主题:【原创】像鸟儿一样腾飞(一) -- 晨枫
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是又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,胜利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。
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
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🙂【原创】像鸟儿一样腾飞(十六) 11 晨枫 字3868 2006-07-07 22:42:16
🙂【原创】像鸟儿一样腾飞(十五)
😁闻到了晨记包子的香味 胖鱼 字40 2006-07-07 12:03:20
🙂花 小河妖 字0 2006-07-06 20:50:22
🙂在这儿问一下:7倍于音速,可能吗? onlysurf 字112 2006-07-06 16:54:14
🙂我对“曙光”表示怀疑 1 晨枫 字284 2006-07-06 20:30:52