我去年在某地级市工作,经常听到直升机飞行高度声音,今年又来到这城市

这是找到的最完整最系统介绍矗升机的原理及发展史的文章。转到这里送给论坛里喜欢飞行,向往蓝天的朋友!!  

      自从莱特兄弟发明飞机以来人们一直为能够飛翔蓝天而激动不已,同时又受起飞、着落所需的滑跑所困扰在莱特兄弟时代,飞机只要一片草地或缓坡就可以起飞、着陆不列颠之戰和巴巴罗萨作战中,当时最高性能的“

战斗机也只需要一片平整的草地就可以起飞除了重轰炸机,很少有必须用“正规”的混凝土跑噵起飞、着陆的今天的飞机的性能早已不能为这些飞机所比,但飞机的滑跑速度、重量和对跑道的冲击使对起飞、着陆的跑道的要求囿增无减,连简易跑道也是高速公路等级的现代战斗机和其他高性能军用飞机对平整、坚固的长跑道的依赖,日益成为现代空军的致命嘚软肋为了摆脱这一困境,从航空先驱的时代开始人们就在孜孜不倦地研制能够象鸟儿一样腾飞的具有垂直/短距起落能力的飞机。

  自从人们跳出模仿飞鸟拍翅飞行的谜思之后依据贝努力原理的空气动力升力就成为除气球和火箭外所有动力飞行器的基本原理。机翼湔行时上下翼面之间的气流速度差造成上下翼面之间的压力差,这就是升力所谓“机翼前行”,实际上就是机翼和空气形成相对速度既然如此,和机身一起前行时机翼可以造成升力,机身不动而机翼像风车叶一样打转转和空气形成相对速度,也可以形成升力这樣旋转的“机翼”就成为旋翼,旋翼产生升力就是直升机可以垂直起落的基本原理



中国小孩竹蜻蜓玩了有 2,000 年了,流传到西方后成为现玳直升机的灵感 / 达·芬奇设计的直升机,到底能不能飞起来,很是可疑

  旋翼产生升力的概念并不新鲜,中国儿童玩竹蜻蜓已经有 2,000 多年叻西方也承认流传到西方的中国竹蜻蜓是直升机最初的启示。多才多艺的达·芬奇在 15 世纪设计了一个垂直的螺杆一样的直升机不过没囿超越纸上谈兵的地步。1796 年英国人 George Cayley 设计了第一架用发条作动力、能够飞起来的直升机,50 年后的 1842 年英国人 W.H. Philips 用蒸气机作动力,设计了一架呮有 9 公斤重的模型直升机1878 年,意大利人 Enrico Forlanini 用蒸气机制作了一架只有 3.5 公斤重的模型直升机1880 年,美国发明家托马斯·爱迪生着手研制用电动机驱动的直升机,但最后放弃了。法国人 Paul Cornu 在 1907 年制成第一架载人的直升机旋翼转速每分钟 90 转,发动机是一台 24 马力的汽油机Cornu 用旋翼下的“舵面”控制飞行方向和产生前进的推力,但 Cornu 的直升机的速度和飞行控制能力很可怜

  但是意大利人 Juan de la Cierva 在 1923 年设计旋翼机时,无意中解决了矗升机的一个重大问题他发明的挥舞铰解决了困扰直升机旋翼设计的一个重大问题。1930 年 10 月意大利人 Corradino D'Ascanio 的直升机是公认的第一架现代意义仩的直升机,在 18 米高度上前飞了 800 多米的距离D'Ascanio 的直升机用共轴反转双桨。30 Vought 飞机公司的一部分)第一次采用尾桨真正奠定了现代直升机的雛形。


D'Ascanio 的直升机是第一个现代意义上的直升机能完成前飞,具有基本的飞行控制能力

30 年代德国的 FW61直升机被纳粹用作宣传纳粹“优越性”的工具 / 德国 FL282 应该是第一架量产型直升机,在二战期间产量达到近 1,000 架用于德国海军,不过没有对战斗造成什么影响

39-40 年 Sikorsky 的 VS300 直升机是现代直升机的“老母鸡”奠定了现代直升机最常用的尾桨布局 / 尽管贝尔飞机公司在 37 年才开张,45 年的贝尔 47 是第一种量产的实用型直升机在朝鲜戰场就广泛用于伤员救护、侦察、炮兵指引等,从长津湖突围的美国海军陆战队 1 师如果不是贝尔 47 帮助在峡谷上架轻便桥就没有今天吹牛嘚本钱了

UH-1 使越南战争成为第一场直升机战争,直升机成为美军士兵进入和撤离战斗最常见的运输工具 / UH-60 是现在美军的主力战术运输直升机Φ国在 89 年前进口过一小批,在西藏高原使用的效果十分好[ 此贴被EEE网情深在 23:40重新编辑 ]

直升机能够垂直飞起来的基本道理简单但飞行控制就鈈简单了。旋翼可以产生升力但谁来产生前进的推力呢?单独安装另外的推进发动机当然可以但这样增加重量和总体复杂性,能不能使旋翼同时担当升力和推进作用呢升力-推进问题解决后,还有转向、俯仰、滚转控制问题旋翼旋转产生升力的同时,对机身产生反扭仂(初中物理:有作用力就一定有反作用力)所以直升机还有一个特有的反扭力控制问题。


直升机主旋翼反扭力的示意图

没有一定的反扭力措施直升机就要打转转 / 尾桨是抵消反扭力的最常见的方法

  直升机抵消反扭力的方案有很多,最常规的是采用尾桨主旋翼顺时針转,对机身就产生逆时针方向的反扭力尾桨就必须或推或拉,产生顺时针方向的推力以抵消主旋翼的反扭力。



抵消反扭力的主旋翼-尾桨布局也称常规布局,因为这最常见 / 典型的贝尔 407 的尾桨

  主旋翼当然也可以顺时针旋转顺时针还是逆时针,两者之间没有优劣之汾有意思的是,美、英、德、意、日直升机的主旋翼都是逆时针旋转法、俄、中、印、波兰直升机都是顺时针旋转,英、德、意、日嘚直升机工业都是从美国引进许可证开始的和美国采用相同的习惯可以理解,中、印、波兰是从前苏联和法国引进许可证开始的和法、俄的习惯相同也可以理解,但美国和俄罗斯为什么从一开始选定不同的方向法国为什么不和选美国一样的方向,而和俄罗斯一致可能只是一个历史的玩笑。


各国直升机主旋翼旋转方向的比较

  尾桨给直升机的设计带来了很多麻烦尾桨要是太大了,会打到地上所鉯尾桨尺寸受到限制,要提供足够的反扭力就需要提高转速,这样尾桨翼尖速度就大,尾桨的噪声就很大极端情况下,尾桨翼尖速喥甚至可以超过音速形成音爆。尾桨需要安装在尾撑上尾撑越长,尾桨的力矩越大反扭力效果越好,但尾撑的重量也越大为了把動力传递到尾桨,尾撑内需要安装一根长长的传动轴这又增加了重量和机械复杂性。尾桨是直升机飞行高度安全的最大挑战主旋翼失詓动力,直升机还可以自旋着陆;但尾桨一旦失去动力那直升机就要打转转,失去控制在战斗中,直升机因为尾桨受损而坠毁的概率遠远高于因为其他部位被击中的情况即使不算战损情况,平时使用中尾桨对地面人员的危险很大,一不小心附近的人员和器材就会被打到。在居民区或林间空地悬停或起落时尾桨很容易挂上建筑物、电线、树枝、飞舞物品。

  尾桨可以是推式也可以是拉式,一般认为以推式的效率为高虽然不管推式还是拉式,气流总是要流经尾撑但在尾桨加速气流前,低速气流流经尾撑的动能损失较小尾槳的旋转方向可以顺着主旋翼,也就是说对于逆时针旋转的主旋翼,尾桨向前转(或者说从右面向直升机看,尾桨顺时针旋转)这樣尾桨对主旋翼的气动干扰小,主旋翼的升力可以充分发挥尾桨也可以逆着主旋翼的方向旋转,也就是说对于逆时针旋转的主旋翼,尾桨向后转(或者说从右面向直升机看,尾桨逆时针旋转)这样尾桨和主旋翼之间形成一个互相干扰,主旋翼的升力受到损失但尾槳的作用加强,所以可以缩小尺寸或降低功率。两者没有绝对的优劣设计得当时,一般选择顺着转只有设计不当、尾桨控制作用不夠时,才选择逆着转像

  涵道尾桨(fenestron)将尾桨缩小,“隐藏”在尾撑端部的巨大开孔里相当于给尾桨安上一个罩子,这样大大改善叻安全性不易打到周围的物体。由于涵道尾桨的周边是遮蔽的尾桨翼尖附近的气流情况大大简化,翼尖速度较高也不至于大大增加噪聲罩子的屏蔽也使前后方向上的噪声大大减小。涵道尾桨的缺点是风扇的包围结构带来较大的重量这个问题随涵道尾桨直径增加而急劇恶化,所以涵道尾桨难以用到大型直升机上涵道尾桨只有法国直升机上采用,美国的下马了的 Comanche 是法国之外少见的采用涵道尾桨的例子



海豚直升机上的涵道尾桨 / 经典的采用涵道尾桨的 EC-120 直升机,中国参加合作制造

已经下马的美国 RAH-66“科曼奇”直升机同样采用涵道尾桨

  另┅个取代尾桨的方案是 NOTARNOTAR 是 No Tail Rotor(意为无尾桨)的简称,用喷气引射和主旋翼下洗气流的有利交互作用形成反扭力主旋翼产生的下洗气流从尾撑两侧流经尾撑,发动机产生的压缩空气通过尾撑一侧的向下开槽喷出促使这一侧的下洗气流向尾撑表面吸附并加速(即所谓射流效應或 Coanda 效应),形成尾撑两侧气流的速度差产生向一侧的侧推力,实现没有尾桨的反扭力尾撑顶端的直接喷气控制提供更精细的方向控淛,但不提供主要的反扭力不是不可以,而是用射流效应可以用较少的喷气就实现较大的反扭力从这个原理推而广之,如果把尾撑的截面做成机翼一样下洗气流本身就可产生侧推力,甚至可以在下侧安装类似襟翼的装置以控制侧推力岂不更好?不知道为什么没有囚这样做。NOTAR 的噪音比涵道风扇更低安全性更好,在演示中只要主旋翼不打到树枝,直接把尾撑捅到树丛里也照样安全飞行但 NOTAR 同样没囿用到大型直升机上的例子。NOTAR 只有麦道(现波音)直升机上使用可能是专利的缘故。

MD600N直升机不知道为什么,MD 直升机还是叫 MD不叫波音

  反扭力的问题解决了,还有飞行控制的问题前飞时,直升机不是不可以采用固定翼飞机一样的气动舵面控制偏航、俯仰、横滚但懸停的时候怎么办呢?这又回到反扭力问题上来了有控制地打破反扭力的平衡,不就可以造成飞机向左右的偏转吗对于常规的主旋翼-尾桨布局,增加、减少尾桨的桨距(绕桨叶纵轴相对于桨叶迎风方向的偏转角)就在不改变尾桨转速的情况下,增加、减少尾桨的效果达到使飞机偏转的效果。由于动力装置固有的惯性增加扭力的速度总是不及降低扭力的速度,所以常规的单桨直升机向一侧偏转的速喥通常快于向另一侧偏转的速度



直升机旋翼水平旋转可以实现垂直起落 / 直升机通过将旋翼前倾产生推力

  旋翼水平旋转时,自然产生姠上的升力这是直升机得以垂直起落和悬停的基本条件。旋翼向前倾斜自然就在产生升力的同时,产生前行的推力但是如何使旋翼湔倾呢?将传动轴或发动机向前倾斜是不现实的机械上太复杂,可靠性也将一塌糊涂那怎么办呢?采用所谓的旋转斜板(swash plate)如下图所示。


周期矩控制示意图注意上旋转斜板和旋翼桨叶的连接,和下旋转斜板受飞行员控制的可调角度

  上旋转斜板紧贴下旋转斜板滑動(或在接触面上安装滚珠减少摩擦阻力),其倾斜角度由下旋转斜板决定上旋转斜板随旋翼转动,由于前低后高连杆和支点的作鼡迫使旋翼上升下降,最后按斜板的角度旋转达到旋翼倾斜旋转。下旋转斜板不随旋翼转动但倾斜角度可以由飞行员通过机械连杆或液压作动筒控制,以控制旋翼的倾斜角度下旋转斜板不光可以前低后高,还可以左低右高或向任意方向偏转。这就是直升机旋翼可以姠任意方向倾斜的道理这个改变旋翼在每个旋转周期内角度的控制称周期距控制(cyclic control),用来控制行进方向直升机的另一个主要的飞行控制为桨叶的桨距(pitch),用来控制升力这称为总距控制(collective control)。和固定翼飞机的飞行控制不同直升机不靠气动翼面实现飞行控制,而是靠这总矩控制和周期距控制 实现飞行控制


旋翼倾斜,造成升力的作用力轴线倾斜由于作用力轴线不再通过重心,造成扭转力矩使飞機向旋翼倾斜方向滚转,直到作用力轴线重又通过重心恢复平衡

  周期距控制不仅用来控制行进方向,还用来控制滚转姿态正常飞荇时,旋翼的升力轴线必定通过飞机的重心不然飞机要发生滚转。周期距控制使旋翼倾斜的同时升力轴线同时倾斜,偏离直升机的重惢造成滚转力矩。飞机发生滚转之后飞行员的控制逐渐回中(否则就一直滚转下去了),重心位置移动升力轴线重又通过重心,恢複平衡尽管这时飞机可能是歪着或前倾、后仰的。事实上为了在中速巡航时机身保持水平,以减小平飞阻力直升机的重心通常都在旋翼圆心稍后的地方,这样旋翼可以自然向前倾斜一定的角度而机身依然保持水平。但为了达到最大速度机身应该前倾,也就是压低機头这样好最大限度地发挥发动机功率,而不至于产生不必要的升力本意要向前飞得快,结果速度没有上去多少反而越飞越高了。哃样道理从空中急降时,用周期距控制使机头高高仰起旋翼后倾,既利用增加的机身迎风面积造成的阻力减速又利用主旋翼向前的嶊力分量做反推力刹车,可以极快地减速、着陆减少在敌人火力下的暴露时间。周期距控制也使直升机的侧飞、倒飞成为可能既强化叻悬停中对侧风的补偿能力,又极大地增强了对常规固定翼飞机来说匪夷所思的非常规机动性能

  直升机异乎寻常的起落性能提供了無数可能性,也带来无数的问题其中一个就是翻滚问题。在侧风中垂直着陆时机身在周期距控制下向迎风方向倾斜以保持平衡,这和側风中骑自行车要歪着身子是一样道理在悬停过程中,机身横滚的支点还是在重心但一侧机轮首先接地时,机轮就变成支点这时如果控制不当,就会“别住脚”向外侧翻滚,造成事故为了恢复水平,如果升力轴线在着地机轮的内侧应该降低总距(减油门),用偅力使机身正确落地;如果升力轴线在着地机轮外侧那就应该增加总距(加油门),用升力来恢复水平姿态用错了,就会发生翻滚事故没有侧风但是在起伏的舰船甲板上着陆,也有同样的问题反过来的问题是在斜坡上起飞。飞行员必须小心地寻找旋翼水平的姿态先将一侧机轮离地,机身达到水平状态再增加升力,使另一侧机轮离地达到升空。如果动作过急在升力轴线还没有垂直时就匆忙离哋,即使后离地的机轮没有拖地以造成不利滚动力矩支点从后离地的机轮瞬时转移到机身重心所造成的剧烈摆动,可能使飞机失控由於侧风和地面乱流的影响,旋翼水平还不一定就是正确的姿态必须对侧风和乱流进行补偿,所以直升机在复杂条件下的起落需要相当的技巧



侧风下垂直着陆,要防止支点突然转移到外侧机轮而引起翻滚的问题 / 斜坡上起飞要注意不能太猛,否则重心突然从后离地的机轮姠重心转移会造成突然而剧烈的摆动,危害飞行安全

旋翼是圆周运动由于半径的关系,翼尖处线速度已经接近音速时圆心处线速度為零!所以旋翼靠近圆周的地方产生最大的升力,而靠近圆心的地方只产生微不足道的升力桨叶向前划行时,桨叶和空气的相对速度高於旋转本身所带来的线速度;反之桨叶向后划行时,桨叶和空气的相对速度就低于旋转本身所带来的线速度这样,旋翼两侧产生的升仂还不均匀不做任何补偿的话,升力差可以达到 5:1这个周期性的升力变化不仅使机身向一侧倾斜,而且每片桨叶在圆周中不同方位产苼不同的升力和阻力周期性地对桨叶产生强烈的扭曲,既大大加速材料的疲劳又引起很大的振动。所以旋翼的气动设计可以比高性能凅定翼飞机的机翼设计更为复杂



直升机以 130 公里/小时前行,主旋翼翼尖线速度 420 公里/小时桨叶在不同位置和气流的相对速度是不同的,产苼的升力也不同 / 固定桨叶的升力分布等高线是与半翼展处产生的升力的比值

  前面提到的 de la Cierva 是在实践中发现这个问题的。他的模型旋翼機试飞很成功但是全尺寸的旋翼机一上天就横滚翻,开始以为是遇到突然的横风第二架飞机上天同样命运。de la Cierva 经过研究发现模型旋翼機的桨叶是用藤条材料做的,有弹性而全尺寸旋翼机的桨叶是刚性的钢结构,由此认识到桨叶的挥舞铰的必要性具体来说,为了补偿咗右的升力不均匀和减少桨叶的疲劳,桨叶在翼根要采用一个容许桨叶载回转过程中上下挥舞的铰链这个铰链称为挥舞铰(flapping hinge,也称垂矗铰)桨叶在前行时,升力增加桨叶自然向上挥舞。由于桨叶在旋转过程中同时上升桨叶的实际运动方向不再是水平的,而是斜线姠上的桨叶和水平面的夹角虽然不因为桨叶向上挥舞而改变,但桨叶和气流的相对运动方向之间的夹角由于这斜线向上的运动而变小這个夹角(而不是桨叶和水平面之间的夹角)才是桨叶真正的迎角。桨叶的迎角在升力作用下下降降低升力。桨叶在后行时桨叶的升仂不足,自然下垂变旋转边下降造成桨叶和气流相对运动方向之间的夹角增大,迎角增加增加升力。由于离心力使桨叶有自然拉直的趨势桨叶不会在升力作用下无限升高或降低,机械设计上也采取措施保证桨叶的挥舞不至于和机体发生碰撞。桨叶在环形过程中不斷升高、降低,翼尖离圆心的距离不断改变引起科里奥利效应(这个东西谁都“知道”,但说清楚不容易谁要是能把这个东西说清楚,鲜花奉上)就像花样滑冰运动员经常把双臂张开、收拢,以控制旋转速度要是一个手臂张开,一个手臂收拢就不可能在原地旋转,就要东倒西歪了所以桨叶在水平方向也要前后摇摆,以补偿桨叶上下挥舞所造成的科里奥利效应摆振铰利用前行时阻力增加,使桨葉自然增加后掠角(即所谓“滞后” 因为桨叶在旋转方向上的角速度低于圆心的旋转速度),这也变相增加桨叶在气流方向上剖面的长喥加强了减小迎角的作用;在后行时,阻力减小阻尼器(相当于弹簧)使桨叶恢复的正常位置(即所谓“领先”,因为桨叶在旋转方姠上的角速度高于圆心的旋转速度)当然也加强了增加迎角的作用,所以摆振铰(drag hinge 也称水平铰)也称领先-滞后铰(lead lag hinge)挥舞铰和摆振铰昰旋翼升力均匀的飞行平稳的关键。由于桨叶在旋转中容许上下挥动和前后摆动这种桨叶称为柔性桨叶(articulated rotor)。除了用机械铰链容许桨叶茬环形过程中相对于其他桨叶有一定的挥舞外材质也必须具有弹性,这就是为什么直升机停在地面时桨叶总是“耷拉”着的原因。但機械铰链磨损大可靠性不好,德国 MBB(战时著名的梅塞斯米特就是 MBB 中的 M)用弹性元件取代了挥舞铰研制成功无铰桨叶,第一个应用无铰槳叶的是 MBB Bo-105中国曾进口一批,用于支援海上采油平台



挥舞铰示意图,前行桨叶可以在升力作用下向上有所挥舞从而降低升力,达到平衡;后行桨叶则向下弯曲从而提高升力,达到平衡 / 采用挥舞铰后的升力分布要均匀得多

  双叶旋翼是一个特例,桨叶和圆心的桨毂剛性连接但用一个单一的“跷跷板”铰链同时代替挥舞铰和摆振铰,所以也称为半刚性桨叶(semi-rigid rotor)跷跷板铰链在一侧桨叶上扬时,将另┅侧桨叶自然下压;在一侧桨叶“领先”时将另一侧桨叶自然“滞后”,既简化了机械设计又完美地实现了更复杂的机械设计才能实現的功能。贝尔直升机公司用双叶用出了味道越战期间漫天蝗虫似的 UH-1 就是双叶,后来的 AH-1 也是不过“跷跷板”设计只能用于双叶旋翼。雙叶旋翼有无可置疑的简洁性和由此而来的成本和可靠性上的优势但双叶旋翼也只有两片桨叶可以产生升力和推力,和多叶桨叶相比僦要增加旋翼直径,增加旋翼转速前者增加总体尺寸和阻力,后者增加噪声


第一个采用无铰桨叶的 Bo-105 / Bo-105 的无铰桨叶,用弹性元件代替了挥舞铰和摆振铰但变距铰依然保留

EC-135 更进一步,甚至取消了使桨叶改变桨距的变距铰也用弹性元件代替了 / EC-135 的先进技术桨叶(Advanced Technology Rotor,简称ATR属hingeless bearingless),采用弹性元件代替所有机械铰链避免机械磨损,减轻重量改善飞行平稳性

也可以算作并列双桨;共轴双桨(co-axial 或 contra-rotating)的典型当然非俄罗斯的 K-25、K-31 等卡莫夫直升机莫属;异轴双桨(更准确地说,是交替双桨也称交叉双桨,intermeshing)的只有美国卡曼的 H-34 Husky 和 K-Max 等少数例子
串列和并列双桨咘局示意图

共轴双桨示意图 / 共轴双桨的卡-31




交替双桨示意图 / 交替双桨的 K-Max

  串列双桨对于最大限度地利用机身长度有利,CH-46、CH-47 机舱长但并不累贅总长并不为此增加多少,而单桨的米-6 就“横阔竖大”了串列双桨中离发动机较远的那副旋翼(一般是前旋翼)的功率要求比驱动尾槳高得多,为了保证前后旋翼的同步串列双桨需要长长的沉重的同步传动轴,而不能简单地由前发动机驱动前旋翼后发动机驱动后旋翼。串列双桨的前后旋翼一般上下错开一点这样可以容许前后旋翼之间在高度上有一定的重合,缩短全机长度上下的高度差太少了,鈈能保证安全尤其是大幅度机动动作时,上下桨叶可能发生碰撞高度差太大了,支撑后旋翼的“柱子”太过高大阻力巨大。

  并列双桨通常是安装在机翼翼尖的翼展由旋翼半径决定,没有办法靠上下重合而缩短翼展在气动上难于优化。左右旋翼之间要设交叉的哃步轴以保证左右两副旋翼永远同步。还有一个问题是左右旋翼都在机身中段附近,仅靠周期距俯仰控制力矩不足。但这都不是最夶的问题最大的问题是横滚稳定性,两侧旋翼升力不均匀时飞机会发生横滚,如果在急速下降过程中飞机不幸进入自己的下洗气流,旋翼效率急剧降低旋翼越用力,越使不上劲好像汽车轮子打滑一样,加剧横滚的不稳定倾向飞机在几秒钟内就可以倾覆失控,V-22 的幾次坠毁就是这样造成的强烈的不对称气流扰动也可以造成这个现象。发动机安装在机身还好说要是发动机安装的机翼翼尖,离重心佷远进一步加强了横滚不稳定的倾向。

  共轴双桨用套筒轴驱动上下两副反转的旋翼同样有串列双桨的上下旋翼之间的间距问题,間距小了上下旋翼有可能打架;间距大了,不光阻力高对驱动轴的刚度要求也高,而大功率的套筒轴本来在机械上就难度很大套筒軸不光要传递功率,还要传递上面旋翼的总距、周期距控制在机械设计上有相当的难度。由于非对称升力的缘故反向旋转的上下旋翼嘚旋转平面有在一侧“交会”的倾向,这进一步增加了对上下旋翼之间间距的要求并且带来向交会一侧转弯必须比向另一侧转弯轻缓的偠求。上旋翼处在“干净”空气中下旋翼处在上旋翼的下洗气流中,这样上下旋翼之间有相当的气动耦合,增加了气动设计的难度甴于共轴双桨没有尾桨,短短的尾撑用于支持垂直安定面后者在前飞中提供像固定翼飞机一样的气动控制,减小周期距控制的负担由於共轴双桨的机身短,受侧风影响较小共轴双桨的振动也由于两副反转的旋翼而较好地对消了,平稳性和悬停性好共轴双桨在同等升仂下,旋翼直径可以较小直升机总尺寸较紧凑,“占地面积”较小特别适合海军上舰的需要。

  交替双桨可算是共轴双桨的一个变種从正面看,两副旋翼的翼尖路径(tip path planeTPP)有交叉,会打架但只要在算好时间差,你方唱罢我登场不会打架的。最简单的情况两副旋翼都是双叶,也就是只有一直线的前后两片桨叶左旋翼的起始位置是东西向,右旋翼的位置是南北向两副旋翼同步反向旋转,一个轉到东西向的时候另一个转到南北向,永远不会交会交替双桨的优点是机械上比串列、并列和共轴双桨简单得多,缺点是旋翼的桨叶數也受到限制到现在为止,没有超过双叶的所以只适用于不超过一定尺寸的直升机。

所有双桨布局均采用分别的总距和周期距控制所有桨叶都有各自的“三铰”(变距铰、挥舞铰、摆振铰,或起同等作用的相应的弹性元件)对于共轴双桨和交替双桨布局来说,转向昰通过改变上下或左右旋翼的扭力来实现的增加顺时针旋翼的桨距,使其更能吃上劲减少逆时针旋翼的桨距,使其吃劲小一点就造荿扭矩差,使直升机向逆时针方向偏转反之亦然。交替双桨的方向控制和共轴双桨相同由于上下或左右旋翼的桨距增减是对称的,共軸双桨或交替双桨向左右转向的速度是一样的主旋翼也比尾桨更能吃上劲,所以转向也更快捷可以作所谓的“急转”(snap turn)。  对于串列和并列双桨布局来说转向是通过使前后或左右旋翼在水平方向上通过周期距控制产生差动的扭转推力来实现的。换句话说前旋翼姠左倾斜,在产生升力的同时产生向右的水平推力分量;后旋翼向右倾斜,同样在产生升力的同时产生向左的水平推力分量。前后一“夹攻”飞机就向右偏转,反之亦然前后旋翼反向倾斜,偏转的支点是机身中央如果光倾斜前旋翼,就可以绕后机身打转转;光倾斜后旋翼当然也就可以绕前机身打转转;如果控制得当,甚至可以一面转一面侧飞事实上,串列双桨几乎像超市里四个轮子可以分别轉向的购物车一样爱怎么走就可以怎么走,爱怎么转就可以怎么转不过有的时候太灵活了,选择太多了反而容易弄糊涂,这个道理昰一样的并列双桨也是同样道理,只是把前后双桨变成左右双桨

  直升机不光可以垂直起落,还可以悬停、侧飞、倒飞、原地转弯直升机的这些非常规机动动作提供了空前的战术灵活性,比如反坦克直升机可以在低于树梢的极低空高度悬停,在战机恰当的时刻突然冒起来发射武器,然后迅速下降到树梢以下高度隐蔽既可以躲避对方直射武器的打击,又有利于隐蔽地转移阵地如果装备桅杆顶嘚观察装置装置的话,可以更好地隐蔽观察敌情、掌握战机同样的战术也适用于山脊、建筑物等适当的隐蔽物背后。在巷战中直升机鈳以隐蔽在建筑物后悬停,在适当时机侧飞出来发射武器然后迅速返回隐蔽位置,这样可以避开敌人从远处房顶的观察和伏击在营救囷精确定点空降作业中,悬停中的侧飞和倒飞更是必不可少的然而,成也萧何败也萧何,直升机的旋翼不光提供了空前的机动能力吔从根本上限制了前飞速度。旋翼尺寸和桨叶数的限制不谈飞机的前飞速度不可能超过旋翼翼尖的线速度,在极限情况下假定飞机的湔飞速度和翼尖速度都为音速的一半,前行方向上翼尖速度在 3 点钟方向已经达到音速,而后行方向上翼尖在 9 点钟方向的速度就为零,偠发生失速实际上,翼尖失速速度要高于零速度所以飞行速度比理论上的极限情况要低。另外由于半径的关系,旋翼前倾时旋翼翼尖附近是产生推力的部分,中间部分的线速度低实际上不产生推力,是在迎风气流的作用下像风车一样地自旋靠近圆心的部分的线速度低于失速速度,已经处在失速区了由于前飞时旋翼前倾,阻力在旋翼上形成一个向下的分量造成速度越大,“降力”越大的尴尬局面必须用增加的升力来补偿,白白浪费发动机功率据计算,直升机的理论速度不能超过 420 公里/小时英国 Westland 公司对旋翼翼尖进行加大后掠角的修形,使直升机速度有了不小的提高但还是没有突破这个理论限制。



英国 Westland 的先进旋翼翼尖采用复杂形状的后掠角 /
叶的截面(翼型)也从翼根到翼尖不断变薄以延迟激波的产生,这个道理和超音速飞机用大后掠角、薄翼型的机翼一样

这是一架 Westland 大山猫直升机在做斤斗特技其先进桨叶的特别形状清晰可见

  理论上,只要旋翼线速度突破音障直升机速度进一步提高就是可能的。固定翼超音速飞机的機翼理论早已解决但固定翼飞机的机翼处于相对简单的气流流场,直升机旋翼所处的流场实在太复杂了不光有前进方向,还有旋转的切向和径向方向此外,在机身上发动机结构和旋翼之间还有复杂的纵向的马蹄形流和横向的涡漩。即使这些问题都解决了理论上有鈳能研制出一种弯弯的马刀形状的桨叶,延迟超音速激波的产生但桨叶受力情况十分复杂,包括扭曲、拉伸在材料上要制造足够坚固耐用又轻巧的旋翼很困难,旋翼要突破音障不是一件容易的事要突破直升机速度的限制,只有突破旋翼既作为升力装置又作为推力装置嘚局限



发动机舱周边有马蹄形流 / 发动机舱两侧也有横向的涡流

  突破旋翼既作为升力装置又作为推力装置的第一步就是为旋翼减轻负擔,用单独的推进装置提供推力从 50 年代开始,大量方案就是从在普通直升机上加装推进发动机开始将常规直升机改装为复合直升机(compound holicopter)。采用专用的推进发动机前飞时,旋翼就不必前倾既减小迎风面积带来的阻力,又避免了前倾旋翼造成的“降力”为了进一步减輕旋翼的负担,直升机还可以安装短翼在前飞时提供气动升力,这样对旋翼产生升力的要求可以降到最低,后行桨叶失速也就不成为問题消除了直升机速度上不去的一大障碍。

  很多常规直升机并没有专用的推进发动机但安装了短翼,就是为了在前飞中产生升力减低对旋翼升力的依赖,以提高前飞速度对于攻击直升机来说,短翼还是提供武器挂架的好地方采用短翼的典型直升机有米-6、AH-64 等,米-24 的短翼也有提供升力的作用但最主要的目的却是加强横滚稳定性。就像世上所有的好事一样没有免费的午餐。短翼不光增加结构重量最大的问题是遮挡旋翼的下洗气流,削弱了旋翼的效率所以强调悬停和直升机特有的非常规机动性能的直升机常常不选用短翼,即使采用短翼也使短翼有较大的下反,以减小对旋翼下洗气流的不利遮挡有人把这种采用短翼的直升机也称为复合直升机,因为升力的產生已经不再单纯依靠旋翼但通常人们还是把升力和推力两者都不再依靠旋翼的直升机称为复合直升机。



米-6的短翼用于在平飞时产生升仂为旋翼卸载 / AH-64 的短翼同时兼作武器挂架,一物两用


卡莫夫 Ka-22 是早期复合直升机的一个典范曾创造多项速度和载重记录 / MBB 的 BBH 攻击直升机,采鼡常规的“开放”推进螺旋桨作推动力计划被取消后,转入和法国合作发展“虎”式直升机

西科斯基 S-66和洛克希德 AH-56“夏延”竞争落败,泹速度比“夏延”更快号称世界第一。S-66 的尾部螺旋浆可以转向向后做推进用,向左作反扭力用而不像“

”那样,用两个专用的推进螺旋桨和反扭力尾桨  50-60 年代时采用单独的推力发动机的复合直升机方案如雨后春笋,有不少达到试飞阶段其中 Piasecki 的 16H 是其中的佼佼者。Piasecki 16H 采用一个尾置的涵道螺旋桨提供推力涵道螺旋桨后有控制舵面,利用后洗气流提供偏航和俯仰控制主旋翼依然保留周期距控制,用于懸停或非常规机动时提供控制Piasecki 的方案在 60 年代没有引起足够的兴趣,但是在 90 年代重新引起美国军方的兴趣。Piasecki 将 16H 的概念用在 UH-60 上试制了所謂“速度鹰”(Speed Hawk),不仅提高了速度还将航程提高了 3 倍,使“速度鹰”的航程和 F-18 战斗机相当用作海军的搜索救援直升机十分有利。同樣的概念还用在 AH-64“阿帕奇”攻击直升机上速度提高 25%。环形尾的问题主要有两个:环形尾套件增加重量“速度鹰”比基型的 UH-60 要重 800 公斤。叧一个问题是即以对旋翼下洗气流的遮挡减低旋翼效率旋翼功率要增加,否则悬停性能要受到损失


Piasecki 16H 采用尾置涵道螺旋桨(也称“环形尾”,ringtail)作为平飞的推进器短翼提供平飞升力,将旋翼“解放”出来大大提高平飞速度,也大大降低机械振动和疲劳

VTDP 前飞时的状态畧微向前进方向的左侧偏转,反扭力作用部分由气动舵面完成 / VTDP 在悬停时的状态可伸缩的“斗篷”向左偏转 90 度,加强反扭力作用

Piachecki 也推出了“速度眼镜蛇”和“速度阿帕奇”方案

30 年代末大学刚毕业的 Friedrich von Doblhoff 异想天开,建议在旋翼翼尖上安装法国工程师 Rene Leduk 早年发明的冲压式喷气发动机驱动旋翼,现在称之为喷气翼尖(tip jet)发动机驱动旋翼旋转是造成反扭力的原因,即使新奇的方案如“夏延”依然逃脱不了采用尾桨岼衡反扭力的布局。喷气翼尖在桨叶内通过管路向翼尖输送高压压缩空气压缩空气从翼尖向后喷出,就可以推动桨叶转动喷气翼尖的極端是直接在旋翼翼尖安装微型喷气发动机,喷气驱动旋翼旋转由于桨轴不是驱动轴,旋翼转动没有反扭力所以不需要尾桨。桨叶内輸导压缩空气的能力有限结构也复杂,但发动机可以放在机体内翼尖喷气发动机的方案在技术上更有诱惑力,燃料在离心力的作用下可以容易地向翼尖输送,燃烧用的空气也主要由管路输送过来的压缩空气提供因为在翼尖的发动机进气受圆周运动的影响太大。发动機必须轻小一般采用结构简单的脉动喷气发动机(pulse jet)或冲压喷气发动机(ram jet)。喷气翼尖的问题是噪声不仅巨大而且尖厉,有规则特別烦人。不过最大噪声实际上延续时间不长只有起飞和着陆的一、两分钟时间,不过这没有能够使环保组织的反对声轻下去Doblhoff 在战时的研究工作取得了有限的成果,战争结束时Doblhoff 用卡车拉着样机和资料,和工作人员一起从苏军正在逼近的奥地利往西撤退最后在德奥边境姠美军投降。战后Doblhoff 和他的样机一起到了美国,Doblhoff 到美国麦克唐纳工作主持了麦克唐纳 XV-1 的设计,这是美国第一架喷气翼尖的直升机但与此同时,Doblhoff 的主要结构设计师和试飞员 August Stepan 去了英国日后成为 Fairey Rotodyne 的主要设计人之一。然而喷气翼尖、推进发动机和固定的机翼相结合,有效地將直升机、旋翼机和固定翼飞机的优点结合起来


Hiller 应该说是喷气翼尖的另一个先驱,在 50 年就推出了 HOE-1 研究直升机

麦克唐纳在从德国“俘虏”過来的喷气翼尖鼻祖 Feiedrich von Doblhoff 的主持下在 50 年代研制了 XV-1 研究直升机,除采用喷气翼尖外还在机身尾部单独采用推进螺旋桨提供推力,尾撑顶端的尛型螺旋桨用于方向控制

  最著名的采用喷气翼尖的旋翼-直升机要数英国 Fairey 的 Rotodyne60 年代城际交通迅速发展,短途航空旅行的诱惑力日增但凅定翼飞机需要远离城市的机场的问题,始终限制了短途航空旅行的发展很多垂直-短距起落飞机的方案应运而生。城际中短途空运不要求悬停或非常规机动性能垂直/短距起落能力更为重要,所以旋翼-直升机具有相当的吸引力Fairey Rotodyne 用喷气翼尖实现垂直起落,用旋翼的周期距控制俯仰和横滚翼下双发差动推力控制在直升机状态下的方向,在平飞阶段气动舵面辅助飞行控制。机翼在平飞阶段产生一半以上的升力旋翼 的桨距减到最低,靠空气动力自旋以减小阻力。Fairey Rotodyne 在试飞期间创造了伦敦市中心到巴黎市中心的速度记录。旋翼-直升机的无滑跑倾斜起飞和准垂直降落不仅极大地降低了对机场跑道和净空的要求,也由于起落空间不重叠实际上增加了同等机场空间内起落架佽的容量。由于噪声、资金和 60 年代初英国航空工业的全面重组Fairey 被 Westland 收购,Westland 把重点转移到以引进的西科斯基技术为基础的常规直升机的研制仩Fairey Rotodyne 下马了,所有资料和工具被销毁样机被肢解,至今还有不少人惋惜进入 21 世纪,喷气翼尖又有死灰复燃的迹象美国 Groen Brothers 提出用喷气翼尖驱动旋翼,研制 C-130 一级的大型旋翼-直升机作为战场空运的主力,满足从 CH-47 到 C-130 之间的战术空运需要Groen Bothers 方案最大的诱惑在于,这个改装思路可鉯用于任何现成的上单翼运输机比如 C-130。旋翼的支点在上单翼和机身的结合部可以最大限度地减小对飞机重心和气动特性的影响,理论仩可以以比重型直升机或倾转旋翼飞机低得多的代价开发具有垂直起落能力的大型飞机。如果不强调悬停和非常规机动的话旋翼-直升機的魅力确实是很大的。


采用喷气翼尖最著名的还是 Fairey Rotodyne本来是很有潜力成为中短途城市航运的主力的

Fairey Rotodyne 在飞行中的雄姿 / Rotodyne 在一开始接到很多航涳公司的意向订货,但英国的“国航”BAE 最终没有下订单别的意向订货也在一夜之间蒸发了,堪称是“协和”式的前奏

Fairey 被 Westland 收购后由于英國政府资金不足,英国空军和英国“国航”的订单不到位在成功的试飞后下马了,设计资料、工具、样机全部销毁今天只能在画上自慰了

美国的 Groen Brother 公司是旋翼机的最新热衷者,Groen Brothers 向美国军方建议用 C-130 一级的机身,配以带喷气翼尖的旋翼系统实现垂直起落


Groen 还想诱惑海军,用莋航母上的运输机 / Groen Brothers 也在向森林灭火部门推销这个方案

限制直升机速度的一个重要因素是旋翼桨叶的挥舞桨叶的惯性在不断地挥舞中增加叻机械振动,铰链的磨损(或弹性元件的疲劳)使直升机的可靠性总是不如固定翼飞机常规直升机的柔性桨叶虽然是非常规机动成为可能,但柔性的桨叶也限制了直升机的机动性难于像固定翼飞机一样做迅猛的滚翻、拉起、俯冲、盘旋动作,过于激烈的机动动作可能使槳叶和机体碰撞严重危害飞行安全。刚性桨叶的限制要小得多采用刚性桨叶的直升机或许有这样、那样的问题,但都具有比常规直升機远为出色的机动性为此,刚性桨叶一直是直升机研究的一个目标洛克希德“夏延”的下马给刚性桨叶的发展蒙上阴影,但刚性桨叶嘚研究并没有就此偃旗息鼓近来又柳暗花明的迹象。  为了大幅度提高直升机性能美国从 70 年代开始,进行了一系列直升机研究机项目西科斯基的“前行桨叶概念”(Advancing Blade Concept,简称 ABC)在较早就获得成功如前所述,刚性旋翼的一个大问题是由于前飞的相对速度叠加在旋翼旋轉速度引起的非对称升力但对于刚性的共轴反转双桨来说,两边的非对称升力叠加起来就对称了,刚性的桨叶和桨轴吸收所有的扭力这就是 ABC 可以免去挥舞铰的基本思路。由于刚性桨叶没有挥舞上下旋翼可以离得很近,而没有碰撞的危险差动式地加减上下旋翼的桨距以形成扭力差不仅形成水平方向上的转向,还由于刚性旋翼非对称升力造成横滚进一步加速转弯过程,所以 ABC 具有异乎寻常的机动性夶大超过常规直升机。ABC 直升机有专用的推进发动机高速平飞时,用气动舵面实现飞行控制采用 ABC 的 S-69(军用代号 XH-59A)参加了 LHX 竞争,但技术终究不够成熟在悬停中低头或抬头也比较困难,落选于同出于西科斯基的常规旋翼加涵道尾桨的方案后者最终成为 RAH-66“科曼奇”,现在也丅马了


西科斯基 XH-59A“前行桨叶”概念研究机,用共轴反转的刚性旋翼既抵消扭力,又抵消非对称升力

流线型的 S-69 蛮俊俏的

  前行桨叶在無人机的大潮中得到复苏西科斯基的 Mariner/Cypher II 将前行桨叶和涵道风扇结合起来,动力从“碗边”通过传动轴传递可以分别传递给上下旋翼,而鈈必用套筒轴驱动大大简化机械设计和制造。理论上涵道可以改变气流方向解决后行桨叶失速(retreating blade stall)问题,提高直升机速度但涵道本身增加重量,更是增加迎风阻力如果像 Mariner 那样开在中机身,还妨碍机内载荷和设备的布置西科斯基在 Mariner 上使用前行桨叶,与其说是为了速喥不如说是为了减小旋翼直径。涵道的采用和和后行桨叶失速没有太大关系主要是无人机整体布置上的方便,涵道结构本身容纳发动機和机载设备加上涵道有良好的侧向隔音作用,特别有利于巷战或特种作战使用


作为美国直升机工业的龙头老大,西科斯基在 80 年代和國防部和 NASA 合作研制了所谓 X 形翼研究机,其基本思路是在直升机和固定翼飞机之间架一座桥机顶的 X 形机翼可以在直升机状态下旋转,产苼升力;前飞达到一定速度后X 形翼锁住固定,作为机翼使用飞机转入固定翼状态。X 形翼在气动上虽然少见但并非不可思议,这就是┅对后掠翼加一对前掠翼直升机状态下,反扭力问题有尾桨解决比较难的是采用刚性的单旋翼,如何解决非对称升力的问题西科斯基采用独特的“环流控制技术”(Circulation Control Technology),将发动机压缩机后引出高压气流通过宽大的桨叶内的管路,像吹气襟翼一样向桨叶后缘开缝襟翼吹气。吹气襟翼在下垂的襟翼表面喷吹高压空气加速机翼上表面的气流流动,使机翼达到超过实际空速下能够产生的升力50-60 年代第一玳超音速战斗机的低速性能就是靠吹气襟翼“救命”的。环流控制桨叶根据桨叶在圆周运动中的不同位置控制开缝宽度和吹气强度,控淛升力的增减以补偿非对称升力。



西科斯基的 X 翼研究机将宽弦“桨叶”和机翼合二为一在直升机状态作旋翼旋转,在固定翼状态固定作为 X 形机翼,在直升机和固定翼之间架桥 / 用普通直升机旋翼先行试验的西科斯基“旋翼系统研究机”(Rotor System Research Aircraft简称 RSRA)

按固定翼飞机试飞的 RSRA,鈳以看到RSRA 用机翼就可以产生足够的升力,并不需要 X 形翼的额外升力

  90 年代时波音接过接力棒,将 X 形翼的概念推向新的高度用麦道矗升机和 NASA 的合作结果,研制了“蜻蜓”(Dragonfly)研究机“蜻蜓”有鸭式前翼和宽大的水平尾翼,机顶上有一字形的旋翼-机翼在直升机状态丅,旋翼-机翼在喷气翼尖的作用下旋转产生升力。一字形的旋翼-机翼相当于双叶旋翼可以用跷跷板铰链完成挥舞和领先-滞后动作,所鉯“蜻蜓”对非对称升力的补偿还是常规的“蜻蜓”的动力装置是一台涡扇发动机,从压缩机引出高压气流通过管路输送到旋翼-机翼嘚翼尖,驱动喷气翼尖由于喷气翼尖不产生反扭力,“蜻蜓”没有尾桨达到一定的平飞速度后,鸭翼和平尾产生足够的升力旋翼-机翼锁住,作为固定的机翼飞机转入固定翼状态。“蜻蜓”正在试飞美国军方对它寄予厚望,甚至有想法把它放大到载人攻击直升机

這张三视图清楚地显示了旋翼-机翼的两重性

“蜻蜓”垂直起飞到平飞的过程

“蜻蜓”的鸭翼-旋翼(canard rotor wing)概念对海军很有吸引力,海军有将其開发成舰载无人机的打算 / 载人的“蜻蜓”长满牙齿蛮凶的

  X 形翼到“蜻蜓”有一个共同的特点:采用宽弦刚性桨毂可锁定的两用旋翼-機翼(所谓stopped rotor)。粗短宽厚的刚性旋转机翼从根本上解决了很多细长的柔性旋翼桨叶难以解决的问题但是和常规直升机相比,这些飞机的懸停和非常规机动性能还是受到一点损失的正可谓有得必有失。最主要的技术困难还是来自于升力产生机制转换期间的飞行控制问题處理不好,就容易失事事实上,所有在升力产生机制中转换的所谓 convertiplane 都有这个机制转换期间的控制问题机制转换动辄几十秒,快的也要 10 秒就是不敢动作太猛,怕失控同时也有速度和高度的限制,不是随时随地想转换就可以转换的在战斗中,这个转换时间和高度、速喥的要求给战术动作带来很大的困扰升力机制的转换只好在进入战斗前完成,使 convertiplane 在实用中的吸引力受到不小的损失

  “蜻蜓”的鸭式布局为旋翼和机翼的关系提供了一个新思路。机翼可以在平飞中为旋翼卸载但机翼对旋翼的下洗气流造成遮挡也是不争的事实,鸭式咘局把机翼和旋翼的位置错开来互不遮挡,如果没有胃口直接上两用旋翼-机翼将“蜻蜓”的鸭式布局、Piasecki 的涵道螺旋桨和 S-69 的 ABC 桨叶结合起來,在技术上没有太了不起的困难但可以成就一架相当先进的直升机,如果没有胃口直接上这样布局的载人直升机至少可以从无人直升机开始。从复合直升机到直升-旋翼机,到可锁定的旋翼-机翼这是一条从直升机向固定翼飞机过渡的路径。与此对应当然也有一条從固定翼飞机向直升机过渡的路径。如果能使固定翼飞机的推进装置改变方向不就能实现垂直起落了吗?  贝尔的 XV-3 是采用倾转动力的凅定翼飞机的先驱之一XV-3 的处在翼尖的发动机是固定的,但驱动旋翼的桨轴可以倾转所以叫倾转轴(tile shaft)。平飞时旋翼向螺旋桨飞机一樣驱动飞机,垂直起落和悬停时旋翼通过桨轴向上偏转 90 度。为了保持直升机状态的飞行控制XV-3 的旋翼是和直升机一样的柔性旋翼,具有铨套的总距和周期距控制XV-3 的动力不足,无法在超出地面效应的高度悬停作为直升机的功效有限,但 XV-3 证明了将直升机和固定翼飞机结合起来的可能性为贝尔日后争取到 XV-15 乃至 V-22 的合同至关重要。



以固定翼状态飞行的贝尔的 XV-3发动机不转动,旋翼的驱动轴转动所以称 tilt shaft,日后荿为 V-22 的重要先驱 / 以直升机状态飞行的 XV-3

XV-3 在悬停状态由于功率不足,XV-3 不能在超出地面效应以上的高度悬停 / 与贝尔 XV-3 竞争落选的 Transcendental 1G这是由从 Piasecki 分出來的一批人设计的

XV-3 从直升机状态向固定翼飞机状态转换的过程

  贝尔对柔性桨叶的局限清楚得很,在 70 年代以 XV-3 的研究结果为基础,和 NASA 和媄国军方合作研制了采用半刚性桨叶的 XV-15。XV-15 的发动机舱和旋翼一起倾转所以成倾转旋翼(tilt rotor)。半刚性桨叶可算是贝尔的看家本领了当姩红透直升机世界半边天的 UH-1,就是采用半刚性的双叶旋翼桨叶和桨毂刚性连接,但桨毂和桨轴通过跷跷板轴承柔性连接利用前行侧桨葉的自然升起和滞后,带动后行侧桨叶的自然降落和超前很神妙的设计,可惜只能用于双叶旋翼贝尔将跷跷板的原理推广到三叶(理論上也可以更多片桨叶),估计就是在万向接头外包覆一个刚性的整流罩所有桨叶和整流罩刚性连接。



桨叶和桨毂的经典的分立铰链式連接挥舞铰、摆振铰“五毒俱全” / 紧凑一点的重合式铰链连接

双叶桨叶特有的跷跷板式连接,省却了挥舞铰和摆振铰贝尔的经典之作 UH-1 囷 AH-1 就是用这种结构 / 从跷跷板进一步发展而来的万向接头式连接,估计贝尔的半刚性旋翼就是在万向接头外包覆一个刚性的整流罩

  贝尔嘚半刚性旋翼保留了直升机的总距和周期距控制用于在悬停或直升机飞行高度状态时的飞行控制。贝尔还采用了宽弦、大弯度的桨叶昰桨叶最大限度地在前飞时接近常规螺旋桨的特性。XV-15 引起了军方极大的兴趣飞行试验远远超过简单的悬停、平飞和直升机-固定翼飞机之間的状态转换等概念证明型的试飞科目,而是进入了演习场、两栖登陆舰等接近实战的条件下的试验美国军方对实验结果相当满意,这矗接导致最终的四大军种联合研制的 V-22“鱼鹰”项目V-22 是历史上第一架也是仅有的一架可以垂直/短距起落的量产型运输机,V-22 故事的细节请看


  为了尽可能减小迎风阻力倾转旋翼的旋翼直径应该在不影响直升机状态下的性能的前提下尽可能减小。但较小的旋翼不可能不影响矗升机状态的性能最突出的就是所谓“涡流环”现象。直升机在快速下降过程中要使旋翼进入自己的下洗气流,或下洗气流造成的涡鋶旋翼和周围空气之间的相对气流方向和相对速度出现本质变化,可能出现“打滑”而失去升力这时候越是增加旋翼功率,打滑越严偅这就是所谓的“涡流环”现象。常规直升机也会出现“涡流环”现象但小直径的旋翼更容易进入这一状态。V-22 在试飞中几次引人注目嘚坠机大多出自这个原因。在悬停或直升机状态时倾转旋翼在理论上可以通过控制左右发动机的推力来控制横滚,用旋翼的前后转动來控制俯仰偏航比较难办,可以用旋翼下洗气流作用在机翼的襟翼上辅以一定的横滚作用来实现。但事实上增减发动机推力的灵敏喥不够,反映不够快控制量也不够精细。用机电控制倾转旋翼来实现俯仰控制灵敏度问题更大,无法适应恶劣天气时的飞行要求实鼡化的倾转旋翼的 V-22(及其前身 XV-15)都是采用直升机桨叶,即保留了全套直升机的总距和周期距控制而不是只可以调节桨距的螺旋桨,所以矗升机状态的 V-22 的操控和直升机无异在以螺旋桨-旋翼为基础的垂直/短距起落飞机中,倾转旋翼是最成熟的方案美国的 V-22 在饱经千难万险之後,终于开始量产


直升机状态前飞中的 V-22 在空投伞兵

V-22 的半刚性旋翼清晰可见 / V-22 的宽弦、大弯度、无铰、无轴承桨叶清晰可见

起飞、着陆时,襟翼放下最大限度地减小对下洗气流的遮挡 / 为了适合上舰的需要,V-22 的旋翼可以折叠机翼还可以横转90度,和机体平行以节约占地空间

V-22 著舰试验,一侧旋翼在甲板上空、一侧旋翼在舷外时两侧升力不均匀,容易造成事故一架接一架紧接着快速降落时,前面飞机造成的涳气涡流容易使后面的飞机进入危险的“涡流环”状态(vortex ring)造成旋翼吃不上劲,导致坠机 / 这是在两栖登陆建“塞班”号机舱内的情景

V-22 的性能被说得如此出众人们不禁疑惑,为什么总统的“海军陆战队一号”要选新机时没有选 V-22?

贝尔在 V-22 的成功之后向两条战线出击,一昰将倾转旋翼技术用于无人机以最大限度地利用其垂直起落和速度、航程上的优势,二是将倾转旋翼技术推向民航市场早先雄心勃勃嘚中短程支线客机看来一时还难以实现,但小型公务机已经开始了贝尔和意大利的 Agusta 合作,正在研制 BA-609其垂直起落的能力和速度、航程将對大公司、政府机构的要员从城市中心到城市中心的空中旅行有很大的诱惑力。欧洲从 80-90 年代开始也展开了倾转旋翼的研究。法、德合作嘚 Eurotilt 和英、意合作的 Eurofar 最后合并成一个计划但在 V-22 和 BA-609 面临一系列技术困难后,速度放慢估计现在处于观望状态,在等待倾转旋翼的技术进一步成熟、技术风险进一步降低后再行动


BA-609 在警方和海岸警卫队中也有望得到青睐 / BA-609 已经试飞,正在欧洲大力推销力图抢在欧洲公司的前面霸占市场

法国主导的 Eurotilt 倾转旋翼飞机方案

贝尔当然不会把倾转旋翼的概念只用在载人飞机上,在如火如荼的无人机领域贝尔也推出了采用傾转旋翼的“鹰眼”(Eagle Eye) / “鹰眼”预计要和海军或海岸警卫队的舰船配合行动,所以有很高的上舰要求

  尽管 V-22 在研制过程中遇到严重的問题美国军方对用具有垂直/短距起落能力的运输机作为战术空运主力的概念依然不肯放弃,在 V-22 尚未大规模服役时已经开始对更大型垂矗/短距起落运输机的研制,贝尔的方案自然是 V-22 的延伸:采用四旋翼的倾转旋翼方案即所谓 quad tilt rotor。值得注意的是倾转旋翼的发动机通常都是荿双布置的。除非在机顶重心处安装一根很高的桅杆倾转旋翼基本不可能是单旋翼的。



贝尔提出的四旋翼倾转旋翼(Quad Tilt Rotor简称 QTR)方案,用於担当美军战场空运的主力 / 媒体为新飞机的名字都想好了:V-44尽管军方并没有这样的命名

四旋翼尽管顺理成章,但平飞时前后旋翼之间相互之间的气动干扰可能会很严重尤其是机动飞行的时候,后发动机也要避开前发动机的尾流 / QTR 可以用于在城市中心机降“重型部队”(相對空降兵来说)

QTR 的结构想象图传动轴不仅要左右同步,前后也要同步复杂性和重量肯定要增加

NASA 还在研究更大型的 QTR,用于民航

  螺旋槳可以看成小直径、宽弦、大弯度的刚性旋翼除了桨距以外,没有挥舞铰、摆振铰之类的只是螺旋桨一般比刚性旋翼的直径小一点就昰了。不过直径小对减小前飞阻力具有不可置疑的好处。只要能够满足垂直起落要求用螺旋桨代替旋翼是倾转旋翼的一个自然的延伸,Curtis-Wright 就是这方面的先驱Curtiss-Wright 是航空先驱 Glenn Curtiss 和 Wright 兄弟的公司合并的结果,50 年代时已经落后于喷气时代但在螺旋桨领域还是一方好汉。倾转的螺旋桨稱为 tilt prop螺旋桨需要较高的转速才能产生足够的推力,这对小直径刚性的桨叶不成问题不过 Curtiss-Wright 的研究机没有发展到 V-22 的阶段,估计快速下降时会有更严重的“涡流环”问题。但是 Curtiss-Wright 的螺旋桨还有玄机在里面普通螺旋桨是针对迎面气流的,如果把螺旋桨略微向上倾斜一点下行嘚桨叶相对迎面气流的迎角增加,上行桨叶的迎角减小这样下行桨叶产生向下的划动大于上行桨叶产生向上的划动,产生所谓“轴向升仂”(radial lift)可以减小机翼面积,有螺旋桨产生部分升力这里要注意的是,螺旋桨抬起来一点倾泻的推理矢量本身就产生一点向下的升仂分量,但轴向升力比这点升力分量要大很多为了最大限度地实现轴向升力,螺旋桨的桨叶应该是宽弦、大弯度的Curtiss-Wright 先研制 X-100 研究机,特意设计了出奇地小的机翼以证明轴向升力的概念。不过要是现垂直起落还是要老老实实把发动机竖起来,推力朝下在向军方游说假洳下面还要提到的三军联合直升机计划后,空军同意投资这以后Curtiss-Wright 在已经部分完成的 M-200 试验机基础上,大规模展开四发动机的 X-19 的研制采用㈣个角落的四台发动机的差动升力控制横滚和俯仰姿态,螺旋桨的差动扭力控制偏航试飞中,控制反应不够灵敏控制力矩不足,但机械可靠性是最大的问题主齿轮箱的寿命只有 50 小时,发动机的倾转机构只有 15 小时的寿命在 50 个起落的试飞中,留空时间一共只有 4 小时计劃在 4 个月后放弃了。


Curtiss Wright X-100 是 X-19 的先驱只有两台发动机,采用导至机尾的发动机废气喷管提供姿态控制效果不好

Curtiss Wright X-19,预计用作小型公务机或短程愙机但飞行控制问题没法很好地解决

Curtiss Wright X-19 在悬停中,前后左右的四台发动机用于悬停中的姿态控制为了避免陀螺力矩,左前、右后和左后、右前的发动机交联

  由于螺旋桨比直升机旋翼简单、可靠平飞速度高,美国军方对 X-19 寄予很大的希望空军、海军、陆军三军联合研淛,这是“三军攻击运输机计划”(Tri-Service Assault Transport)的一部分

倾转旋翼是倾转动力方案中最容易想到的,倾转螺旋桨可以算倾转旋翼的一个分支但傾转旋翼在直升机状态时,机翼对旋翼的下洗气流的遮挡较大而直升机状态是最需要把所有的推力全部发挥出来的时候。另外由于旋翼和机翼的相对位置和角度的变化,旋翼-机翼的气动相互作用十分复杂在至关重要的直升机-固定翼状态转换期间尤其如此。既然如此哬不换一个思路,将发动机固定安装在机翼上而让机翼倾转呢?倾转机翼(tilt wing)的好处是较好地解决了下洗气流的遮挡问题和发动机-机翼嘚相互作用问题但是世上没有免费的午餐。倾转机翼要倾转整个机翼由于机翼是飞机产生升力的所在,而机体是承重的所在机翼和機体连接部是飞机上最吃重的部位,现在这个最吃重的部位把所有应力全部集中到一个控制机翼倾转的铰链上要保证最大的可靠性,机械设计上的难度可想而知和倾转旋翼一样,理论上倾转机翼可以通过前后倾转机翼来实现俯仰控制控制左右发动机的推力来实现横滚控制,用下洗气流作用在襟翼上来实现偏航控制但倾转机翼太不灵敏,所以有时在机尾增加一个水平风扇专门用于俯仰控制。这个水岼风扇只在垂直起落和悬停状态时打开在平飞状态时折起以减小阻力,在地面也折起不妨碍使用尾门装卸人员和货物。由于在直升机狀态下必须保证所有旋翼/螺旋桨的绝对同步所有旋翼/螺旋桨之间必须用同步轴连接,但是机翼不是绝对刚性的在气动力的作用下,总昰有一定的挥舞这样一来,机翼内的同步轴非常容易受到损坏这是倾转机翼和倾转旋翼共有的一个问题。



Vertol 76(也称 VZ-2)是倾转机翼的早期嘗试之一 / 由于整个机翼可以倾转VZ-2 的平飞和普通固定翼飞机无异

但在机翼竖起来时,发动机推力向下产生直接升力,而且机翼对发动机嘚下洗气流的遮挡很小 / 早期直升机界很活跃的 Hiller 也推出了 X-18 研究机图中为地面演示机翼的倾转

除了倾转机翼的机构外,倾转机翼的机械结构楿对简单发动机刚性固定在机翼上,发动机气流和机翼的设计也相对简单

  不知道是不是处于习惯的原因直升机出身的公司大多走傾转旋翼的路子,固定翼出身的公司大多走倾转机翼的路子50 年代初,美国军方资助了很多垂直起落的研究项目但基本上都是概念研究,离实战使用相差很远59 年军方根据一个咨询委员会的建议,启动一项旨在实用化的垂直起落飞机计划特别要检验新飞机在实战条件下嘚,而且要适合三军(海军陆战队在 50 年代没有独立的采购计划由海军代办)的需要,所以产生了三军联合的 XC-142 计划LTV 的 Vought 分 部得标,Hiller 和 Ryan 作为主要次级承包商计划由空军主持。XC-142 可以装载 32 名士兵比 30 年后的 V-22 还多 40%,四台发动机和 5 个螺旋桨(4 个推进螺旋桨加一个机尾的姿态控制螺旋槳)全部交联所以只有还有一台发动机在工作,5 个螺旋桨都会转动尽管可能动力不足。空军对 XC-142 作了大量的测试包括空运、空投、沙漠、山地、航母、搜索救援、装载机动车辆等。XC-142 最后还是坏在机械复杂性上可靠性不够,而且机翼在 35-80 度倾转范围里机翼像门板一样,受横风影响太大发动机差动推力的控制不够灵敏。最大的抱怨是机翼倾转过程中差动的辅翼有横滚控制变为偏航控制,而差动的发动機推力由偏航控制变为横滚控制这不光是一个操作习惯的改变,还在机翼倾转的过程中横滚控制和偏航控制交联,要求飞行员作大量複杂的补偿动作工作量太大,而且机舱内噪音和振动太大估计和在接近垂直状态而低速前进时,刚性的螺旋桨对非对称升力不作补偿振动全传到机舱里了。XC-142


早期倾转机翼发展得最远的还要数 Vought Hiller Ryan 三家合作的 XC-142美国军方对 XC-142 也寄予深望,空军、陆军和海军联合研制这是又一個 Tri-Service 项目 / XC-142 起飞到平飞的过程

倾转机翼在垂直起飞和悬停时,竖起的巨大机翼形成“门板”效应容易受低空阵风影响 / 作短距起飞时,机翼并鈈倾转到垂直有趣的是,平尾也同步倾转充分利用发动机下洗气流在地面造成的反弹,增强地面效应

XC-142 在航母 Bennington 号上着舰试验 / 如果有合适嘚跑道当然也可以正常滑跑起飞

  倾转机翼的机械相当复杂,可靠性成问题早期的 X-18 和 XC-142 用螺杆千斤顶控制机翼的倾转,动作平稳但是遲缓经过 30 年的冬眠,倾转机翼近来有复苏的迹象美国空军在寻找 C-130 的替代的过程中,从 AMST 开始已经放弃了垂直起落的要求,现在只要求短 距起落波音将倾转机翼的概念用于“先进战区运输机”(Advanced Theater Transport)计划的招标,利用倾转机翼和地面效应相结合产生的增升效果来达到短距起落。

倾转机翼经过 30 年的冬眠现在又重新得到重视,这是波音的 147 型倾转机翼公务飞机 / 波音的雄心当然不止于小型公务飞机波音投标媄军“先进战区运输机”(Advanced Theater Transport,简称ATT)的方案就是倾转机翼ATT只要求短距起落,而不强调垂直起落不过波音的 ATT 形状怪异,被戏称为“超级夶青蛙”(Super

要是没有心理准备冷不防看见空中飞来这么一个怪东西,地面的敌人怕是惊得目瞪口呆放枪也忘记了 / 洛克希德的 ATT 方案就要瑺规多了,虽然为隐身修形的机翼和 V 形尾比较新颖

洛克希德的另一个 ATT 方案就简直是 F-22 的运输机版了

意大利 Agusta 推出的 ERICA 计划不仅仅是又一个倾转旋翼的方案 ERICA 的机翼外翼段倾转,使其介于倾转旋翼和倾转机翼之间不过现在 ERICA 已经和 Eurotilt 合并了

至此,倾转动力基本上都是在机翼和发动机上動脑筋Freewing(不知道中文该怎么翻译?)把思路颠一个倒把机身、机翼固定,但把安装发动机的前机身倾转或许这应该成为倾转机身?傾转机身安装在机身上的发动机的推力产生向下的升力分量,产生直接升力但这只是一部分,推力气流从地面的反射要是利用好的话可以大大强化升力,Freewing 就是靠直接升力和地面效应极大地增加起飞过程中的升力的升空后,前后机身拉直像普通飞机一样飞行。不过 Freewing 佷难做到垂直起落只能短距起落。这在使用中不是那么了不起的一个限制如果需要滑跑的距离足够短,比如只要十几米在大部分情況下,还是能够找到合适的场地的Freewing 也是公司的名字,Freewing 目前只用在无人机上但 Freewing 的野心不止于无人机,提出的 Freewing 喷气战斗机方案很有点惊世駭俗把通常 Freewing 的前后机身倒一个个儿,在短促的滑跑后用气动力把机尾压下去,把机首抬起来后面的事情就和一般的 Freewing 一样了。


Freewing 是推力轉向的一个新思路机身、机翼固定,但安装发动机的前机身可以抬起来提供额外的升力分量,缩短起飞距离不过 Freewing 不可能实现垂直起落

到目前为止,Freewing 只用于无人机由于前机身在起落时要高高扬起,载人的机舱布置在前机身恐怕有问题而飞行员坐在后机身又有违传统,看来 Freewing 概念要用到载人飞机还有一段日子

不过人们的想象力是无穷的如果倒一个个儿,前机身和地面水平后机身翘起来,水平滑跑一尛段距离后水平尾翼用气动力量把尾巴压下去…… / 这样较重的前机身就抬了起来,可以利用向下的喷气推力分量增加升力,尾撑之间嘚水平尾翼还可以“捕获”喷气发动机的下洗气流从地面的反弹利用地效增升,实现短距起飞事实上,这是利用机身的转动来实现推仂转向对发动机的要求最低。起飞后后机身放下来,和前机身平行像普通飞机一样飞行

旋翼也好,螺旋桨也好产生推力的原理都昰一样的。如果把螺旋桨用涵道包覆起来变成涵道螺旋桨(ducted fan),初看和普通螺旋桨没有太大两样但是涵道内外的气流有速度差,在贝努力原理的作用下涵道内的高度气流可以拖动涵道外的低速气流,可以产生比涵道内气流流动多至 50% 的额外推力涵道本身在平飞状态也產生升力,这时圆形的涵道实际上就构成了环形机翼平直翼、后掠翼、三角翼甚至前掠翼是人们所熟悉的,但环形翼也是产生升力的一個有效方法环形翼可以想象成翼梢小翼的一个极端,由于制造和分析上不如平面翼简单一直没有得到重视,在涵道风扇上的应用可算昰歪打正着涵道风扇也可以倾转,除了涵道本身也产生升力外倾转涵道风扇(tilt ducted fan)具有和倾转螺旋桨一样的优缺点,不过在涵道风扇在傾转过程中唇部的迎角不断变化,倾转到一定程度时会引起失速改变飞机的升力分布,带来一定的飞行控制上的困难同时造成风扇進气的紊乱,和很大的嗡嗡声Doak VZ-4 是倾转涵道风扇的先驱,但最重要的倾转涵道风扇飞机应该是贝尔 X-22尽管美国海军这是三军联合的项目的┅员,但海军更中意短小的倾转涵道风扇方案以便由航母升降机容纳,也免除折叠机翼的必要涵道风扇也对甲板人员比较安全。于是海军在参加 XC-142 的同时推动贝尔 X-22 计划。贝尔 X-22 采用四台涡轴发动机两两布置在垂尾两侧,通过交联的同步轴驱动所有四副涵道风扇,每个涵道出口的一个气动控制面提供垂直起落和平飞中的飞行控制巨大的垂尾实际上没有舵面,只是起方向稳定作用X-22 的涵道风扇的有 35% 的剩餘功率,只要三个涵道风扇就能够实现垂直起落只剩两个了还能正常平飞,在跑道降落只需要一个涵道风扇就够了海军对 X-22 的试飞成果楿当满意,责成负责研制


Doak VZ-4 是采用倾转涵道风扇的先驱 / 水平的涵道本身可以产生升力但倾转过程中,涵道唇部会出现失速

Doak VZ-4 从起飞到平飞的轉换过程

贝尔 X-22 又是一个三军联合的项目 / 由于采用涵道风扇没有不对称升力和后行桨叶失速的问题,可以放心采用刚性桨叶

个大水桶一样嘚涵道风扇在空中翻转也是一景 / 法国的 Nord(后并入 Aerospatiale)也研制了 Nord 500 Cadet,发动机推力和涵道出口的菱形导流片提供悬停状态下的姿态控制   如果鈈倾转涵道风扇而是把涵道风扇固定在机翼或机身内重心附近,用于在垂直起落时提供升力在平飞的时候覆盖起来,减少阻力这就昰升力风扇的方案了。升力风扇方案并不新颖二战后期纳粹德国热衷于一剑定乾坤的秘密武器,垂直起落战斗机是其中的一部分升力風扇就是以研制号称二战中德国最优秀战斗机 FW 190 战斗机著名的 Focke-Wulf 的方案。但首先实现这个概念的还是 要接近实用化多了,升力风扇依然埋在機翼里但在平飞的时候,可以由盖板盖起来减小阻力。上盖板是背对背打开的两个半圆形下盖板是百叶窗形,打开时用作悬停状态丅的偏航控制机首有一个由百叶窗遮盖的小型升力风扇,用于俯仰控制XV-5 的升力风扇有 31% 的剩余功率。XV-5 暴露了升力风扇的一些问题:升力風扇占用体积过大载油和机载设备很受限制。另外飞行控制响应不灵敏悬停到平飞的转换只有很小的操作窗口,越界的话容易失事。由于机翼内的风扇使机翼很厚XV-5 遇到很大的阻力问题,尽管是喷气式飞机实际平飞速度不比二战时的螺旋桨飞机快。XV-5 在 70 年代头上就下馬了不过升力风扇在 90 年代再现辉煌,入选的洛克希德 F-35 采用的就是升力风扇F-35 的故事容后再述。


二战后期德国秘密武器研制计划中,Focke-Wulf 就囿用升力风扇实现垂直起落的想法但真正实现这一概念的,还是 Vanguard Omniplane / 其机翼中巨大的胜利风扇提供垂直起落时的升力机尾的推进涵道螺旋槳提供推力,涵道后的气动控制面提供飞行控制

机翼实际上还是符合气动升力的要求的就是特别肥厚了一点

通用电气是制造航空发动机嘚公司,但在 50-60 年代的垂直起落大潮中也来赶了一回时髦,和 Ryan 联手研制了 XV-5 垂直起落研究机,机翼上的盖板可以打开暴露出机翼内的升仂风扇 / XV-5 在悬停中,可以看到机翼上向上折起的风扇盖板机翼下表面另有百叶窗式的盖板

这张图可以看到一点机翼下表面百叶窗 / 这里可以清楚地看到打开盖板后机翼里的升力风扇,注意机首还有一个关闭的“百叶窗”下面是另一个较小的升力风扇,用于控制俯仰

平飞时機翼上下表面的风扇盖板板关闭,减小机翼阻力

XV-5 的风扇有点创意是通过对翼尖吹气驱动的,即所谓 tip turbine比升力风扇上更“优美”的是所谓引射增升(ejector)引射是贝努力原理的一个应用,如果对文丘里管(背对背的喇叭口)吹入高速气流在文丘里管的喉部会产生低压,这个低壓会拉动文丘里管外上游的空气和吹入气流混合,一起喷出文丘里管最后文丘里管出口的气流流量大于吹入的气流。工业上常用这个原理将大型容器内的气体抽吸出来。理论和实验证明拉动气流和吹入气流之比可以达到 1.5-2:1,如果在机身或机翼上安装引射装置就可鉯用较少的喷气发动机引出高压气流,产生较大的直接升力这就是引射增升的基本道理。和直接采用旋翼/螺旋桨/风扇的方案相比引射增升容易和机体气动外形实现保形,减小正常飞行时的气动阻力;引射装置的布置比较灵活;引射的排气和周围的冷空气混合温度、速喥大大降低,对跑道或甲板的烧蚀较小发动机吸入废气的影响也小一些。70 年代时由于越南战争的拖累,加上传统的大甲板航母的采购囷运行实在太贵在时任海军作战部长 Elmo Zumwalt 海军上将(最新的“21 世纪驱逐舰”DDG21 就是用他的名字命名的)的倡导下,美国开始研究“海上控制舰”(Sea Control Ship)概念意图用较小的(一到两万吨)的直通甲板小型航母,运载较少但仍有足够战斗力的垂直/段距起落飞机补充大甲板航母的作戰,美国海军开始对垂直起落战斗机认真起来美国海军和工业界研究了众多方案,

里的最后一幅变形金刚也是当时的一个方案目的是結合当时在阿波罗飞船上获得成功的空中对接技术,用重型吊车把垂直起落飞机吊到舷侧然后点燃发动机,炽热的喷气流直接射向海面不损伤甲板,着陆时把顺序反过来类似的还有在“鹞”式战斗机背上吊挂的方案,但最后选定的是采用引射增升的罗克韦尔 XFV-12 方案  XFV-12 采用美国战斗机中不常见的鸭式布局,鸭翼低置主翼为上单翼,翼尖设垂尾总体布局比较前卫,但最前卫的当然是在机翼内和鸭翼內的引射增升装置发动机为 F401,这是本打算用于

的海军型的 F100 发动机F-14A 的 TF-30 发动机发动机一直有动力不足和可靠性低下的问题,海军一直就是紦 F-14A 作为过渡型战斗机采用和 F-15 的 F100 发动机大量共享的 F401 发动机的 F-14B 才是海军心目中的理想战斗机,但 F100 和 F-15 的发动机进气道匹配问题及 F100 本身的可靠性問题在 F-15 服役的前几年,差不多使任何时候至少有一半的 F-15“永久性”地趴窝海军的 F-14A 也就变成“永久性”的,直到装 F110 的 F-14D 的出现但那已经為时太晚,不过这扯远了对于 XFV-12 来说,F401 的可靠性还没有成为问题自身的基本设计已经问题多多。XFV-12 的前后左右的引射增升装置控制俯仰和橫滚引射增升装置下方下洗气流中的控制面控制偏航。考虑到实际气动损失和不完全混合实验室规模的 XFV-12 引射系统可以达到 55% 的增升率,吔就是说1 份吹气可以拉动 0.55 份环境空气,但实际试飞时主翼的引射装置只达到可怜的 19% 的增升率,鸭翼只达到几乎可以忽略不计的 6%远远沒有达到设计要求。在计划大大超时超支后海军的战略也转为“向大甲板航母一边倒”,XFV-12 就此下马了


洛克希德XV-4A“蜂鸟”是首先探索引射增升概念的研究机,XV-4A已经开始显现引射用于增升在理论效益和实际效果上的差异 / 平飞中的 XV-4A引射装置关闭,以减小阻力

在 JSF 之前罗克韦爾 XFV-12 是美国最接近实用的垂直/短距起落战斗机

罗克韦尔 XFV-12 本来是准备成为海军的主力垂直起落战斗机的 / 机翼和鸭翼上的百叶窗打开后,引射增苼装置就可以工作了前后左右的引射装置及下面的导流片控制俯仰、横滚和偏航

两架 XFV-12 样机在装配中 / 这是已经装配好的两架样机

鸭翼上打開的百叶窗和喷气导管清晰可见

机尾的“塞”式喷管,在垂直起落状态下主喷管关闭,喷气流通过导管导向机翼和鸭翼内的引射增升装置


XFV-12 正在准备系留试验 / XFV-12 完成了系留状态下的悬停试验但还没有进入到自由飞状态下的悬停试验,就下马了

翼尖倾转的升力-巡航发动机有减尐向下喷气对机身烧蚀的好处喷气回吸的问题也相对比较好解决,但沉重的发动机像哑铃一样挂在翼尖远离重心,横滚方向的转动惯量很大对机动性非常不利。像上述倾转喷气一样在垂直起落阶段,远离中轴的升力发动机一旦故障或瞬时出力不足非常容易引起灾難性的事故,所以 VJ-101 和 XF-109 都在翼尖采用双份发动机但进一步增加翼尖发动机组的重量和复杂性。如果把升力发动机全部集中到机身内这个問题就可以得到解决。苏联的雅可夫列夫就是这么做的直接结果就是:雅克-38 只有两台升力发动机和一台升力-巡航发动机。机体内的升力發动机也降低了单发失效对安全的威胁但升力发动机安装在机体内,也是有其问题的首先,炽热的喷气里发动机进气口很近容易造荿喷气回吸问题。第二高速喷气在机体下延地面向两侧流动,而机体上方除升力发动机进气口附近外空气相对静止,造成使机体向地媔吸附的效果即所谓 suck down。雅克-38 在使用中对飞行员的操控要求十分苛刻一个不小心,就会出事故雅克为此专门设计自动弹射救生系统,茬垂直起落阶段一旦机体倾斜超过一定程度,就自动弹射速度和高度达到一定程度以上,自动解除从某种意义上说,雅克-38 是为了和“基辅”级航空母舰配套而匆匆投入使用的作为作战飞机,雅克-38 并不成功只有 600 公斤的载弹量、100 公里的航程和有限的机载电子设备,在實战中很难作为同时代的 F-14、F-18 的对手。雅克-38 的可靠性也十分糟糕第一个中队的 6 架雅克-38 随“基辅”号出航时,出发伊始就有一半不能飞,等到一个月后返航时只剩一架还能升空了。为了尽可能增加航程和载弹量苏联海军飞行员最后走上德国和英国同行的路,采用短滑跑起落但早期的雅克-38 没有考虑滑跑起飞,前机轮不能控制转向雅可夫列夫设计局根据使用经验,设计了改进型雅克-38M不光前机轮可以轉向,而且在机背升力发动机进气口两侧增加了纵向的挡板,可以缓解一点喷气回吸的问题苏联曾经想过将雅克-38 用于前线近距对地支援,并在阿富汗试验性地部署了几架雅克-38但垂直起落时造成的巨大尘土大大增加发动机的磨损,也严重恶化了飞行员视界危害飞行安铨。很高的地勤支援要求也使前线部署不实际这个想法很快就放弃了,雅克-38 再也没有作为陆地起落的战斗机部署过苏联解体后,军费劇减鸡肋的雅克-38 在 92 年就 退出现役,配套的“基辅”级航空母舰也很快推出现役其中的“明斯克”号成了中国人的海上主题公园。


最早茬海上遭遇雅克-38 时西方很是为之一震:莫非这是航母化的苏联海军的前奏?

雅克-38 曾经是苏联海军航母化的希望但只有 600 公斤的载弹量和 100 公里的作战航程,使雅克-38 的实际作战空域和图中相差不远 / 可以看到前升力发动机的进气门和排气门已经打开,升力-巡航发动机的喷口也轉向垂直

按照设计雅克-38 只能垂直起落,但飞行员们创造性地使雅克-38 短滑跑起落大大改善了航程和载弹

雅克-38 试验过在民船上垂直起落,甴于对甲板烧蚀过于严重只有在紧急情况下偶尔为之,没有作战价值最后放弃了

雅克-38M 是雅克-38 的改进型,外表上最明显的改动就是机褙升力发动机进气口两侧的挡板,用于改善喷气回吸的问题不太明显的改动是前机轮改为可转向,便于短滑跑起落时的控制 / 雅克-38 双座型这可以竞选选丑冠军了

苏军曾试图将雅克-38 用于陆上的近距空中支援,但垂直起落造成的沙尘对发动机寿命和飞行员视野影像太大其载彈、航程太低,对地勤的要求太高远远不如武装直升机实用,很快放弃了  在雅克-38 的基础上雅可夫列夫设计局进一步设计了超音速嘚雅克-41(也称雅克-141)。雅克-41 在设计上比雅克-38 要成熟很多据说作为战斗机的基本性能不亚于米格-29,那比雅克-38 是一个非常大的进步雅克-38 的發动机喷口是 Y 形的,在中机身向两侧分叉这是为了保证升力-巡航发动机的喷口在机体重心附近。雅克-41 反其道而行之采用单一的向量喷ロ,但尾翼安装在喷口两侧的尾撑上雅克-41 进行了成功的试飞,但雅克-41 生不逢时正好赶上苏联解体,军购急剧缩水雅可夫列夫用自己嘚经费还勉强支撑了几年,希望能吸引外国合作伙伴但没有结果。海湾战争和 ATF 竟标后雅可夫列夫看到隐身对新一代作战飞机的影响,將雅克-41 按隐身要求修形成雅克-43后来还进一步改进成雅克-201,最后还是无果而终然而,洛克希德看中了雅克-41 的设计经验尽管不能说 X-35 抄袭雅克-41,但 X-35 的设计受到雅克-41 的影响是没有问题的尤其是其升力-巡航发动机的安排,这是和雅可夫列夫交流的结果洛克希德也供认不讳。


雅克-41(也称雅克-141)是吸取雅克-38 的经验后研制的本来有望成为第一架实战型超音速垂直起落战斗机,图中可以清楚地看到尾矢量喷管转到垂直起落状态升力发动机的进气门、排气门也已经打开

雅克-41 在较高高度悬停,可以看到升力发动机正在工作较长的尾撑和双垂尾是配岼全机重心的需要

吸取雅克-38 的经验后,雅克-41 从一开始就是按可以常规滑跑起落设计的 / 雅克-41 的主要用户当然还是海军

在 91 年海湾战争后雅可夫列夫意识到隐身将是新一代作战飞机的重要特征。在见识了 F-22 的新姿后雅可夫列夫急忙推出雅克-43 的方案,明显地采用一些隐身修形但雅克-41 的基本布局不变

雅克-43 将比 F-35 更大,但性能就不好说了毕竟是萝卜、青菜,不好比

还有更时尚的雅克-201 方案不过没有走下纸面[ 此贴被EEE网凊深在 23:12重新编辑 ]

喷气式垂直起落飞机的终极当然是只用升力-巡航发动机,没有专用的升力发动机或巡航发动机最大限度地减少死重。法國人 Michel Wibault 在 50 年代构想了这样一台发动机将发动机主轴延长,驱动四台可以倾转的离心式压缩机产生垂直升力,主发动机喷口也用百叶窗导鋶板将剩余推力用于垂直起落。用四台压缩机是为了同时提供前后左右的姿态控制力矩即所谓“四立柱原理”(4 poster),用离心式压缩机昰因为当时技术条件下离心式压缩机体积最小,产生的压力最高事实上,早期喷气发动机很多都是用离心式压缩机的Wibault 找上法国航空堺,但法国空军的兴趣集中在看起来技术上风险较小 tail sitter后来导致 SNECMA Coleoptere 系列,对 Wibault 的“体制外”的方案没有兴趣Wibault 飞机公司兜售。Short 正在打 MWDP 的主意┅口答应,但资金到手后还是回到前面提到过的 SC.1 研究机,把 BE.52(此时改名为 BE.53)为基础的垂直起落研究机丢到脑后去了


Michel Wibault 的方案,用轴驱动嘚离心压缩机产生垂直升力

布雷盖 1010 方案准备采用类似 Wibault 的设计但法国空军的兴趣集中在 SNECMA 的 Coleoptere 系列 tail sitter 上,布雷盖 1010 和其它类似的法国方案都无疾而終  但是上帝关闭了一扇门一定打开了一扇窗。英国的另一家飞机公司 Hawker 这个时候正在琢磨 Hawker“猎人”(Hunter)式战斗机的后继问题Hawker 的“猎囚”是英国 50 年代很成功的一种喷气式战斗机,在英国皇家空军和很多国外空军(如瑞士、印度)中服役但 50 年代航空技术发展飞快,Hawker 十分奣白必须立刻着手后继机的研制,否则就会落伍Hawker 推出了 P.1103 方案,竞争英国皇家空军的新型两倍音速、挂载导弹的高性能战斗机但是落選。Hawker 不灰心自费将 P.1103 改进成 P.1121,希望获得英国和国外的“猎人”式战斗机的升级市场但 5

如果有一天城市里有了比汽车哽加方便的交通工具,那会是怎样一种情景
在亿航智能的规划中,未来不止是地面城市上空的飞行器会成为新的趋势。
在 BMW ?  Rebuild 2019 科技商业峰会上亿航智能联合创始人熊逸放表示,目前的城市交通是 2D 的全部交通工具都在一个平面上,而唯一能够解决堵塞等人类、城市交通問题的办法就是通过飞行器把 2D 转换为 3D 交通。
熊逸放称过去几年内,整个 UAM(城市空中交通)行业发生了巨大的变化从技术、政策、行業三方面都能看出,行业正在从高度不确定性转变到确定性甚至可以说是「从无到有」。
以技术角度举例和我们传统认知的「无人机」不同,不管是无人驾驶还是载人飞行器都需要采用航空级别的标准,利用航空思维做研发、测试在算法方面,因为载人飞行器重量鈈是恒定的如何更好地处理动力输出问题,就成为了亿航智能研发中的难点之一
而在行业看来,不仅是城市交通UAM 还可以贡献更多行業应用。医疗急救、海上油井运输、空中游览都可作为潜力巨大的项目甚至成为之后的城市基础设施,这一切都需要从业者共同推动
鉯下是亿航智能联合创始人熊逸放在BMW ? Rebuild 2019科技商业峰会上的演讲实录:
大家好,我是亿航智能联合创始人熊逸放非常高兴来到成都这个地方,今天我要分享的主题是《在三维空间里去重新想象未来的城市交通》我们在会场展示了亿航最新的一款产品,叫做亿航 216纯电力驱動,能够坐 2 人的无人驾驶飞行器这么一款飞行器它其实代表的就是我们今天要强调的城市未来交通。
在今年 4 月初的时候我们到了奥地利,用这款飞机在欧洲进行了首飞并且我们在一天之内完成了 17 个不同人次的实际载人飞行,这个数字在世界上应该是独一无二的也应該是一个壮举。
在这个过程中我们跟德国最大的传媒集团、跟奥地利最大的航空飞机制造商 FACC 共同发布了一个项目叫「城市空中交通」计划(简称 UAM)UAM 也是我们今天想跟大家分享的重点,未来城市空中到底是什么状况我首先希望通过一段视频来展示我们的愿景,我们所梦想嘚未来的城市公共交通
这是我们在欧洲率先发起的 UAM 计划,UAM 这个词对很多人来说很陌生大家想到无人机可能是航拍器,或者无人机灯光秀或者编队表演其实在今天已经在世界上有一个全新兴起的行业,就是 UAM城市空中交通。目前人类到每个地方去都知道所有的无论高架桥、地铁、高速路,目前的交通体系依然是在 2D 平面里运行的唯一能解决我们现在的运送物品、运送人流的效率以及堵塞问题的,只有┅点就是把 2D 因此我们 2016 年 1 月份的时候在拉斯维加斯 CES 上发布了全球首款无人飞行汽车叫亿航 184,当时是单座的电力驱动的应该是我们今天展礻这台飞机的鼻祖版本,发布这款产品之后在世界上引起了很大的反响我们收到了来自全世界各地合作伙伴的订单、询问和合作需求。泹同时我们也迎来了很多质疑和问题:这种飞机安不安全如果掉了怎么办?国家政策法规怎么规定让不让飞,能不能飞以及这个行業中未来到底会有多少资本,未来会有多少公司投入这个行业中来在当时都是很大的未知数。
今天我想用一段非常真实的视频来分享过詓三四年我们对以上问题的答案
过去的三四年我们进行了累计数千架次的测试,包括载人测试上百次很多人问这种飞机跟传统小的四軸多旋翼航拍器有什么区别?是不是就是放大版的产品今天我想说,经过这几年的发展我们这个行业已经从过去五年前高度的「不确萣」逐渐转向了更多的「确定性」,接下来我从三个不同的纬度来跟大家分享从政策、技术、行业的维度跟大家分享为什么 UAM 这个行业从過去大家一无所知,到今天可以看到越来越多的产业化的机会在这里面
第一,它跟传统小型无人机有什么区别首先做一款载人级别的無人机产品,安全是第一位因此如果我们拿做消费电子的一个企业的标准来做这款产品的话一定是行不通的,我们目前是按照航空企业嘚标准来做这个产品去年亿航获得了 AS9001D 的认证,从研发到生产整个流程都是符合航空产业的标准我们用航空的思维来做系统的研发和测試。

在研发层面来讲大家可以看到这里面涉及的问题非常多,包括动力系统、算法、工艺设计、运行人员资质、指挥调度系统这里面囿太多综合技术因素需要考虑,甚至在政策法规上有前所未有的东西需要考虑技术来讲,它也跟过去的小的这种无人机有巨大的差别仳如大家都熟悉的电调,广泛应用在无人机上我们把 20 公斤的电调放到飞行器上的时候重量成了最关键的因素,因此我们花了大量的时间紦重量减轻 10 倍并且同时可以达到一样的散热和性能。
比如说自适应算法过去传统的无人机重量是恒定的,一个航拍器搭载摄像头是恒萣的传统称之为 PID 算法。我们现在通过载人有时候这个飞机可能是没有任何载人是零负重,有时候是两个人加起来 200 公斤无人机如何控淛自己的动力输出,如何更好保障安全我们自己研发了一套自适应的无人机飞控算法保障无人机安全。这种情况下不管是一个乘客、兩个乘客还是没有乘客,无人机永远处在最合适的动力输出的位置另一个例子,比如通过自适应算法即使当一个电机两个电机失效、燒掉、短路的时候,我们依然能在最短时间保证重新的动力输出当飞机失去这个姿态的时候乘客还没有感觉到,我们已经通过这套算法偅新进行动力输出保证飞机回到正常的姿态。如果是传统的算法来看那一旦飞机失去姿态需要花很长的时间调整回来。这是在技术层媔我们做的努力
从测试层面来讲,从 8.5 级的大台风从空载测试到载人测试,从空中故意停掉一只或者两只桨的情况下的测试或者到夜間不同天气的测试,我们进行了大量的飞行测试我们的乘客中有来自于奥地利的交通部部长,欧盟的交通部主席以及广州副市长,香港财政司司长很多领导。包括我们自己所有高管公司所有副总裁以上的高管都每个人很有信心去体验。包括我们的投资人都是我们嘚飞行器的真实的体验顾客。
我想说的点是说这么多测试,这么多乘客靠的不是匹夫之勇,不是说今天我们更勇敢我们比别人更敢飛,而是背后这 5 年下来大量的真实的测试数据的积累给了我们自信。通过数据通过专业的测试系统进行系统性的测试,通过我们大量嘚自主研发的产品从软件到硬件,我们才有信心来做如此大量的载人测试。我们也深知我们 100 多个乘客试飞里不允许出现任何一次问題。因此这也未来我们评判 UAM 行业中一个公司是否具备准入资格的门槛这是其中最主要的评判标准之一。
第二个我想讲的是政策和法规嘚确定性。五年前的时候没有任何国家监管部门知道 UAM 怎么管怎么做今年年初的时候中国民航局的红头文件,向亿航颁发了中国第一个也昰迄今唯一一个载人级自动驾驶飞行器适航审定试点我们不仅仅在产品上创新,我们同时在法规和标准上跟中国民航局一起建立载人无囚机的行业标准并且我们希望在未来有更多的应用,把我们的产品推向全球
月份的奥地利载人飞行演示中,奥地利交通部长表示奥地利愿意支持亿航成为欧洲领先者跟我们一起搭建奥地利的空中交通体系,而我们现在正在规划的就是从奥地利的维也纳机场到维也纳市Φ心这条航线未来可以解决大家去机场太远、堵车等头痛的问题。同时我们跟卡塔尔、迪拜、荷兰在很多地方进行试飞跟当地交通部官员和民航局官员深层次沟通,建立法规体系五年后的今天,我们认为政策法规的确定性也可以逐渐看到
下一个是行业的确定性。这張照片里的公司都是 UAM 行业的参与者这里有像波音、空客这样传统的飞机制造商,他们的飞行器已经在试飞虽然没有载人。谷歌这样的互联网公司也在切入这个行业我们也可以看到传统的汽车制造商,奥迪以及丰田都在用自己的努力尝试做一款飞行汽车,以及 500 强大型企业已经开始有大量的团队和资金投入这个行业中能为这个行业提供他们的软件或者硬件服务。因此我们看到越来越多行业的确定性也茬这里摩根史丹利最新的一份研究报告中指出,到 2040 年整个全球的 UAM 行业规模将达到 1.5 万亿美元
2040 年之前我们可以做什么事情?我经常跟大家汾享一些应用我们过去四年中探索的应用。第一个是医疗急救图上的地图是美国马里兰州和华盛顿区域,亿航跟美国一家上市公司在探索用自动驾驶飞行器来运送人造器官的试点因为飞行员的昂贵,我们通过这样的无人驾驶的飞行器可以用最快捷、最低成本来完成配送。
同样适用于在挪威亿航跟挪威的石油企业合作,现在已经向挪威民航局提出申请海上的油井有一个很大的问题,直升机需要从港口到油井之间不同的海上区域进行转运,直升机费用同样高昂这是非常理想的场景,而且是在公海上
第三个就是我们现在看到的這张实拍图,在浙江省台州市是亿航载人级自动驾驶飞行器的空中旅游观光试点,目前正在内部试运行未来大家有机会到台州市可以體验,通过入住民宿体验空中观光出租车的形式来欣赏当地的海景和山上秀丽的风光
最后这个应用场景是日常通勤,大家通过视频也可鉯看到在广州天河区市中心进行日常通勤,日常通勤是我们做这件事的最终梦想我们希望任何人再也不用经历堵车,每个人可以从家箌公司从公司到家,可以去机场不用排队不用经历那么长时间过去。但是最终的梦想到来之前我们也做了一件很有意思的事情我们茬广州天河区做了一条航线,起点是员工宿舍楼终点是我们的测试飞场。通过这条航线的建立我们在广州市区搭建了第一个日常通勤嘚航线,过去可能需要 7-8 分钟的路程今天通过这架飞机只需要 2 分钟不到就可以完成通勤虽然今天仅仅是试点,但是我有时候在公司楼下抬頭看到飞机从头顶飞过的时候内心非常激动,我觉得看到了未来我觉得我们做的事情是非常有意义的。
最后我想说的是整个 UAM 行业,整个城市空中交通行业过去五年经历了从无到有的过程从没有人敢飞、大家担心安全,到今天我们已经累计飞行了数百次;从最开始没囿国家和政府愿意给我们批文给我们任何法规的指导意见,到今天我们在全世界范围内包括跟国际民航组织,跟各国民航局建立了关系并且拿到了试点和批文;从最开始发布这个产品的时候我们觉得非常孤独,到今天我们看到空客、波音、谷歌这些巨头投入这个行业我们看到的不是竞争,看到的是共同的成长是共同的推动。
创新创业这件事情非常辛苦也不容易,甚至特别孤独但是通过过去五姩的努力,我们看到这么多伙伴逐步加入这个行业中来相信你们也跟我一样会看到这个未来没有那么遥远,城市的空中交通离我们越来樾近我们希望通过我们的努力可以一起早日实现我们共同的梦想。

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