主题：【原创】像鸟儿一样腾飞（一） -- 晨枫

洛克希德在直升机领域里是一个外来户，所有没有什么历史负担，从一开始就对刚性旋翼和复合推进很感兴趣。XH-51是洛克希德对复合推进的一个早期尝试，采用机身两侧的两台喷气发动机作推进动力，其研究结果后来应用于时运不佳的AH-56“夏延”攻击直升机。“夏延”在60年代是惊世骇俗的，其复合推进虽然先进，但还不出人们的想象，但其刚性旋翼就有点匪夷所思了。和前述的常用的柔性桨叶不同，刚性旋翼的桨叶没有任何铰链，桨叶和桨毂是刚性联接的，桨毂和桨轴也是刚性联接的，但在旋翼上方另有一个高速旋转的摆锤，就像两头挂上重物的飞旋的扁担一样。摆锤的旋转平面可以改变，从而改变旋转轴的指向，产生科里奥利力，为“夏延”在直升机状态时提供姿态控制。“夏延”在全速前飞时，主旋翼几乎不消耗功率，只用少量功率保证旋翼继续旋转，大体靠空气阻力自旋，产生部分升力，另一部分升力来自于短翼，飞行控制也靠气动舵面， 基本上已经不是直升机，而是旋翼机了。

洛克希德XH-51研究直升机，采用机身两侧的喷气发动机提供推力，其研究结果后来用于下马的AH-56“夏延”

下马的AH-56“夏延”，放弃喷气发动机，改用较常规的推式螺旋桨推进

说到旋翼机（autogyro，gyrocopter或gyrodyne），这其实在早期和直升机得到同步发展，但由于种种原因，淹没在历史的长河里了。旋翼通过旋转产生和空气的相对速度，进而产生升力。在这一点上，旋翼机和直升机是一样的。但直升机的旋翼靠机械动力旋转，而旋翼机的旋翼靠空气阻力旋转。换句话说，旋翼机的旋翼像风车一样，是无动力的，一定要在推进发动机推动飞机前行时，才能产生升力，所以不能实现真正的垂直起落。但旋翼机所需要的滑跑和固定翼飞机还是不能比，起飞只需要20米不到的滑跑距离，着陆距离10米都不到。旋翼机有一些独特的优点。前飞时，旋翼机的旋翼是后倾的，以产生升力，所以旋翼机没有直升机前飞时旋翼的“降力”问题。旋翼机的旋翼反正是自转的，一旦发动机停车，旋翼机可以靠惯性自旋着陆，和正常着陆无异。旋翼机的抗失速和无动力着陆性能是Juan de la Cierva设计旋翼机的初衷，事实上，他就是在自己设计的固定翼飞机接二连三失速坠毁后，才开始着手研制不会失速的旋翼机。由于旋翼机的旋翼是在阻力作用下自转，桨轴不是驱动轴，旋翼机没有反扭力问题，所以不需要尾桨或任何其他反扭力装置。Juan de la Cierva的挥舞铰和摆振铰就是在研制旋翼机的过程中发明的，他还没有来得及设计直升机，就在36年的一次起飞空难中去世了，失事的原因恰恰是在低空低速时失速，正是Cierva的旋翼机想要解决的问题。

图中显示了固定翼飞机、旋翼机和直升机在产生升力和推力上的差异

30年代时，Cierva的C-30旋翼机生产了约300架，Cierva用一架C-30在28年成功地飞越了英吉利海峡

德国海军设想过用FL282帮在水面航行的潜艇放哨，设想不错，但敌机、敌舰来了，潜艇可以一潜了事，这空中的FL282呢？就只能看飞行员的游泳本事了

直升机也可以自旋着陆，但直升机的自选着陆和固定翼飞机的滑翔着陆一样，不是一件轻松愉快的事。直升机要及时调整旋翼姿态，否则阻力和“降力”的作用很快就可以使旋翼停转，造成事故。直升机在自旋过程中，尾桨本来要抵消的反扭力没有了，但尾桨还在通过同步轴和主旋翼一起转动，所以还要一直踩左舵（旋翼逆时针旋转的情况下），才能自己不打转转。直升机在低空低速时，有一个“死亡区”，在这个速度高度范围内，一旦发动机停转，直升机的旋翼没有机会调整姿态，只有死路一条。旋翼机没有这个问题。

由于旋翼机的简单性，旋翼机在30年代曾蓬勃发展过一段时期，但旋翼机缺乏直升机特有的悬停和非常规机动能力，在平飞速度上又不及固定翼飞机，在二战后淡出了。旋翼机尽管可以做准垂直降落和跳跃起飞，但短滑跑或跳跃起飞后，仍然按接近固定翼飞机的航迹爬升，所以机场周围还是需要一定的净空。然而，“夏延”将直升机和旋翼机的优点结合起来，开创了一条新的思路。可惜“夏延”遇到太多技术问题，一是在旋翼机和直升机状态转换过程中的稳定性问题，弄不好就要摔飞机，二是高速平飞时旋翼怠速旋转，离心力不足以使桨叶绷直以保持刚性，在周期性气动扭力的作用下，刚性联结的桨叶、桨毂容易诱发强烈振动，导致失控。“夏延”尽管创造了当时的速度和机敏性记录，但最后还是黯然下马了。近年的CarterCopter的技术验证机Heliplane是旋翼机的最新杰作。这是一架奇怪的飞机，起飞前，用发动机驱动旋翼，桨距为零，所以旋翼只旋转但不产生升力（当然也不产生反扭力）；起飞前的瞬间，旋翼和发动机断开（否则没有尾桨的旋翼机就要在空中打转转了），发动机改而驱动推进螺旋桨，与此同时，旋翼桨距加大，旋翼靠翼尖配重的惯性继续维持旋转一段时间，产生升力，飞机垂直跃离地面，而这时推进发动机已经开始发挥作用，推动飞机前飞，旋翼靠气动阻力维持旋转，产生升力；飞机加速到一定速度后，过渡到主要靠机翼产生升力，旋翼怠速自旋。Heliplane着陆靠自旋着陆。跳跃起飞其实在Cierva后期的旋翼机上已经实现，并不是新东西，平飞时用机翼为旋翼卸载也不是新东西，但CaterCopter将这两样东西结合起来，为被时间淹没的好主意注入了新的活力，从新引起人们对用旋翼机技术达到直升机的垂直起落效果和固定翼飞机平飞时省油效果的关注，其跳跃起飞的功能在事实上实现了垂直起飞。CarterCopter当然不是简单的炒冷饭，还是采用了时代提供的新技术的，比如旋翼的惯性远远高于传统旋翼，这是通过在旋翼里埋设了贫化铀来实现的。高惯性旋翼使旋翼运转大大平稳，离心力使桨叶保持平直和刚性，避免了“夏延”为之折戟沉沙的高速飞行时桨叶不稳定问题。在前飞中，CaterCopter曾在短暂时间内，前飞速度高于旋翼翼尖线速度，是第一个冲破这个理论极限的旋翼飞机（包括直升机和旋翼机）。CarterCopter用于载人飞行或许过于前卫了一点，但用于无人机，是一个很好的思路。

CarterCopter的技术验证机Heliplane，可以垂直地跳跃起飞，在试飞中曾突破前飞速度不能超过旋翼翼尖线速度的极限

德国在战后对垂直/短距起落飞机有极大的兴趣，在战时以Me-109、Me-262 战斗机扬名世界的梅塞斯米特放弃了对战斗机的研制，而把创造的热情扑向这里，Me-2030是众多方案的一个，这喷气式旋翼机的概念很吸引人，但还是无疾而终了

突破旋翼既作为升力装置又作为推力装置的第一步就是为旋翼减轻负担，用单独的推进装置提供推力。从50年代开始，大量方案就是从在普通直升机上加装推进发动机开始，将常规直升机改装为复合直升机（compound holicopter）。采用专用的推进发动机，前飞时，旋翼就不必前倾，既减小迎风面积带来的阻力，又避免了前倾旋翼造成的“降力”。为了进一步减轻旋翼的负担，直升机还可以安装短翼，在前飞时提供气动升力，这样，对旋翼产生升力的要求可以降到最低，后行桨叶失速也就不成为问题，消除了直升机速度上不去的一大障碍。

很多常规直升机并没有专用的推进发动机，但安装了短翼，就是为了在前飞中产生升力，减低对旋翼升力的依赖，以提高前飞速度。对于攻击直升机来说，短翼还是提供武器挂架的好地方。采用短翼的典型直升机有米-6、AH-64等，米-24的短翼也有提供升力的作用，但最主要的目的却是加强横滚稳定性。就像世上所有的好事一样，没有免费的午餐。短翼不光增加结构重量，最大的问题是遮挡旋翼的下洗气流，削弱了旋翼的效率。所以强调悬停和直升机特有的非常规机动性能的直升机常常不选用短翼，即使采用短翼，也使短翼有较大的下反，以减小对旋翼下洗气流的不利遮挡。有人把这种采用短翼的直升机也称为复合直升机，因为升力的产生已经不再单纯依靠旋翼，但通常人们还是把升力和推力两者都不再依靠旋翼的直升机称为复合直升机。

米-6的短翼用于在平飞时产生升力，为旋翼卸载

AH-64的短翼同时兼作武器挂架，一物两用

卡莫夫Ka-22是早期复合直升机的一个典范，曾创造多项速度和载重记录

MBB的BBH攻击直升机，采用常规的“开放”推进螺旋桨作推动力，计划被取消后，转入和法国合作发展“虎”式直升机

西科斯基S-66，和洛克希德AH-56“夏延”竞争落败，但速度比“夏延”更快，号称世界第一。S-66的尾部螺旋浆可以转向，向后做推进用，向左作反扭力用，而不像“夏延”那样，用两个专用的推进螺旋桨和反扭力尾桨

50-60年代时，采用单独的推力发动机的复合直升机方案如雨后春笋，有不少达到试飞阶段，其中Piasecki的16H是其中的佼佼者。Piasecki 16H采用一个尾置的涵道螺旋桨提供推力，涵道螺旋桨后有控制舵面，利用后洗气流提供偏航和俯仰控制。主旋翼依然保留周期距控制，用于悬停或非常规机动时提供控制。Piasecki的方案在60年代没有引起足够的兴趣，但是在90年代，重新引起美国军方的兴趣。Piasecki将16H的概念用在UH-60上，试制了所谓“速度鹰”（Speed Hawk），不仅提高了速度，还将航程提高了3倍，使“速度鹰”的航程和F-18战斗机相当，用作海军的搜索救援直升机十分有利。同样的概念还用在AH-64“阿帕奇”攻击直升机上，速度提高25%。环形尾的问题主要有两个：环形尾套件增加重量，“速度鹰”比基型的UH-60要重800公斤。另一个问题是即以对旋翼下洗气流的遮挡减低旋翼效率，旋翼功率要增加，否则悬停性能要受到损失。

Piasecki 16H采用尾置涵道螺旋桨（也称“环形尾”，ringtail）作为平飞的推进器，短翼提供平飞升力，将旋翼“解放”出来，大大提高平飞速度，也大大降低机械振动和疲劳

“速度鹰” （Speed Hawk），这是Piasecki用UH-60的机体和主要机械系统作基础，研制的“推力转向涵道推进”（Variable Thrust Duct Propeller）研究机

VTDP前飞时的状态，略微向前进方向的左侧偏转，反扭力作用部分由气动舵面完成

VTDP在悬停时的状态，可伸缩的“斗篷”向左偏转90度，加强反扭力作用

Piachecki也推出了“速度眼镜蛇”和“速度阿帕奇”方案

• X-39、41、42是保密的，我也不知道……

所有双桨布局均采用分别的总距和周期距控制，所有桨叶都有各自的“三铰”（变距铰、挥舞铰、摆振铰，或起同等作用的相应的弹性元件）。对于共轴双桨和交替双桨布局来说，转向是通过改变上下或左右旋翼的扭力来实现的。增加顺时针旋翼的桨距，使其更能吃上劲，减少逆时针旋翼的桨距，使其吃劲小一点，就造成扭矩差，使直升机向逆时针方向偏转，反之亦然。交替双桨的方向控制和共轴双桨相同。由于上下或左右旋翼的桨距增减是对称的，共轴双桨或交替双桨向左右转向的速度是一样的。主旋翼也比尾桨更能吃上劲，所以转向也更快捷，可以作所谓的“急转”（snap turn）。

对于串列和并列双桨布局来说，转向是通过使前后或左右旋翼在水平方向上通过周期距控制产生差动的扭转推力来实现的。换句话说，前旋翼向左倾斜，在产生升力的同时，产生向右的水平推力分量；后旋翼向右倾斜，同样在产生升力的同时，产生向左的水平推力分量。前后一“夹攻”，飞机就向右偏转，反之亦然。前后旋翼反向倾斜，偏转的支点是机身中央。如果光倾斜前旋翼，就可以绕后机身打转转；光倾斜后旋翼，当然也就可以绕前机身打转转；如果控制得当，甚至可以一面转一面侧飞。事实上，串列双桨几乎像超市里四个轮子可以分别转向的购物车一样，爱怎么走就可以怎么走，爱怎么转就可以怎么转，不过有的时候太灵活了，选择太多了，反而容易弄糊涂，这个道理是一样的。并列双桨也是同样道理，只是把前后双桨变成左右双桨。

直升机不光可以垂直起落，还可以悬停、侧飞、倒飞、原地转弯。直升机的这些非常规机动动作提供了空前的战术灵活性，比如，反坦克直升机可以在低于树梢的极低空高度悬停，在战机恰当的时刻，突然冒起来发射武器，然后迅速下降到树梢以下高度隐蔽，既可以躲避对方直射武器的打击，又有利于隐蔽地转移阵地。如果装备桅杆顶的观察装置装置的话，可以更好地隐蔽观察敌情、掌握战机。同样的战术也适用于山脊、建筑物等适当的隐蔽物背后。在巷战中，直升机可以隐蔽在建筑物后悬停，在适当时机侧飞出来发射武器，然后迅速返回隐蔽位置，这样可以避开敌人从远处房顶的观察和伏击。在营救和精确定点空降作业中，悬停中的侧飞和倒飞更是必不可少的。然而，成也萧何，败也萧何，直升机的旋翼不光提供了空前的机动能力，也从根本上限制了前飞速度。旋翼尺寸和桨叶数的限制不谈，飞机的前飞速度不可能超过旋翼翼尖的线速度，在极限情况下，假定飞机的前飞速度和翼尖速度都为音速的一半，前行方向上，翼尖速度在3点钟方向已经达到音速，而后行方向上，翼尖在9点钟方向的速度就为零，要发生失速。实际上，翼尖失速速度要高于零速度，所以飞行速度比理论上的极限情况要低。另外，由于半径的关系，旋翼前倾时，旋翼翼尖附近是产生推力的部分，中间部分的线速度低，实际上不产生推力，是在迎风气流的作用下像风车一样地自旋，靠近圆心的部分的线速度低于失速速度，已经处在失速区了。由于前飞时旋翼前倾，阻力在旋翼上形成一个向下的分量，造成速度越大，“降力”越大的尴尬局面，必须用增加的升力来补偿，白白浪费发动机功率。据计算，直升机的理论速度不能超过420公里/小时。英国Westland公司对旋翼翼尖进行加大后掠角的修形，使直升机速度有了不小的提高，但还是没有突破这个理论限制。

英国Westland的先进旋翼翼尖采用复杂形状的后掠角

桨叶的截面（翼型）也从翼根到翼尖不断变薄，以延迟激波的产生，这个道理和超音速飞机用大后掠角、薄翼型的机翼一样

这是一架Westland大山猫直升机在做斤斗特技，其先进桨叶的特别形状清晰可见

理论上，只要旋翼线速度突破音障，直升机速度进一步提高就是可能的。固定翼超音速飞机的机翼理论早已解决。但固定翼飞机的机翼处于相对简单的气流流场，直升机旋翼所处的流场实在太复杂了，不光有前进方向，还有旋转的切向和径向方向，此外，在机身上发动机结构和旋翼之间，还有复杂的纵向的马蹄形流和横向的涡漩。即使这些问题都解决了，理论上有可能研制出一种弯弯的马刀形状的桨叶，延迟超音速激波的产生，但桨叶受力情况十分复杂，包括扭曲、拉伸，在材料上要制造足够坚固耐用又轻巧的旋翼很困难，旋翼要突破音障不是一件容易的事。要突破直升机速度的限制，只有突破旋翼既作为升力装置又作为推力装置的局限。

发动机舱周边有马蹄形流

发动机舱两侧也有横向的涡流