[原创首发]美国西科斯公司的X-2

美国西科斯公司的X-2

——引子:据美国《防务新闻》网站4月10日报道,美测试的新式攻击直升机速度可以达到250节(约每小时463公里)。

美国西科斯基飞机公司正加紧为将成为最快攻击直升机的飞机首次飞行测试做准备。这架飞机就是最近刚解密的重达2404.08公斤重的X2验证攻击直升机,按照设计它将达到250节的巡航速度。

"作为一款轻型战术直升机,X2配备有一挺机枪、火箭炮和类似"地狱火"导弹的精确武器。我们与顾客协商,根据他们需求来决定安装什么武器。" 西科斯基飞机公司高级项目经理Jim Kagdis说。

如果能够突破250节的速度,那么X2攻击直升机将会比现有的"阿帕奇"攻击直升机快100节(约每小时185公里)。"阿帕奇"直升机的最大速度只能达到170节(约每小时314.5公里)。Kagdis说,X2直升机拥有两个重叠的复合螺旋桨,使用的是被取消的"科曼奇"直升机项目的1400马力发动机。有一个推进螺旋桨在飞机后方为飞机提供推动力。

X2直升机

虽然X2验证机是在上月在德克萨斯州休斯顿一次直升机展上解密的。X2直升机的飞行速度将突破直升机历史上的最高记录。X2直升机的设计巡航速度能达到460千米/小时,比现役直升机快得多。军方一直希望直升机拥有具备高速机动能力,但由于直升机飞行原理限制,现役直升机中没有一种能飞得像X2一样快的。目前美国现役直升机的最大速度只能达到315千米/小时,俄罗斯的卡-50要快一些,但也不超过350千米/小时,而且这还是它们的最大速度,传统直升机的巡航速度都在200千米/小时左右。因此,X2在速度上的优势对于现役直升机来说将是压倒性的。

据传闻,X2直升机的设计师对其具有厚望,希望他的速度是普通直升机的2倍,也就是速度×2,所以被冠以一个奇特的编号X2。X2直升机的高速度主要取决于它的独特设计。X2采用共轴式布局,两副反向旋翼的共轴旋翼,一体化动力和旋翼系统,尾部装有高速飞行用的推进式螺旋桨,座舱为前后串列双座布局,与现有武装直升机十分不同的是,X2类似于固定翼飞机机身的流线型外形,除此之外,它还采用了电传飞行控制系统和更轻、刚性更好的旋翼材料。它在保持高速的前提下不牺牲直升机的任何性能,保持有灵活起降、低速机动、贴地飞行、自转飞行和拉斤斗、打横滚等直升机特有能力,在性能水平上比同属双桨共轴的俄罗斯的卡-50更胜一筹。X2还采用“前行桨叶概念”(Advancing Blade Concept,简称ABC旋翼),加大推进螺旋桨的功率来实现高速前飞,这种旋翼不但省去了旋翼系统的许多复杂的传动和平衡关节,更加重要的是它在飞行过程中,上下两副旋翼的空气动力作用能够相互平衡和补充,保持总的飞行升力不变,即使高速飞行时,也用不着提高旋翼的转速,只要通过增大桨叶角来提高旋转的升力,从而避免飞行速度增大后,后行桨叶失速带来的一系列性能、机动能力和载荷等问题。

该机大量采用已经下马的“科曼奇”项目的成熟技术,比如为“科曼奇”发展的复合材料,这使得X2更轻,更快,隐身能力更强。尾部装设的高速飞行用的推进螺旋桨,采用“科曼奇”直升机的动力系统,一台输出功率1400马力的LHTECT-800涡轴发动机,使其巡航速度以达463公里/小时。“科曼奇”项目的下马虽然令人扼腕,不过在“科曼奇”项目中所发展的许多成熟技术为X2的发展铺平了道路,使其项目风险大大降低。

双桨共轴直升机发展历程

美国宣布研制共轴式高速直升机X2后,在新闻界产生很大反响,引起世界航空专家的关注是,共轴式直升机一直是俄国人独占领域,是卡氏直升机家族的拿手绝活,美国等西方国家多年来无人涉足。这一次,一向以生产单旋翼直升机而著称的美国西科斯基公司,突然宣布发展共轴式直升机。在共轴式直升机领域同俄国人较起劲来,估计对俄国人的心理冲击不小。

实际上美国在共轴双旋翼直升机的起步并不晚,美国西科斯公司的创始人西科斯基早在1909年就开始建造他的第一架共轴双旋转翼直升机,与其它直升机先驱们一样,他所面临的引擎马力不足及有效控制直升机等问题一直无法获得解决,因此他在1910年放弃直升机转而往固定翼飞机的建造方面发展。1938年,已经在美国联合直升机公司工作多年的西科斯基组建专门的公司研制直升机,单旋转翼直升机就是在此时期,因为西科斯基的成功变成美国军方直升机型式的主流。但是西科斯公司本身却一直没有放弃对共轴直升机技术的研究。上世纪70年代,同样采用同轴共桨的 S-69(军用代号 XH-59A)就参加了 LHX(实验轻型直升机计划)竞争。在2005年,西科斯基公司展示过它的共轴式“X2技术起重直升机”(X2 Technology Crane)。X2高速直升机是在相同技术概念下发展的攻击型直升机。

就在美国军方因单旋翼直升机的成功而逐步放弃共轴直升机的发展时,前苏联却在该领域获得了相当大的成功。1949年,由卡莫夫直升机公司制造为前苏联海军研制的卡-10轻型直升机问世,它奠定了前苏联共轴直升机的基础。根据军方的需要,卡莫夫在卡-10的基础上增大了机体,结构设计也更加复杂,得到了新型的卡-15(1953年)、卡-15M(1956年),作战型的卡-25(1961年)、卡-27(1973年)和卡-28;运输/战斗型卡-29(1976年)。从卡-15的研制成功,标志着前苏联实用型岸基直升机时代的开始,卡-15与其发展型在海军和国内服役长达20年之久。而令人感到有趣的是,难道只有俄国血统的人对双桨共轴直升机的研发具有天份?因为西科斯基公司的主要创始人之一西科斯基是俄裔美国人。

双桨共轴直升机的特点

直升机双桨共轴式布局的优点很多:

方便的维护无尾桨结构。由于上下旋翼反向旋转,形成了直升机水平方向的力矩平衡,所以双桨共轴直升机不需要尾桨来平衡直升机水平方向上的力矩。前苏军在阿富汗的作战经验表明,作战中损失的苏军直升机有30%与尾桨有关。主要是:尾桨的弹伤或异物损伤;承载的尾梁损伤;长距离的尾桨传动轴系损伤等。共轴式直升机因取消了尾桨,所以不仅和与尾桨有关的损伤无缘,而且也可节省尾桨所耗用的额外功率。这带来了更方便的维护和更强的生存能力,比如俄国的卡-50机身后半部分的结构主要是出于气动布局的需要,即便该部分被击毁,直升机依然可以进行正常的飞行。

气动特性对称,机动性好。在使用相同发动机的情况下,两副共轴式旋翼的升力比单旋翼/尾桨布局的旋翼升力大12%。共轴式旋翼气动力对称性显然优于单旋翼式,不存在各轴之间互相交连的影响,机动飞行时易于操纵。改变航向时,共轴式直升机很容易保持直升机的飞行高度,这在超低空飞行和飞越障碍物时尤其可贵,对飞行安全有重要意义。

外廓尺寸紧凑。在提供同样升力的情况下,共轴直升机的外廓尺寸自然要比单翼直升机要小,因此雷达识别特征和目视识别特征就小,便于隐蔽;外廓尺寸小,受弹面就小,战斗损伤概率也小。由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。由于共轴双桨的机身短,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。共轴双桨在同等升力下,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。所以卡莫夫直升机公司研制的“卡”系列共轴直升机几乎独占了俄国海军市场。

但是双桨共轴直升机的缺点也是致命的。

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,间距小了,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。套筒轴不光要传递功率,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。共轴式双旋翼直升机两副旋翼一上一下,平常飞行时不会相碰。但是在某些特殊的情况下,如在飞行中遇到突然变风,机动超过极限值,桨叶变形或损坏时,作用在桨叶上的气动力、离心力和重力就会失去原来的平衡,从而偏离正常的运行轨迹而发生碰撞。由于非对称升力的缘故,反向旋转的上下旋翼的旋转平面有在一侧“碰撞”的倾向,这进一步增加了对上下旋翼之间间距的要求,并且带来如果向有“碰撞”倾向一侧转弯时,必须比向另一侧转弯要轻柔。比如卡-50在向左做上升转弯时,必须十分谨慎,否则就会发生上下旋翼打架这样严重的事故,从而引起机毁人亡。这也是为什么看起来技术更加先进的,军方也十分有好感的卡-50,却竞争不过米-28N的主要原因之一。

双桨共轴直升机这一固有缺欠是因为现役直升机目前采用的是“柔性桨叶”。直升机为了补偿左右的升力不均匀,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,也称垂直铰)。桨叶在前行时,升力增加,桨叶自然向上挥舞。桨叶在后行时,桨叶的升力不足,自然下垂。由于离心力使桨叶有自然拉直的趋势,桨叶不会在升力作用下无限升高或降低,在传统直升机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。就这样直升机在飞行时,桨叶在环形过程中,不断升高、降低,翼尖离圆心的距离不断改变,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,就会失去平衡东倒西歪了,不可能在原地旋转。而为了补偿桨叶上下挥舞所造成的科里奥利效应,所以桨叶在水平方向也要前后摇摆。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在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。这样旋翼一旦旋转起来,由于桨叶有一定弹性,所以会呈一定范围的上下挥舞。这样,如果上下旋翼间隔太小的话,上下两个拥有自由度的桨叶很容易发生碰撞。

前行桨叶技术

传统直升机柔性桨叶与机械铰链的结构带来了很多问题。旋翼桨叶的挥舞限制了直升机速度,桨叶的惯性在不断地挥舞中增加了机械振动,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,因为过于激烈的机动动作可能使桨叶和机体碰撞,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机远为出色的机动性。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,但刚性桨叶的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转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,大大超过常规直升机。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。

上世纪70年代,采用 ABC技术 的 S-69参加了 LHX竞争。西科斯基公司曾在1971年设计了型号为S-68的共轴直升机,但并未投入制造。1972年,五角大楼和NASA与西科斯基公司签署了研制新型直升机的合同,合同规定将由西科斯基为美军研制一种高速直升机,西科斯基选定共轴直升机作为试验机,型号则定为XH-59A,这是一种共轴直升机,带两个涡喷发动机作为辅助推进装置,该机的平飞速度可达到445千米/小时。1973年6月,XH-59A进行了首次试飞,但不幸遭遇坠机事故。1975年,西科斯基制造了第二架试验机并成功试飞。1978年,XH-59A增加了两个喷气发动机用以提高水平速度,在随后由陆海军和NASA进行的联合评估中,试验机的平飞速度曾达到515千米/小时。1981年,整个项目交由NASA进行管理。该项目的存在使美国在共轴直升机领域没有被完全抛弃,西科斯基此次提出的X2直升机计划中的主要技术都将来自该项目获得的一些成果。

但在当时技术终究不够成熟,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"。但是,在RAH-66“科曼奇”项目被终止后,西科斯公司又重新捡起前行桨叶技术开发了X-2。从某种意义上说,X2高速直升机是在XH-59A先进桨叶概念技术验证机基础上,融合了新技术的产物。可以预见,采用了ABC技术的X2除了具备传统直升机的超级机动性以外,在高速滚翻、拉起、俯冲、盘旋动作等方面会比传统直升机有巨大的进步,这对于攻击直升机而言,帮助很大。这是刚性桨叶带来的功劳,也是X2的优势之一。

展望

按目前技术水平来看,采用ABC技术的X2速度突破460公里的把握很大。但是这并不能代表美国军方就一定会选择X2攻击直升机,在99年科索沃战争与03年入侵其拉克的战争中,阿帕奇暴露了直升机许多固有缺欠,诸如可靠性低,防护性能差,受天气影响巨大,部署慢,低空飞行易于遭受攻击等缺欠。攻击直升机这种冷战时期产物,更适合对付重装甲集群,而在中低烈度的反孔战争面前,显得力不从心。所以目前美国军方更中意无人机,美国军方更看重直升机在搜索、救援、运输、渗透等方面的应用。在这些领域,仅仅有高速度是不够的,还应从载重、航程、成本、油耗和可靠性等方面进行综合衡量。从成本方面来看,从新开发一种共轴双桨直升机并不比在现有直升机上加装涵道尾桨的“速度鹰”方案(具体请见兵工科技2008第1期《直升机家族中的另类:复合直升机》)更有吸引力。而从航程、油耗、载重等性能指标看,也比不上重新开发一种直升机、旋翼机可自由变换的复合直升机。

但从西科斯公司本身来看,自掏腰包发展X2可保持西科斯公司的技术竞争力,如果夺得世界最快直升机的称号,可以一举扭转西科斯公司在“海军一号”竞争中的失败带来的颓势,避免引起连锁反应,市场份额下降。这对西科斯公司的长远发展将是极为有利的。


>>>>>>>>>>>>>>这是我5月初写的一篇小文,最近看了超大关于同轴共桨讨论后,才想起来,现在发出以飨读者。。。


[ 转自铁血社区 http://bbs.tiexue.net/ ]

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