同样是直升机,飞行构型为何那么多?都有什么特色?

时间:2023-10-11 10:54 来源:光明网   阅读量:14189      

与固定翼飞机相比,直升机可以垂直起降,能够在低空超低空的“一树之高”飞行,在工业生产、抢险救灾、军事行动等方面都可以发挥着突出作用。世界各国都非常重视直升机发展,但能够独立研发生产直升机的国家并不多。直升机研发要经过论证、方案设计、工程研制、定型和生产等多个阶段。在设计阶段,确定直升机的构型是一项非常重要的工作。目前有多种成熟的直升机构型应用到不同的直升机上,究竟哪一种更完美呢?

一、单旋翼带尾桨构型

单旋翼带尾桨是直升机最传统的构型。机头上方水平安装的主旋翼提供上升动力,机尾处近乎垂直安装的是尾桨。尾桨不产生升力,主要是用来抵消主旋翼旋转时在机身上产生的反扭力矩。尾桨直径虽然比主旋翼要小得多,但是必不可少的。空中飞行时尾桨一旦失效,则直升机将无法保持状态,机身螺旋式转动,高度会迅速下降。

图1 中国的直-20直升机

单旋翼带尾桨这种构型相对简单,技术也比较成熟,选择该构型的直升机数量最多。随着新型航空电子设备、新型材料技术不断进步,旋翼构型的不断优化,发动机功率提升,单旋翼带尾桨直升机不断焕发新的生命力。

二、双旋翼构型

单旋翼带尾桨直升机的尾桨是不产生升力的,但要消耗10%~15%左右的发动机功率。因此,出现了双旋翼构型直升机,有两个转向相反的旋翼,可以相互抵消反扭力矩,不需要尾桨。

纵列式双旋翼

目前,世界上只有一款纵列式双旋翼直升机列装,即美国的CH-47支奴干直升机。CH-47在外观上非常抢眼,很具有辨识度。机体上方两个旋翼串联,没有尾桨。两台发动机在机身后部。后旋翼安装位置比前旋翼要高,这样可以避免两个旋翼叶片发生碰撞。

图2 美国CH-47支奴干直升机

与单旋翼比,前后双旋翼布局,提升了飞行稳定性,飞行受直升机重心变化影响小,特别是悬停能够更稳定,能够满足特殊作战场景需要。较长的机舱空间较大,可以装载更多的人员和物资。但纵列双旋翼直升机研发门槛高,技术复杂,投入大。另外,直升机的操纵系统相对较为复杂,装备保障要求和费用高。

共轴式双旋翼

共轴式双旋翼是把两个旋翼安装在同一个旋转轴上,上下排布,旋转方向相反,反扭力矩可以相互抵消。俄罗斯的卡-28、卡-52直升机都采用了这种布局。

图3 中国进口的K-28直升机

由于没有尾桨,纵列式双旋翼直升机长度可以大为缩短,结构比较紧凑。两个旋翼又提升了直升机的飞行稳定性,非常适合作为舰载直升机使用。但是两个旋翼上下布局,必须增加直升机高度,俄罗斯卡-52高度达到5.4米,比普通直升机高近1-2米。两旋翼转动时气流会相互干扰,在某些特殊的情况下,如在飞行中突然遇到风变,桨叶挥舞变形发生碰撞的概率大为增加,这直接限制了该型直升机的飞行过载。

交叉式双旋翼

交叉式双旋翼直升机有两个旋翼轴,两个旋翼轴横向排布,分别向外倾斜一定角度.两副旋翼在机体上方呈现交叉状,旋翼以齿轮啮合的形式同步控制旋转,因此正常情况下不用担心发生碰撞。目前采用这种构型的直升机是美国的K-MAX直升机。

图4 美国K-MAX直升机

这款怪异的直升机具有一些双旋翼直升机的飞行优点,但军队使用的不多,主要在民用建筑、勘测、采矿、伐木等领域承担起重和吊运任务。该型机双旋翼横向布置,气动阻力较大,飞行控制复杂。

三、混合式构型

混合式构型是更为特殊的一种构型,也是未来的一个发展趋势。

并列式双旋翼加倾转

并列式双旋翼的两个旋翼,并排安装在一架直升机上,左右排列,反向旋转,中间有传动轴互联。美国现役装备V-22鱼鹰采用了这种构型。旋翼可以随发动机倾转,由水平状态变为垂直状态,直升机飞行模式此时就转变为螺旋桨飞行模式。

图5 美国V-22鱼鹰飞行状态

这种构型的直升机也被称为倾转旋翼机,实际上已经不再是一款完全意义的直升机。螺旋桨飞行模式可以极大提高飞行速度,鱼鹰直升机的最大航速可以超过500千米/小时。但这款直升机事故率每10万小时要超过6起。最新的事故发生在2023年8月27日,美国一架MV-22B“鱼鹰”倾转旋翼机在澳大利亚参加演习期间坠机。此外,该机研发成本、生产成本、使用成本都很高,单机造价就需要6000万美元。

2019年美国贝尔公司在V-22基础上,为美陆军未来远程攻击飞行器项目改进了一款V280倾转旋翼机。

图6 美国V-280验证机飞行

V-280直升机的飞行速度和航程可以达到传统直升机的两倍。与V-22相比,V-280安装有倾斜变速箱,旋翼传动轴能够变换角度,这样旋翼倾转时,发动机保持不变。

纵列式双旋翼加尾推

在美陆军未来远程攻击飞行器项目中,与V-280竞争的另一款直升机是S-97直升机。该机由西科斯基公司生产,采用纵列式双旋翼,但与俄罗斯纵列式双旋翼直升机不同,S-97加装了尾部推进器。

图7 美国S-97验证机飞行

S-97集成了电传控制、飞行控制、系统集成、先进材料等多方面的最新技术,缩小了机身尺寸,降低了噪声信号,速度可以超过400千米/小时,能够在高原和高热环境下飞行。

综合看,直升机构型各有所长,也各具所短,设计直升机时要充分考虑到技术、成本、寿命、安全等多个方面后,才能加以选择确定。你最喜欢哪一种直升机构型呢?

出品:科普中国军事科技

监制:光明网科普事业部

作者:陆鹰

审核专家:梁春晖

策划:金 赫

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