为何交叉双桨型直升机没有取代,共轴反转双桨直升机成为无尾桨直升机的主流?

诗和远方的洋


目前我们常见的直升机按照结构类型可以分为最普通的黑鹰这种单旋翼带尾桨型、卡28共轴双旋翼型、支努干纵列双旋翼型、鱼鹰倾转翼型、S97复合推进式和比较罕见的K-max交叉双旋翼型这几种。在这几种直升机结构类型中,复合推进式、倾转翼式这两种出现的比较晚,而且也是未来最有潜力的机型结构。前三种我们见的比较多,但是最后交叉双旋翼型却比较少,这是为何呢?








首先先说说这几种直升机结构的优缺点,最常见最普通的单旋翼带尾桨型出现时间最早,所以结构比较成熟,而且技术也是最简单的,其有着可靠、成熟、简单等特点,但是其缺点也不少,首先是为了保持机身姿态稳定而设置了尾桨,但是尾桨却要消耗点25%左右的动力输出所以从传动效率这点来说比较低,如果尾桨出现故障,那直升机很可能会因为自身问题而坠毁。而且受限于旋翼下洗流场的气动阻力问题,单旋翼带尾桨结构的直升机最大起飞重量是有一定限制的,因为要想增加直升机起飞重量最简单的就是增加主旋翼桨叶数量或者增加桨叶长度,桨叶数量目前最多的就是米26这种,其主旋翼有8股桨叶,这已经是数量最多的了,如果再增加桨叶数量也会因为下洗气流的问题产生桨叶失速等问题,而且桨叶长度过长也会有挥舞较大和叶尖失速的问题,所以单旋翼虽然简单成熟,但是最大起飞重量受到一定限制,目前米26最大起飞重量在56吨,这已经可以说是这种结构的极限了。





第二种就是目前俄罗斯卡莫夫设计局的共轴双旋翼结构,这种结构由于采用两幅共轴对转的旋翼,所以两幅对转的桨叶产生的扭转力矩刚好可以抵消,所以不用单独设置尾桨,就算尾梁被击毁也不影响什么,而且共轴双旋翼设计也可以大幅度缩小机身体积,以便在军舰等场地狭窄的空间起降。同时两幅螺旋桨也可以缩短桨叶长度,使的桨叶更不容易失速。但是其最大的缺点就是结构比较复杂,而且因为技术限制的问题,上下堆叠的两幅螺旋桨距离不能太近,否则在高速旋转时上下叶尖可能会碰撞在一起,这就造成其整机高度比普通的直升机高一半以上,使得整机的重心比较高,所以机身腹部距离地面普遍设计的比较低,这就造成其在军舰上搭载时需要加高机库和机腹挂弹等操作时比较麻烦。



第三种纵列双旋翼的出现也是因为受到普通直升机起飞重量和旋翼长度的限制而出现的一种机型,其实不光有纵列双旋翼机型,也曾经出现过像苏联研制的米12这种横列双旋翼机型,但是后来因为旋翼距离产生的技术问题和机动性不高和单侧旋翼下滑过快时,直升机会失去不可逆转的控制,所以后来就直接下马了。纵列双旋翼直升机最大的优势在于机身前后塔座分别有两幅高度不一的旋翼,这两幅旋翼结构完全相同,但是旋转方向相反,所以两幅旋翼产生的扭转力矩可以相互抵消,而且前后高低不一的旋翼设计也带来了机身内部空间大、载重量大、占地面积小、悬停效率高等优点,但是缺点也很明显就是结构比较复杂和机动性比较差。




鱼鹰倾转旋翼机的出现最重要的还是朝着提高直升机飞行速度的方向发展,因为传统的单旋翼带尾桨设计虽然结构简单,但是正向迎风面积大,而且直升机的前飞速度主要依靠主旋翼的偏转角度,所以很大这种结构的直升机最大飞行速度普遍在350km/h,体型更大的直升机速度更低。所以像鱼鹰这种倾转翼结构刚好将普通直升机的原地起降和固定翼飞机的飞行速度快的优点结合在一起。但是其缺点也不少,首先倾转旋翼机悬停和低速能力及经济性还远不如普通的单旋翼带尾桨直升机,前飞能力又远不如普通的固定翼飞机,但是它的存在填补了两者之间的空白,给航空界带来了新的思路,也催生了各种新概念飞行器的进步。






再一个就是目前还没有进入量产阶段的复合推进直升机,这种直升机看起来就是将共轴双旋翼直升机加装了一个推进式的尾桨,但是这种结构的直升机早期受限于旋翼结构和技术的限制,虽然理论出现的比较早,但是整机出现还是在近十年,这种结构的直升机最大的特点就是采用了刚性旋翼代替了传统直升机采用的半软性旋翼,所以共轴设计的双旋翼之间距离不用设计的太大,这样在共轴双旋翼的对转下,也不用单独设置用于控制机身姿态的尾桨,而且机身高度和重心也能大幅降低,同时在机身尾撑位置设置一个推进式尾桨用于直升机前飞过程中的推力提供,这样既结合了共轴双旋翼的机身结构紧凑、机动性高、安全性高等优点外。单独设置的推进式尾桨也提高了直升机的最大飞行速度,所以这种结构的直升机也是目前高速直升机的研究方向之一。不过其最大的缺点就是传动系统比较复杂,机械损失较大,而且刚性旋翼的研制难度也极大,再加上目前还没有量产,所以只能算是一种新型结构设计吧。




最后一种交叉双旋翼结构直升机目前只有美国的卡曼直升机使用,其实这种结构并不是美国人研制的,而是纳粹德国的二战末期产物。这种结构的直升机最大的特点就是装有两副完全一样,但旋转方向相反的旋翼外,最明显的特点是两个旋翼轴不平行也不重合,是分别向外侧倾斜的,且横向轴距很小,所以两副旋翼在机体上方呈交叉状态的,最大优点是稳定性比较好,适宜执行起重、吊挂作业。但是缺点也很明显,首先受限于两幅旋翼高度交叉,所以在旋翼桨叶数量上目前最多只能设置两片,过多的话,两幅高度交叉的旋翼之间夹角太小,如果在发生桨叶扭转角度变大时,两幅高度交叉的旋翼会打架坠毁。而且两幅交叉旋翼的桨榖座非常短小,而且斜向支棱,在结构和技术上也比较复杂。同时互相交错的两个旋翼桨毂之间设置设置有特殊的协调装置,可以保证叶片在另一个旋翼的空挡里面通过,这样就不会出现旋翼打架的问题。但是这种两幅交叉的旋翼之间同步的技术专利早已经被美国的卡曼公司独占,所以其他国家或企业想要研制这种特殊结构的直升机要不采用其他同步技术要不就是获得授权,但是以目前的技术来说,卡曼公司掌握的同步专利时技术最先进、传动效率最高也是结构最简单的一种。而且受限于桨叶数量的问题,其很难被应用到中型和大型直升机上。




所以总结一下就是交叉双旋翼直升机虽然稳定性好、载重能力出色,但是受限于技术问题很难普及。而且现有的无尾桨直升机之所以没能成为主流更多的还是技术问题的限制,之所以我们见到最多的直升机都是传统的单旋翼带尾桨结构也是因为这种结构也有结构简单、成熟、机动性好等优势。而其他结构的直升机虽然出现比较早,但是没能成为主流的直升机也是因为在技术、飞行表现、可靠性等方面或多或少存在缺点,而且全球除了军用的特殊情况下对于重型直升机的需求并不是很大,最常用的还是13吨级以下的机型,所以这也是单旋翼带尾桨结构一直作为主流的原因。


魑魅涅槃


交叉双桨型直升机是种非常奇特的直升机,它避免了常规直升机很多问题,但在实际中也因为它自身的特性而难以普及开来,只是非常小众的存在。

常规,或是说传统直升机依靠发动机驱动其巨大的主桨叶旋转产生升力,并且调节主桨叶的角度调整和旋转面的前倾后倾完成直升机上升,下降,前飞,甚至倒飞等动作。但因力学原理可知,主桨叶旋转必将施加一个反向的旋转力矩与直升机身上。所以要分出一部分发动机功率驱动尾桨来克服这个力矩,而尾桨除了调节直升机的方向,并没有其它作用。这样一方面对发动机功率造成损失,还要加装复杂的传动机构至离机身较远不会和主桨叶发生冲突的尾桨,还使尾桨成为直升机的一个明显弱点。万一尾桨损坏或是失灵,直升机将不可避免的进入旋转,难以控制,从而发生危险。


按目前的科技条件,解决这个问题的常用手段不多,最常见的就是共轴式双桨直升机,利用上下两个主桨叶反向旋转,抵消作用于机身的旋转力矩。这种直升机可以做成机体长度较短,适合舰载这种狭小空间使用。但两个主桨叶共轴设计,带来了主轴设计复杂,机体高度大,机动性受限避免上下两层桨叶碰撞的问题。在实际使用中只有俄罗斯卡莫夫设计局坚持这种设计,其它单位使用不多。前后双桨,以及左右双桨设计也是解决办法,但同样采用的不多。


而交叉双桨直升机布局,也是应对常规直升机的一种方案,但更为小众,目前来说只有美国卡曼坚持这种布局。交叉双桨布局,两套主旋翼反向旋转,但形成一定倾角避免桨叶冲突。这样发动机的功率全部用于驱动主桨叶,效率高,振动小,整机机体高度也远较共轴式为小。但所谓成也萧何败也萧何,这个设计的弊端也在于桨叶交叉设计,因为两套桨叶的交叉旋转,只能采取简单的双桨叶设计,三片或四片桨叶的交叉旋转设计难度太大,这样就限制了直升机的飞行性能,也就是说这种布局的直升机只能是小型直升机,难以做大。而且交叉旋转也会带来机动性受限,避免桨叶冲突的难题,这样在对机动性要求很高的武装直升机上难以使用。


所以,交叉双桨直升机一直难以成为直升机的主流派系,在实际使用中非常稀少。


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