admin 发表于 2020-7-4 13:14:20

短机翼能为直升机提供额外升力 但为何很少见?

<p>米-6的老故事——一副短机翼解决所有问题</p><p>苏联时代米里设计局的直升机在相当长的一段时间内都代表着苏联直升机设计的最高水平,尤其是其经典的重型直升机设计,更是走在了世界直升机工业世界的前列。上世纪50年代初,米里设计局启动米-6重型直升机项目,开始构思新机型的初期设计方案。</p><p>在当时,苏联国内外的航空专家普遍认为,新型直升机务必要采用两副主旋翼的设计布局思路,其中大部分认为这种吨位的重型直升机必须要是一架纵列式双旋翼直升机,也有小部分专家认为横列式双旋翼直升机更好。对于前者来说,美国已经有了类似的设计,而后者则可以从固定翼飞机的基础上发展[笔者注:就是简单粗暴在固定翼运输机两侧机翼翼尖部位分别加装大型旋翼,卡莫夫的大型直升机卡-22和米里的超大型直升机米-12都是这种布局</p><p><img src="http://n.sinaimg.cn/mil/transform/795/w550h245/20200121/c72d-innckce5246648.png" border=0 alt=""></p><p>▲号称史上最大的直升机米-12(Mil V-12),其最大起飞重量超百吨(图为模型对比)</p><p>之所以这些专家们都会考虑采用双旋翼的设计是因为当时的旋翼桨叶制造工艺的水平还不是很高,如果仍然采用单旋翼带尾桨的设计布局,那么米-6直升机的主旋翼桨叶展长势必会超过当时苏联所能制造出所有直升机桨叶,这会大大增加米-6的项目计划的风险。</p><p>不过米里设计局雄心勃勃的设计师们并没有被未知的困难所吓倒,他们坚持采用单旋翼带尾桨这种米里设计局最擅长的直升机构型来打造新一代重型直升机,其旋翼直升机超过了30米,创下了当时直升机旋翼尺寸的世界纪录。凭借米里设计局天才设计师们的巧思妙想和由帕维尔·索洛维耶夫为该机专门打造的涡轮发动机,一份完美的米-6直升机设计方案总算是出炉了。</p><p><img src="http://n.sinaimg.cn/mil/transform/705/w550h155/20200121/3919-innckce5247716.png" border=0 alt=""></p><p>▲米-6重型直升机加装辅助机翼前后对比</p><p>不过很快问题又来了——在米-6项目推进过程中,苏联武装部门通过几次评估认为该机的负载能力还不够,必须要提高50%以上,这就直接导致了直升机尺寸的大幅增加,此外,有关方面还提出了一个更高的要求:米-6直升机的飞行时速需要超过300公里。这对于当时的直升机设计而言,绝对是非常严苛的要求了。</p><p>但是米里设计局的设计师们并没有气馁,他们发扬了一贯的迎难而上的攻坚精神,突破性的提出了复合式布局的米-6直升机方案,其中最重要的改进措施就是在该机机身两侧加装了一套短机翼组件。短机翼的加入,不仅解决了苏联有关方面所提出的有效载荷能力提升的要求,顺带也使得该机的最大飞行速度提升到了300公里/时,成为了苏联第一种真正实用、高效的重型运输直升机。</p><p>那么,为什么看起来一副很简单的辅助机翼的加装就能够带来这么大的好处呢?既然有这么大的好处,为什么如今的直升机很少见有这种辅助机翼的设计呢?</p><p>这正是本文将要讨论的重点主题,如果你想知道这个问题的答案,那么——请看正文。</p><p>直升机的辅助机翼是什么?</p><p>所谓直升机的辅助机翼就是在直升机机身两侧加装类似于固定翼飞机的机翼一样的辅助升力组件,这种机翼可以是两侧短机翼、两侧长机翼、前置鸭翼、甚至还可以是单一侧的机翼(暂时仅存在于概念设计中)。</p><p><img src="http://n.sinaimg.cn/mil/transform/667/w550h117/20200121/485d-innckce5249039.png" border=0 alt=""></p><p>▲米-6直升机和贝尔360直升机辅助机翼位置对比</p><p>这些辅助机翼的安装位置也大有差异,有的装的比较高,比如说米-6直升机就和发动机的安装高度差不多;有的装的比较低,比如说贝尔直升机公司为美国陆军打造的未来攻击侦察直升机360(下简称贝尔360),其辅助机翼的位置就和常规武装直升机的武器挂架安装高度差不多,比较靠近机身底部;有的则是倾斜的,比如说空客直升机公司的X3(读作X立方)复合式直升机,其短机翼虽然安装位置比较高,达到了发动机高度,但是却有个下反角,倾斜伸向了下方;还有的则是双层机翼,还是空客直升机公司的,X3直升机的下一代RACER直升机,其辅助机翼就是由双层构成的,上层从上到下倾斜,下层从下到上倾斜,两者交汇于辅助推力螺旋桨的发动机短舱处。</p><p><img src="http://n.sinaimg.cn/mil/transform/11/w550h261/20200121/b877-innckce5250067.png" border=0 alt=""></p><p>▲直升机辅助机翼安装位置高低示意图</p><p>如果仔细观察的话,细心的你就能发现,米-6重型直升机的机翼是没有副翼的,这也就意味着,该机的短机翼仅仅只是一个升力面,而不是一个操纵面,飞行员是无法通过操纵该辅助机翼来实现升力变化的,其升力大小和方向仅和飞行状态有关。试想一下,如果高速飞行过程中来一阵突风的话,机翼获得的升力增量大于旋翼,简单来说,直升机上就会形成一个俯仰力矩,如果辅助机翼的安装位置和旋翼越远,与整机重心间隔越大,形成的力矩就会越大,对于直升机的稳定飞行就越不利,这就是为什么米-6直升机的辅助机翼安装位置比较高,接近旋翼,且布置在靠近重心的垂直线位置上。</p><p>相比之下,轻巧的贝尔360直升机其辅助机翼位置就比较低,而且按照如今的直升机辅助机翼发展趋势,该机翼肯定是会设计副翼的,一方面,现在电传操纵飞行控制系统技术的成熟使得这些额外的操纵面可以通过一定的控制率来实现全自动化操纵,另一方面,电传操纵技术也简化了直升机的机械传动系统,追加一个操纵面也不至于担心机械系统复杂度增加太多或者空机重量增加太多。追加副翼之后,无论是面对突风等不稳定情况还是执行大机动动作等战术飞行任务,辅助机翼都能成为复合式直升机的一大助益。</p><p>▲空客公司的X3直升机和RACER直升机辅助机翼设计对比</p><p>那么空客直升机的X3复合式高速直升机倾斜辅助机翼是是什么设计考虑呢?其原因可能有几点,其一就是倾斜机翼相比平直机翼而言可以设计得更长一些,因此机翼的展弦比可以设计的更高,其升力性能会有所提高;其二就是向下倾斜的机翼对主旋翼下洗流的阻滞作用比较小,可能会在某种程度上降低辅助机翼对悬停效率的副作用影响。至于之后的RACER复合式直升机上下双层机翼主要考虑的内容就涉及到了结构强度、可靠性、安全性等方面,不仅仅只是从气动方面来考虑了。</p><p>直升机为什么要加装辅助机翼?</p><p>直升机之所以要加装辅助机翼,其实从本质上来说就是因为旋翼系统本身存在高速飞行的限制:后行桨叶失速边界、前行桨叶气动压缩性问题(阻力发散)、振动问题。辅助机翼的出现就是为了破除这些限制,那么,其中的根本机理是什么呢?</p><p>我先大概介绍一下直升机的前行桨叶和后行桨叶的概念,在讲这个概念之前,我先说明一下,在本文中,直升机桨叶的旋翼旋转方向默认是“右旋”,也就是说,假如你从直升机上方俯视直升机的话,你会发现其桨叶是按照逆时针方向旋转的。</p><p><img src="http://n.sinaimg.cn/mil/transform/67/w550h317/20200121/bd36-innckce5252386.png" border=0 alt=""></p><p>▲右旋直升机的前行侧和后行侧</p><p>现在假设你从正在前飞的直升机的后方朝着直升机飞行方向观察直升机,那么你的右手侧,也就是直升机桨叶迎风旋转的一侧,就被称为前行侧;而你的左手侧,也就是直升机桨叶顺风旋转的一侧,就被称为后行侧。这么一说,你可能很快就认识到,逆风转和顺风转,作用在直升机桨叶上的气流方向是不一样的,这在直升机旋翼系统中,就被称为“旋翼气流的不对称性”。</p><p>很直观的理解,假设你在大风中迎着风跑(你跑的速度没风速快),你会觉得迎面吹来的气流非常强(对应气流速度快),假如你顺着风跑,你会觉得气流变弱了(对应气流速度慢),而且,由于你的速度没有风速快,作用在你身上的合速度就变成了从背后吹向身前。对直升机桨叶来说同样如此,逆风的前行侧,桨叶气流速度会远大于顺风的后行侧,更令人烦恼的是,直升机后行侧靠近桨根区域,由于旋转线速度比较小,低于风速,那么气流的合速度就变成了从桨叶翼型的后缘吹向前缘,这会导致这个区域内(叫做反流区),桨叶无法产生升力或者产生了负升力,这就叫后行侧失速。</p><p><img src="http://n.sinaimg.cn/mil/transform/345/w550h595/20200121/12c6-innckce5253775.png" border=0 alt=""></p><p>▲直升机前飞气流分布和反流区示意图</p><p>随着飞行速度的增加,旋翼转速是不变的,来流风速却变大了,后行侧这个反流区范围就会变大,当这个反流区范围越来越大之后,后行侧能产生升力的部分越来越小,直到到达了即将无法满足直升机总升力的飞行速度边界,这个前飞速度就是后行侧失速边界。</p><p>当然,有时候振动问题会比后行侧失速边界早一步来临——直升机周期性旋转过程中,途径后行侧反流区的时候,升力急剧变化,这大大加重了桨叶的周期力变化幅度,从而导致桨叶的振动幅度加大,并传递到机身上,一旦这个振动水平过高,将会直接导致直升机的操纵性大幅降低,使得飞行员无法进一步提高速度。</p><p><img src="http://n.sinaimg.cn/mil/transform/746/w550h196/20200121/278a-innckce5254760.png" border=0 alt=""></p><p>▲桨叶剖面翼型前行侧和后行侧气流方向示意图</p><p>前行侧的气动压缩性问题就很好理解了,我们知道高速飞行的最大问题就是气动阻力问题,高马赫数下,激波阻力就会出现(没听过专业词汇,音障肯定听过,类似的概念),前行桨叶桨尖区域的气流速度是旋翼转速和来流速度的叠加,很容易达到高亚音速,从而面临激波阻力发散的问题,阻力的急剧增大一方面导致了需用功率的陡峭增加,同时也会伴生振动问题,导致飞行速度无法进一步提升。</p><p>一口气写到这里,总算是先把直升机速度上不去几个重要原因讲清楚了,现在考虑一下怎么样才能解决这些问题?直升机要高速飞行,其来流速度肯定是不可能降低的,那么就只能降低旋翼的旋转速度了,旋翼的旋转速度降低了之后,它所能提供的升力必然也会降低,那怎么办?当然就是加装辅助升力装置了。</p><p>辅助机翼,就是最便宜好用、结构简单又可靠的辅助升力装置,而且这种装置在航空器中相当常见,成熟度也很高,应用起来非常方便。</p><p><img src="http://n.sinaimg.cn/mil/transform/89/w550h339/20200121/f707-innckce5255800.png" border=0 alt=""></p><p>▲贝尔533直升机,安装了辅助机翼和喷气发动机</p><p>通过由辅助机翼来承担一部分升力,直升机主旋翼的拉力就能够降低一部分了(一般称之为拉力卸载),这样主旋翼的转速就能够降低下来,前行侧的阻力发散问题自然就没有了,而后行的反流区虽然会在一定程度上变得更大,但是由于后行侧需要提供的升力也变小了,所以反流区就算扩大也不会带来严重的问题,除此之外,由于总体拉力的变小,主旋翼的周期振动载荷问题也会得到缓解,直升机的振动发散边界也得到了延后,总而言之,小小的一套辅助机翼系统,直接解决了直升机前飞速度理论限制的一个大麻烦,并且, 机翼和旋翼不同,对于处于恰当迎角范围内的机翼,来流速度越高,其所能提供的升力数值越大。凭此两点,米里设计局通过给米-6加装短机翼一举解决了有效载荷不足和前飞速度过低的问题,效果很好。</p><p>直升机的辅助机翼要怎么设计?</p><p>直升机辅助机翼的设计受到多个因素的制约,其中最显著的就是直升机的重量性能、悬停效率、低速性能以及一个罕见却不得不提及的问题:直升机的尺寸。</p><p>重量性能是最好理解的,无论是哪种航空器,其空机重量占到最大起飞重量的比值越低,说明其负载能力越高,重量性能越好,所能携带的任务装备就越多,应用领域范围就越广。直升机同样如此,一副额外的短机翼/长机翼或者其他辅助机翼都会增加全机的空机重量,对于大多数不追求高速能力、发动机可用功率足够的直升机来说,增加一套机翼来提高空重比实在并非什么好选择。</p><p><img src="http://n.sinaimg.cn/mil/transform/34/w550h284/20200121/5005-innckce5256956.png" border=0 alt=""></p><p>▲旋翼下洗流碰到障碍物会形成阻滞作用</p><p>悬停效率对于直升机来说是非常重要的一个能力指标,直升机区别于固定翼飞机的最重要能力就是悬停能力。能够悬停的直升机才能完成货物吊运、紧急救援、无机场投放等各种各样固定翼飞机无法完成的任务。辅助机翼的出现,对于悬停状态下直升机主旋翼的下洗流形成了严重的阻滞效应,冲击在机翼上的下洗流不仅会形成“垂直增重”效应,减弱直升机的负载能力,同时也会增大全机的振动水平。</p><p>低速性能对于直升机来说是同样重要的,尤其是军用直升机这种经常需要通过低速机动来实现隐蔽、突击或者完成其他战术的航空器。众所周知,机翼在低速状态下,其气动性能不仅不出色,相反还会拖直升机的后腿,一套辅助机翼在低速机动中往往不会起到增升的效果,反而会起到“空气刹车”的作用,对于大部分军用直升机来说,并不是要给好选择。</p><p><img src="http://n.sinaimg.cn/mil/transform/34/w550h284/20200121/7b6e-innckce5257684.png" border=0 alt=""></p><p>▲低速机动性对于直升机而言相当重要,机翼的存在只能是“累赘”</p><p>尺寸的问题,小尺寸的机翼当然不会带来显著的问题,但是如果想要辅助机翼能够带来最显著的升力增益,那么机翼的长度自然是越长越好,不过较长的机翼会导致直升机着陆范围的扩大,导致其无法适用于特定的着陆区域(如舰载)或者无法装入特定的运输机,从而影响其任务适用性,像卡瑞姆公司为美国陆军打造的未来攻击侦察直升机AR-40就把辅助机翼设计成了长机翼,但是其尺寸也始终保持在旋翼直径大小,这就是原因所在。</p><p>综合上述的几个设计要求,我们会发现,除非本身就是面向高速飞行的直升机(就像本文中提到的贝尔360直升机和卡瑞姆的AR-40直升机),那么普通直升机加装一套辅助机翼似乎还真是弊大于利,所以说,这就是为什么现在的绝大部分直升机上都看不到辅助机翼存在的本质原因。(作者署名:旋翼飞行器)</p><p>本栏目所有文章目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责。凡本网注明版权所有的作品,版权均属于本站网,凡署名作者的,版权则属原作者或出版人所有,未经本网或作者授权不得转载、摘编或利用其它方式使用上述作品。</p>
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