為何交叉雙槳型直升機沒有取代,共軸反轉雙槳直升機成為無尾槳直升機的主流?

詩和遠方的洋


目前我們常見的直升機按照結構類型可以分為最普通的黑鷹這種單旋翼帶尾槳型、卡28共軸雙旋翼型、支努干縱列雙旋翼型、魚鷹傾轉翼型、S97複合推進式和比較罕見的K-max交叉雙旋翼型這幾種。在這幾種直升機結構類型中,複合推進式、傾轉翼式這兩種出現的比較晚,而且也是未來最有潛力的機型結構。前三種我們見的比較多,但是最後交叉雙旋翼型卻比較少,這是為何呢?








首先先說說這幾種直升機結構的優缺點,最常見最普通的單旋翼帶尾槳型出現時間最早,所以結構比較成熟,而且技術也是最簡單的,其有著可靠、成熟、簡單等特點,但是其缺點也不少,首先是為了保持機身姿態穩定而設置了尾槳,但是尾槳卻要消耗點25%左右的動力輸出所以從傳動效率這點來說比較低,如果尾槳出現故障,那直升機很可能會因為自身問題而墜毀。而且受限於旋翼下洗流場的氣動阻力問題,單旋翼帶尾槳結構的直升機最大起飛重量是有一定限制的,因為要想增加直升機起飛重量最簡單的就是增加主旋翼槳葉數量或者增加槳葉長度,槳葉數量目前最多的就是米26這種,其主旋翼有8股槳葉,這已經是數量最多的了,如果再增加槳葉數量也會因為下洗氣流的問題產生槳葉失速等問題,而且槳葉長度過長也會有揮舞較大和葉尖失速的問題,所以單旋翼雖然簡單成熟,但是最大起飛重量受到一定限制,目前米26最大起飛重量在56噸,這已經可以說是這種結構的極限了。





第二種就是目前俄羅斯卡莫夫設計局的共軸雙旋翼結構,這種結構由於採用兩幅共軸對轉的旋翼,所以兩幅對轉的槳葉產生的扭轉力矩剛好可以抵消,所以不用單獨設置尾槳,就算尾梁被擊毀也不影響什麼,而且共軸雙旋翼設計也可以大幅度縮小機身體積,以便在軍艦等場地狹窄的空間起降。同時兩幅螺旋槳也可以縮短槳葉長度,使的槳葉更不容易失速。但是其最大的缺點就是結構比較複雜,而且因為技術限制的問題,上下堆疊的兩幅螺旋槳距離不能太近,否則在高速旋轉時上下葉尖可能會碰撞在一起,這就造成其整機高度比普通的直升機高一半以上,使得整機的重心比較高,所以機身腹部距離地面普遍設計的比較低,這就造成其在軍艦上搭載時需要加高機庫和機腹掛彈等操作時比較麻煩。



第三種縱列雙旋翼的出現也是因為受到普通直升機起飛重量和旋翼長度的限制而出現的一種機型,其實不光有縱列雙旋翼機型,也曾經出現過像蘇聯研製的米12這種橫列雙旋翼機型,但是後來因為旋翼距離產生的技術問題和機動性不高和單側旋翼下滑過快時,直升機會失去不可逆轉的控制,所以後來就直接下馬了。縱列雙旋翼直升機最大的優勢在於機身前後塔座分別有兩幅高度不一的旋翼,這兩幅旋翼結構完全相同,但是旋轉方向相反,所以兩幅旋翼產生的扭轉力矩可以相互抵消,而且前後高低不一的旋翼設計也帶來了機身內部空間大、載重量大、佔地面積小、懸停效率高等優點,但是缺點也很明顯就是結構比較複雜和機動性比較差。




魚鷹傾轉旋翼機的出現最重要的還是朝著提高直升機飛行速度的方向發展,因為傳統的單旋翼帶尾槳設計雖然結構簡單,但是正向迎風面積大,而且直升機的前飛速度主要依靠主旋翼的偏轉角度,所以很大這種結構的直升機最大飛行速度普遍在350km/h,體型更大的直升機速度更低。所以像魚鷹這種傾轉翼結構剛好將普通直升機的原地起降和固定翼飛機的飛行速度快的優點結合在一起。但是其缺點也不少,首先傾轉旋翼機懸停和低速能力及經濟性還遠不如普通的單旋翼帶尾槳直升機,前飛能力又遠不如普通的固定翼飛機,但是它的存在填補了兩者之間的空白,給航空界帶來了新的思路,也催生了各種新概念飛行器的進步。






再一個就是目前還沒有進入量產階段的複合推進直升機,這種直升機看起來就是將共軸雙旋翼直升機加裝了一個推進式的尾槳,但是這種結構的直升機早期受限於旋翼結構和技術的限制,雖然理論出現的比較早,但是整機出現還是在近十年,這種結構的直升機最大的特點就是採用了剛性旋翼代替了傳統直升機採用的半軟性旋翼,所以共軸設計的雙旋翼之間距離不用設計的太大,這樣在共軸雙旋翼的對轉下,也不用單獨設置用於控制機身姿態的尾槳,而且機身高度和重心也能大幅降低,同時在機身尾撐位置設置一個推進式尾槳用於直升機前飛過程中的推力提供,這樣既結合了共軸雙旋翼的機身結構緊湊、機動性高、安全性高等優點外。單獨設置的推進式尾槳也提高了直升機的最大飛行速度,所以這種結構的直升機也是目前高速直升機的研究方向之一。不過其最大的缺點就是傳動系統比較複雜,機械損失較大,而且剛性旋翼的研製難度也極大,再加上目前還沒有量產,所以只能算是一種新型結構設計吧。




最後一種交叉雙旋翼結構直升機目前只有美國的卡曼直升機使用,其實這種結構並不是美國人研製的,而是納粹德國的二戰末期產物。這種結構的直升機最大的特點就是裝有兩副完全一樣,但旋轉方向相反的旋翼外,最明顯的特點是兩個旋翼軸不平行也不重合,是分別向外側傾斜的,且橫向軸距很小,所以兩副旋翼在機體上方呈交叉狀態的,最大優點是穩定性比較好,適宜執行起重、吊掛作業。但是缺點也很明顯,首先受限於兩幅旋翼高度交叉,所以在旋翼槳葉數量上目前最多隻能設置兩片,過多的話,兩幅高度交叉的旋翼之間夾角太小,如果在發生槳葉扭轉角度變大時,兩幅高度交叉的旋翼會打架墜毀。而且兩幅交叉旋翼的槳榖座非常短小,而且斜向支稜,在結構和技術上也比較複雜。同時互相交錯的兩個旋翼槳轂之間設置設置有特殊的協調裝置,可以保證葉片在另一個旋翼的空擋裡面通過,這樣就不會出現旋翼打架的問題。但是這種兩幅交叉的旋翼之間同步的技術專利早已經被美國的卡曼公司獨佔,所以其他國家或企業想要研製這種特殊結構的直升機要不採用其他同步技術要不就是獲得授權,但是以目前的技術來說,卡曼公司掌握的同步專利時技術最先進、傳動效率最高也是結構最簡單的一種。而且受限於槳葉數量的問題,其很難被應用到中型和大型直升機上。




所以總結一下就是交叉雙旋翼直升機雖然穩定性好、載重能力出色,但是受限於技術問題很難普及。而且現有的無尾槳直升機之所以沒能成為主流更多的還是技術問題的限制,之所以我們見到最多的直升機都是傳統的單旋翼帶尾槳結構也是因為這種結構也有結構簡單、成熟、機動性好等優勢。而其他結構的直升機雖然出現比較早,但是沒能成為主流的直升機也是因為在技術、飛行表現、可靠性等方面或多或少存在缺點,而且全球除了軍用的特殊情況下對於重型直升機的需求並不是很大,最常用的還是13噸級以下的機型,所以這也是單旋翼帶尾槳結構一直作為主流的原因。


魑魅涅槃


交叉雙槳型直升機是種非常奇特的直升機,它避免了常規直升機很多問題,但在實際中也因為它自身的特性而難以普及開來,只是非常小眾的存在。

常規,或是說傳統直升機依靠發動機驅動其巨大的主槳葉旋轉產生升力,並且調節主槳葉的角度調整和旋轉面的前傾後傾完成直升機上升,下降,前飛,甚至倒飛等動作。但因力學原理可知,主槳葉旋轉必將施加一個反向的旋轉力矩與直升機身上。所以要分出一部分發動機功率驅動尾槳來克服這個力矩,而尾槳除了調節直升機的方向,並沒有其它作用。這樣一方面對發動機功率造成損失,還要加裝複雜的傳動機構至離機身較遠不會和主槳葉發生衝突的尾槳,還使尾槳成為直升機的一個明顯弱點。萬一尾槳損壞或是失靈,直升機將不可避免的進入旋轉,難以控制,從而發生危險。


按目前的科技條件,解決這個問題的常用手段不多,最常見的就是共軸式雙槳直升機,利用上下兩個主槳葉反向旋轉,抵消作用於機身的旋轉力矩。這種直升機可以做成機體長度較短,適合艦載這種狹小空間使用。但兩個主槳葉共軸設計,帶來了主軸設計複雜,機體高度大,機動性受限避免上下兩層槳葉碰撞的問題。在實際使用中只有俄羅斯卡莫夫設計局堅持這種設計,其它單位使用不多。前後雙槳,以及左右雙槳設計也是解決辦法,但同樣採用的不多。


而交叉雙槳直升機佈局,也是應對常規直升機的一種方案,但更為小眾,目前來說只有美國卡曼堅持這種佈局。交叉雙槳佈局,兩套主旋翼反向旋轉,但形成一定傾角避免槳葉衝突。這樣發動機的功率全部用於驅動主槳葉,效率高,振動小,整機機體高度也遠較共軸式為小。但所謂成也蕭何敗也蕭何,這個設計的弊端也在於槳葉交叉設計,因為兩套槳葉的交叉旋轉,只能採取簡單的雙槳葉設計,三片或四片槳葉的交叉旋轉設計難度太大,這樣就限制了直升機的飛行性能,也就是說這種佈局的直升機只能是小型直升機,難以做大。而且交叉旋轉也會帶來機動性受限,避免槳葉衝突的難題,這樣在對機動性要求很高的武裝直升機上難以使用。


所以,交叉雙槳直升機一直難以成為直升機的主流派系,在實際使用中非常稀少。


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