都采用共轴双旋翼,为何美国S-97解决了俄军卡-52的致命缺陷?

阪东秀人


常规的直升机布局是中央多片式单层的主旋翼+尾桨的设计。而共轴直升机的设计,是有两层主旋翼,以前苏联卡莫夫直升机设计局的“卡”系列直升机最为有名。我们知道正常布局的直升机,主旋翼在做高速旋转时,直升机的机身在旋翼力矩的作用下也会跟着一起转起来,为了克服这个问题,单旋翼的常规布局直升机必须在尾部安装一个尾桨,尾桨以相反的方向旋转,以抵消机身的旋转力矩,从而保持平衡。不过这样的设计,让单主旋翼的常规布局的直升机存在很多缺陷,一是尾桨需要额外耗费10%左右的发动机功率,二是尾梁和尾桨的存在,会导致直升机的机身过长,不利于起降和狭窄空间作业,尤其是舰载直升机。

共轴双旋翼直升机就比较好解决上述问题,上下两幅浆叶对转,一个顺时针旋转,一个逆时针旋转,直接抵消了旋翼的旋转力矩。此外,共轴双旋翼不需要考虑设计尾桨和尾梁,也没有尾桨吃掉发动机功率的问题,可以把所有功率都用于升力和推进。所以共轴双旋翼直升机的机身可以做的很短,受侧风影响更小,飞行比较平稳性,悬停性能更好,这对于无人直升机的飞行性能很重要。由于有着上下两幅旋翼,共轴双旋翼直升机的旋翼直径也可以较小,总尺寸非常紧凑,特别适合陆上狭小空间和海军上舰。

不过,卡莫夫系列共轴双旋翼直升机也存在着一些明显的缺点,例如机械结构复杂,造价很高。在剧烈机动时,上下旋翼的桨叶容易碰撞,存在打在一起的可能性,尤其对共轴双旋翼武装直升机来说,这是最大的缺陷,卡-50武装直升机就发生过此类事故,1998年6月17日,一架卡-50直升机遭遇强烈的紊流,上下旋翼碰到了一起而坠毁。另外,共轴双旋翼直升机的旋翼桅杆过高,飞行阻力较大。

为了解决上述问题,美国的波音公司和西科斯基公司在联合研制S-97高速直升机概念机的时候,提出了共轴刚性旋翼的概念,利用共轴对转旋翼的前行桨叶来突破常规直升机旋翼的速度限制,所以,上下桨叶的活动空间被大大压缩,极大地缩小了两副旋翼的间距。依靠尾部的推进螺旋桨来提供前飞的动力,完全不需要用主旋翼来提供前飞动力,也不需要不需要挥舞铰,动力和传动系统的机械结构非常简单。而且极大的降低了高速飞行阻力。

在S-97高速概念机告一段落以后,波音公司和西科斯基公司用S-97概念机放大以后,研制了SB-1武装直升机。在美国当地时间3月21日发布了联合公告,正式宣布由两家公司联合研发制造的SB-1武装直升机完成了首飞测试,这款颇具革命性的直升机将成为美军的下一代通用直升机搭载平台,替代现在正在美军服役的UH-60黑鹰和AH-64阿帕奇。

SB-1 Defiant(挑衅)直升机,是一种装备有刚性同轴双旋翼的复合直升机,由两台T55霍尼韦尔发动机提供动力,设计的最高巡航速度高达460km/h,飞的可以说比行驶的高铁还要快。与传统直升机相比,反向旋转同轴主旋翼和后置推进螺旋桨的SB-1最高时速便是他最大的卖点。


科罗廖夫


普通直升机的推进力和升力都是由主旋翼提供的。因此主旋翼并不是简单地在一个平面转动,而是用复杂的铰链体系产生“挥舞”效果,例如在前半周垂直于主轴转动,只提供升力,而后半周旋翼与主轴呈现夹角,产生向后的分力,推动飞机前行。

普通的旋翼有一定弹性,在挥舞过程中受气流影响,运动的范围变化较大。因此做共轴双桨机时,两个旋翼之间必须有足够的距离。在极端天气或者意外的共振情况下,两层旋翼可能相撞。

s97具有专门的推进螺旋桨,因此不需要通过旋翼的挥舞来提供推力。因此主旋翼取消了全部铰链体系,并采用硬质桨叶,极大程度上避免了两层旋翼碰撞的可能。




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虽然都是共轴对转旋翼,但是设计理念完全不同。

卡52的共轴对转旋翼主要是利用对转旋翼抵消旋翼转矩,从而取消尾桨,从而缩短机身长度;另外也利用共轴对转旋翼的高升力特性来提升悬停性能;卡52的操控思路跟常规直升机没有什么两样,所以依然需要挥舞铰和摆振铰来提供飞机前飞或者侧飞、倒飞的动力以及维持直升机平衡以及机动能力。

S-97则完全不需要用主旋翼来提供前飞动力,它依靠尾部的推进螺旋桨来提供前飞的动力,所以不需要挥舞铰;另外其机动飞行动力和平衡能力也可由其共轴对转旋翼的差速以及变距等方法来提供,所以摆振铰亦成为非必须品。S-97主要利用共轴对转旋翼的前行桨叶概念(在高速飞行时只有前行桨叶不易失速)来突破常规直升机旋翼的速度限制,所以,在旋翼设计上贯彻了刚性旋翼的概念,桨叶上下活动的空间大大压缩,可以极大地缩小两副旋翼的间距,同时可以降低高速飞行的阻力。


愤然骷髅


虽然都是共轴对转旋翼,但是设计理念完全不同。

卡52的共轴对转旋翼主要是利用对转旋翼抵消旋翼转矩,从而取消尾桨,从而缩短机身长度;另外也利用共轴对转旋翼的高升力特性来提升悬停性能;卡52的操控思路跟常规直升机没有什么两样,所以依然需要挥舞铰和摆振铰来提供飞机前飞或者侧飞、倒飞的动力以及维持直升机平衡以及机动能力。

S-97则完全不需要用主旋翼来提供前飞动力,它依靠尾部的推进螺旋桨来提供前飞的动力,所以不需要挥舞铰;另外其机动飞行动力和平衡能力也可由其共轴对转旋翼的差速以及变距等方法来提供,所以摆振铰亦成为非必须品。S-97主要利用共轴对转旋翼的前行桨叶概念(在高速飞行时只有前行桨叶不易失速)来突破常规直升机旋翼的速度限制,所以,在旋翼设计上贯彻了刚性旋翼的概念,桨叶上下活动的空间大大压缩,可以极大地缩小两副旋翼的间距,同时可以降低高速飞行的阻力,

S97采用了“差速器竖置共轴”。结构简洁,坚实,易生产,易维修。




AUTUYT


简单说,俄罗斯卡-52是中学生做中学的功课,美国S-97是大学教授做中学的功课,二者技术水平不在一个层次。


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