大显身手。美国海军陆战队视该机为实现高速度、超视距两栖突击的一个至关重要的工具,并指出如果没有V-22“鱼鹰”倾转旋翼机,美国海军陆战队的作战原则和战术将退回20年以前。

  据称,一架V-22“鱼鹰”从夏威夷起飞后,通过各个美军基地的转场飞行,即可到达世界上大部分地区,这样的高航程,使行动部队深入到偏远地区实施作战任务成为了现实。

  贝尔直升机公司参与V-280项目的技术高管表示,V-280能够很好地满足美国陆军对于高速飞行能力的需求,其巡航速度可以达到519千米/时。而美国陆军在其JMR-TD项目中,对参与竞争的机型提出的巡航速度要求则为425千米/时,在FVL项目中对巡航速度的要求也是如此。

  V-280上的许多技术尽管都是基于贝尔/波音联合研制的V-22倾转旋翼机,但是都进行了大幅的升级和改进。V-280在低速灵活性、高速大过载机动性能、燃油效率等各方面都大大优于V-22,并且能飞更远的航程。当然,这些都需要经过实际验证。此外,贝尔直升机公司希望通过为V-280研制一套全新的三余度电传飞控系统,以保证其拥有出色的操纵性能。目前,V-280倾转旋翼机在35℃的高温环境下,无地效悬停高度可达1830米,在保持519千米/时巡航速度条件下作战航程可以达到930—1480千米;其无空中加油情况下最大航程可以达到3890千米,具备出色的全球自部署能力。

  Karem:高速取胜

  Karem公司提出的倾转旋翼机方案,最大的亮点在于其采用的转速优化旋翼技术,即根据起飞重量、飞行高度和飞行速度的不同,对旋翼的转速进行调整优化,从而提高飞机在整个包线内的飞行性能。目前,这项转速优化旋翼技术已经在波音的A160“蜂鸟”无人机上完成了总计18个小时的飞行测试。

  不出意外的话,Karem公司的方案将在其之前已经公布的TR36TD基础上发展而来,该方案采用倾转旋翼设计,并采用了上述提到的转速优化旋翼技术,最大速度可以达到670千米/时。TR36TD应该是4家公司方案中速度最快的一种。

  可以看出,4家公司设计的旋翼直升机,不仅改写了传统直升机和飞机作战的很多数据,而且将使空中飞行与作战进入一个新时代。随着新材料、新设计和微电子技术的飞速发展,及其在直升机上的广泛应用,各类新型旋翼直升机,必将以新的身影展翅于信息化战场。

  (作者单位:总参陆航研究所)

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