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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Focke-Wulf 的升力风扇方案 二战后期，德国秘密武器研制计划中，Focke-Wulf 就有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桨提供推力，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的公司，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，暴露出机翼内的升力风扇 / 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，机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，这个低压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，就可以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、速度大大降低，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和运行实在太贵，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战，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， Part14 里的最后一幅变形金刚也是当时的一个方案，目的是结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内的引射增升装置。发动机为 F401，这是本打算用于 F-14B 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，海军一直就是把 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 本身的可靠性问题，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，但那已经为时太晚，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横滚，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，也就是说，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%，远远没有达到设计要求。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。 |
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