都採用共軸雙旋翼,為何美國S-97解決了俄軍卡-52的致命缺陷?

阪東秀人


常規的直升機佈局是中央多片式單層的主旋翼+尾槳的設計。而共軸直升機的設計,是有兩層主旋翼,以前蘇聯卡莫夫直升機設計局的“卡”系列直升機最為有名。我們知道正常佈局的直升機,主旋翼在做高速旋轉時,直升機的機身在旋翼力矩的作用下也會跟著一起轉起來,為了克服這個問題,單旋翼的常規佈局直升機必須在尾部安裝一個尾槳,尾槳以相反的方向旋轉,以抵消機身的旋轉力矩,從而保持平衡。不過這樣的設計,讓單主旋翼的常規佈局的直升機存在很多缺陷,一是尾槳需要額外耗費10%左右的發動機功率,二是尾梁和尾槳的存在,會導致直升機的機身過長,不利於起降和狹窄空間作業,尤其是艦載直升機。

共軸雙旋翼直升機就比較好解決上述問題,上下兩幅漿葉對轉,一個順時針旋轉,一個逆時針旋轉,直接抵消了旋翼的旋轉力矩。此外,共軸雙旋翼不需要考慮設計尾槳和尾梁,也沒有尾槳吃掉髮動機功率的問題,可以把所有功率都用於升力和推進。所以共軸雙旋翼直升機的機身可以做的很短,受側風影響更小,飛行比較平穩性,懸停性能更好,這對於無人直升機的飛行性能很重要。由於有著上下兩幅旋翼,共軸雙旋翼直升機的旋翼直徑也可以較小,總尺寸非常緊湊,特別適合陸上狹小空間和海軍上艦。

不過,卡莫夫系列共軸雙旋翼直升機也存在著一些明顯的缺點,例如機械結構複雜,造價很高。在劇烈機動時,上下旋翼的槳葉容易碰撞,存在打在一起的可能性,尤其對共軸雙旋翼武裝直升機來說,這是最大的缺陷,卡-50武裝直升機就發生過此類事故,1998年6月17日,一架卡-50直升機遭遇強烈的紊流,上下旋翼碰到了一起而墜毀。另外,共軸雙旋翼直升機的旋翼桅杆過高,飛行阻力較大。

為了解決上述問題,美國的波音公司和西科斯基公司在聯合研製S-97高速直升機概念機的時候,提出了共軸剛性旋翼的概念,利用共軸對轉旋翼的前行槳葉來突破常規直升機旋翼的速度限制,所以,上下槳葉的活動空間被大大壓縮,極大地縮小了兩副旋翼的間距。依靠尾部的推進螺旋槳來提供前飛的動力,完全不需要用主旋翼來提供前飛動力,也不需要不需要揮舞鉸,動力和傳動系統的機械結構非常簡單。而且極大的降低了高速飛行阻力。

在S-97高速概念機告一段落以後,波音公司和西科斯基公司用S-97概念機放大以後,研製了SB-1武裝直升機。在美國當地時間3月21日發佈了聯合公告,正式宣佈由兩家公司聯合研發製造的SB-1武裝直升機完成了首飛測試,這款頗具革命性的直升機將成為美軍的下一代通用直升機搭載平臺,替代現在正在美軍服役的UH-60黑鷹和AH-64阿帕奇。

SB-1 Defiant(挑釁)直升機,是一種裝備有剛性同軸雙旋翼的複合直升機,由兩臺T55霍尼韋爾發動機提供動力,設計的最高巡航速度高達460km/h,飛的可以說比行駛的高鐵還要快。與傳統直升機相比,反向旋轉同軸主旋翼和後置推進螺旋槳的SB-1最高時速便是他最大的賣點。


科羅廖夫


普通直升機的推進力和升力都是由主旋翼提供的。因此主旋翼並不是簡單地在一個平面轉動,而是用複雜的鉸鏈體系產生“揮舞”效果,例如在前半周垂直於主軸轉動,只提供升力,而後半周旋翼與主軸呈現夾角,產生向後的分力,推動飛機前行。

普通的旋翼有一定彈性,在揮舞過程中受氣流影響,運動的範圍變化較大。因此做共軸雙槳機時,兩個旋翼之間必須有足夠的距離。在極端天氣或者意外的共振情況下,兩層旋翼可能相撞。

s97具有專門的推進螺旋槳,因此不需要通過旋翼的揮舞來提供推力。因此主旋翼取消了全部鉸鏈體系,並採用硬質槳葉,極大程度上避免了兩層旋翼碰撞的可能。




味冷


雖然都是共軸對轉旋翼,但是設計理念完全不同。

卡52的共軸對轉旋翼主要是利用對轉旋翼抵消旋翼轉矩,從而取消尾槳,從而縮短機身長度;另外也利用共軸對轉旋翼的高升力特性來提升懸停性能;卡52的操控思路跟常規直升機沒有什麼兩樣,所以依然需要揮舞鉸和擺振鉸來提供飛機前飛或者側飛、倒飛的動力以及維持直升機平衡以及機動能力。

S-97則完全不需要用主旋翼來提供前飛動力,它依靠尾部的推進螺旋槳來提供前飛的動力,所以不需要揮舞鉸;另外其機動飛行動力和平衡能力也可由其共軸對轉旋翼的差速以及變距等方法來提供,所以擺振鉸亦成為非必須品。S-97主要利用共軸對轉旋翼的前行槳葉概念(在高速飛行時只有前行槳葉不易失速)來突破常規直升機旋翼的速度限制,所以,在旋翼設計上貫徹了剛性旋翼的概念,槳葉上下活動的空間大大壓縮,可以極大地縮小兩副旋翼的間距,同時可以降低高速飛行的阻力。


憤然骷髏


雖然都是共軸對轉旋翼,但是設計理念完全不同。

卡52的共軸對轉旋翼主要是利用對轉旋翼抵消旋翼轉矩,從而取消尾槳,從而縮短機身長度;另外也利用共軸對轉旋翼的高升力特性來提升懸停性能;卡52的操控思路跟常規直升機沒有什麼兩樣,所以依然需要揮舞鉸和擺振鉸來提供飛機前飛或者側飛、倒飛的動力以及維持直升機平衡以及機動能力。

S-97則完全不需要用主旋翼來提供前飛動力,它依靠尾部的推進螺旋槳來提供前飛的動力,所以不需要揮舞鉸;另外其機動飛行動力和平衡能力也可由其共軸對轉旋翼的差速以及變距等方法來提供,所以擺振鉸亦成為非必須品。S-97主要利用共軸對轉旋翼的前行槳葉概念(在高速飛行時只有前行槳葉不易失速)來突破常規直升機旋翼的速度限制,所以,在旋翼設計上貫徹了剛性旋翼的概念,槳葉上下活動的空間大大壓縮,可以極大地縮小兩副旋翼的間距,同時可以降低高速飛行的阻力,

S97採用了“差速器豎置共軸”。結構簡潔,堅實,易生產,易維修。




AUTUYT


簡單說,俄羅斯卡-52是中學生做中學的功課,美國S-97是大學教授做中學的功課,二者技術水平不在一個層次。