直升机原理详解
时间：2011-04-05 10:12来源：蓝天飞行翻译 作者：航空 点击：次
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Freewing 是推力转向的一个新思路，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，水平滑跑一小段距离后，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，尾撑之间的水平尾翼还可以“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力转向，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 这个就比较疯狂了 旋翼也好，螺旋桨也好，产生推力的原理都是一样的。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产生升力，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个有效方法。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是歪打正着。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，不过在涵道风扇在倾转过程中，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，同时造成风扇进气的紊乱，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一员，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% 的剩余功率，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 的试飞成果相当满意，责成负责研制 X-22 飞行控制的 Cornell Aeronautical Laboratory（后称 Calspan 公司）继续完善自动飞行增稳控制系统。到 80 年 Calspan 完成项目，军方已经对垂直起落飞机失去耐心，X-22 计划无疾而终。 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 从起飞到平飞的转换过程 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 四 个大水桶一样的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 如果不倾转涵道风扇，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，这就是升力风扇的方案了。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，升力风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 Vanguard Omniplane。Vanguard 是由 Piasecki 分出来的一些人建立的，Omniplane 时运不佳，完成系留试验后，机械可靠性的问题就早早终止了 Omniplane 的生涯。不久，制造航空发动机出生的通用电气希望涉足垂直起落领域，和 Ryan 合作，研制了 XV-5 研究机。XV-5 比 Omniplane 要接近实用化多了，升力风扇依然埋在机翼里，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下的偏航控制。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：升力风扇占用体积过大，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 年代头上就下马了。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。 |
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