在最近的報(bào)道中可以發(fā)現(xiàn),美俄的先進(jìn)直升機(jī)驗(yàn)證機(jī)紛紛采用了“共軸反槳+推進(jìn)型尾槳”技術(shù),但此共軸反槳并非俄羅斯“卡”系列和其他常見直升機(jī)的“軟”槳,而是“硬”槳,尾槳也并非一般的抵消偏轉(zhuǎn)力矩的作用,而是直接推進(jìn)了,這究竟是為什么呢?
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眾所周知,當(dāng)功率和轉(zhuǎn)速達(dá)到某種瓶頸,就要看螺旋槳的效率了。因?yàn)槁菪龢D(zhuǎn)速很高,即使在機(jī)身飛行速度不是很高,螺旋槳尖端就已經(jīng)遇到了“音障”問題,并且面臨“失速”困擾,還受限于空氣密度等因素,而發(fā)生“空轉(zhuǎn)不做功”的問題。飛機(jī)螺旋槳因?yàn)榭諝鈩恿W(xué)和重量限制,不可能做的太大太長太密,這就讓螺旋槳飛機(jī)的速度遇到了瓶頸。
當(dāng)時(shí)嘗試了很多辦法,比如在螺旋槳外包一個“整流罩”阻止氣流外逸(顯然,這個思路后來衍生出了“渦扇”發(fā)動機(jī)),或者試圖優(yōu)化螺旋槳的造型(最終成為先進(jìn)螺旋槳運(yùn)輸機(jī)的“馬刀”型旋槳,并影響到噴氣發(fā)動機(jī)的葉片造型,但不論怎么優(yōu)化,其最適范圍較?。?,還有一個就是著名的“共軸反槳”技術(shù)。
所謂共軸反槳,就是雙層槳葉共用一個傳動軸,但轉(zhuǎn)動方向相反,不僅平衡掉了單向轉(zhuǎn)動偏轉(zhuǎn)力矩,而且首要層為第二層提供了“預(yù)壓縮”,第二級就有更大的“進(jìn)/排氣量”和“氣流密度”,雖然達(dá)不到2倍的效果,但改善也是明顯的。在噴火戰(zhàn)斗機(jī)的末期改進(jìn)型上就已得到了驗(yàn)證。
但由于噴氣發(fā)動機(jī)的飛躍式進(jìn)步,戰(zhàn)斗機(jī)淘汰了螺旋槳,但由于其經(jīng)濟(jì)性好,在不要求太高的速度的場合,比如大中型運(yùn)輸機(jī),采用“共軸反槳+馬刀型槳葉”就達(dá)到了螺旋槳的某種巔峰效率。
直升機(jī)可以簡單看作發(fā)動機(jī)朝上的螺旋槳飛機(jī),雖然直升機(jī)的螺旋槳還需為機(jī)身提供升力,但很多技術(shù)概念是可以通用的,比如共軸反槳技術(shù),就是俄國卡系直升機(jī)的標(biāo)志。
直升機(jī)的共軸反槳優(yōu)點(diǎn)很多,在同樣的輸出功率(直升機(jī)對外部空氣)時(shí),就減小了旋翼長度/旋轉(zhuǎn)面積,省掉了尾槳,非常適合于艦載的狹小空間使用。
但顯然,共軸反槳直升機(jī)并沒有被用于陸基大型直升機(jī)、小型直升機(jī)和武裝直升機(jī)。這是因?yàn)楣草S反槳的較為復(fù)雜,結(jié)構(gòu)重量較大,可靠性就稍有降低。用于大型直升機(jī)的制造難度較大,對于小型直升機(jī)太重,對于武裝直升機(jī)不太可靠,而多用于“?;行椭鄙龣C(jī)”。具體原因如下:
首要,海上氣流較為穩(wěn)定,至少也是在較大范圍統(tǒng)一的,且沒有高海拔降低功率的影響,雖然需執(zhí)行反潛之類的武裝行動,但絕大多數(shù)時(shí)候就是一架“飛行的起重機(jī)”,對于機(jī)動性沒有太高要求。陸地地貌復(fù)雜、氣流多變,武裝直升機(jī)還需做高機(jī)動飛行,就很容易因飛行姿態(tài)和氣流干擾損失掉兩層選槳之間的“空氣壓縮區(qū)”,那么共軸反槳的重量就得不償失了,而可靠性會進(jìn)一步降低。
第二,在某些急驟的機(jī)動飛行中(突然上升/突然下降時(shí),某層槳葉的彎曲會滯后于另一層;或者突然向槳葉交疊的方向急轉(zhuǎn)時(shí))極可能發(fā)生上下旋槳相交的惡性事故。常規(guī)單層旋翼直升機(jī)在發(fā)動機(jī)停止工作時(shí)還能以較低速度螺旋下滑,即使戰(zhàn)損也往往只失去一片槳,對于多槳葉機(jī)還能有一定升力,但失去旋翼的直升機(jī)則只會做垂直落體了……
第三,為了保證安全性和控制壓縮區(qū),共軸反槳的高度較高,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,難以裝頂置雷達(dá),它想看到別人,就得先探出頭來,這就喪失了直升機(jī)最大隱蔽接敵優(yōu)勢。
第四,共軸反槳雖然可以無需尾槳平衡,但機(jī)動性也受到了影響,龐大的雙層旋翼變換角度時(shí)顯然不如單層容易,同時(shí)由于上述局限,往往對飛行姿態(tài)、機(jī)動過載作出很多限制。從某雜志的某篇海航訪談中也可以佐證,飛行員說直9非?!办`活”,而卡28很“笨重”。
知道了這些,就能清楚為何貌似集先進(jìn)技術(shù)和革命性創(chuàng)新于一身卡-50/52在俄羅斯武裝直升機(jī)競標(biāo)中敗給米-28的原因了??赡苡信笥褧每?50在車臣的使用報(bào)告來證明其機(jī)動性不低,但恰恰是同一篇報(bào)告指出,要禁止其向某方向(左還是右,俺忘記了)急轉(zhuǎn)。
共軸反槳并未在卡50/52上體現(xiàn)出什么決定性優(yōu)勢:
雖然省了尾槳但為了保證操作力矩,機(jī)尾長度并未短多少;
雖然螺旋槳長度縮短,但雙層槳的重量、可靠性的缺陷足以抵消它,陸地機(jī)場也不差那點(diǎn)空間,作戰(zhàn)時(shí)的差異也可忽略不計(jì);
雖然共軸反槳有效率優(yōu)勢,但僅僅體現(xiàn)在“穩(wěn)定前飛/懸停”姿態(tài)時(shí),高機(jī)動作戰(zhàn)時(shí)的“剩余空壓”和“結(jié)構(gòu)重量”相比是否合算很難說;
雖然共軸反槳理論上通過對兩層螺旋槳的差別控制可以作出匪夷所思的機(jī)動,但也更易發(fā)生事故,操作將非常復(fù)雜,而俄羅斯的自動控制技術(shù)又落后美國甚多;
共軸反槳形成的“高壓帽”,更易受復(fù)雜地形形成的局部高速風(fēng)變影響(峭壁轉(zhuǎn)折處、峽谷出口處,非垂直側(cè)壁等等),就是說,可能維持姿態(tài)就夠飛行員忙活了,沒空去完成戰(zhàn)斗任務(wù)。
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俺這么一說,大家可能對共軸反槳喪失信心了,但需要注意的是,現(xiàn)有的共軸反槳的主要缺陷——環(huán)境適應(yīng)能力、高機(jī)動飛行能力——的根源都是螺旋槳太“軟”,用于戰(zhàn)斗機(jī)、運(yùn)輸機(jī)的“純推進(jìn)式”螺旋槳就沒這些問題。
因?yàn)檐?,就容易損失掉中間的空氣壓縮區(qū);
因?yàn)檐?,兩層螺旋槳就容易打架?
因?yàn)檐?,兩層螺旋槳就要保證足夠的間距,加大了高度,也更易讓壓縮空氣逃逸。
所以,美國和俄羅斯紛紛研發(fā)了剛性很大的“硬”槳,來去弊存利,并且,硬槳的好處還在于“功率傳遞效率”很高,或者減小發(fā)動機(jī)重量或者增加飛行速度。
但為啥不早這么干呢?
需知,對于運(yùn)輸機(jī)那種純推進(jìn)式的較短的螺旋槳是容易做硬的,但想要讓直升機(jī)的螺旋槳“又長又硬”還得“又輕”,就需要在材料、工藝、結(jié)構(gòu)三方面下大功夫了。
為了進(jìn)一步增加直升機(jī)得飛行速度,美國X2驗(yàn)證機(jī)還在尾部增加了推進(jìn)式螺旋槳,實(shí)際上,由于推進(jìn)氣流得增加,也可大大提高可操作性和機(jī)動性。
升力槳和推進(jìn)槳由一臺發(fā)動機(jī)提供動力,按飛行需要分配不同得功率(類似越野車對前后橋的分動原理),雖然這能讓直升機(jī)作出更加匪夷所思的機(jī)動動作,但無疑也增加了操作難度(比較可靠的做法是先固定幾個分配功率比值(比如10:0、2:8、5:5、4:6),然后做嚴(yán)格的試飛驗(yàn)證,得出各個狀態(tài)的允許范圍,存入飛行電腦中)。
可能有朋友要說了,這么折騰還不如搞成V22魚鷹那種呢~~
需知,在發(fā)動機(jī)體積重量仍較大時(shí),V22那種旋轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)而非改變“排氣流”方向(矢量噴嘴或多噴嘴)的做法的可靠性和實(shí)用性實(shí)在有點(diǎn)得不償失,現(xiàn)適用范圍僅針對“雙發(fā)”“中輕型”“運(yùn)輸機(jī)”,其結(jié)構(gòu)本身也難以用于作戰(zhàn)機(jī)動。它的主要目的就是給美國海軍陸戰(zhàn)隊(duì)提供中近程的高速的無機(jī)場局限的運(yùn)輸支援或者反潛,不能想象用螺旋槳機(jī)去和噴氣戰(zhàn)斗機(jī)作戰(zhàn),也無直升機(jī)的近地高靈活性和可靠性。
總之,一種先進(jìn)概念能夠得意實(shí)現(xiàn),是來自材料、工藝、結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)研發(fā)的支撐,更需要進(jìn)行大量的工程實(shí)踐驗(yàn)證,這也恰恰是中國近幾十年所缺少的了。