破除“速度魔咒”

西科斯基公司網站2014年10月2日發布了S-97“侵襲者”高速直升機原型機。該公司作為世界級的頂尖直升機制造商，發布這款全新旋翼機意味著直升機家族新一輪的更新換代已經開始了，外界對S-97的評價是具備“顛覆性”的氣動設計，采用了與眾不同的共軸反轉剛性旋翼作為主要的升力來源，尾部安裝了螺旋槳推進裝置，機身修長，這樣的氣動增強了直升機的機動性和靈活性。西科斯基公司認為S-97項目將作為未來高速直升機的雛形，也引領著旋翼機領域的發展。尤其是剛性旋翼加尾螺旋槳推進器的氣動布局，承載了西科斯基對21世紀上半葉高速直升機發展的思路。為了發掘剛性旋翼的巨大潛力，兩科斯基籌集2億美元研發S-97，其中1.5億美元為自籌，5000萬美元來自其它30多家供應商，預計年底首飛。老品新酒S-97對于西科斯基而言是個老瓶新酒的項目，2005年的美國直升機協會論壇上，西科斯基公布了X-2技術驗證機的方案，試圖利用現有的航空技術來實現共軸式剛性旋翼與尾螺旋槳推進的布局，從而實現一次直升機領域的飛躍式發展。在范保羅等航展上，西科斯基也展出了基于共軸式剛性旋翼技術的輕型高速偵察直升機方案，說明西科斯基試圖將這一技術用于軍用直升機的發展，這一點引發了西方觀察家對高速直升機的關注。對于西科斯基而言，新一代的直升機必然要有全新的氣動布局，各項參數要超越前一代直升機，尤其在飛行速度上要更快，能夠達到460千米/小時以上，因此基于X-2的武裝型號在公布后就成為未來直升機發展的熱門方向之一。2008年，第一架X-2技術驗證機首飛成功，X-2使用了剛性旋翼與尾螺旋槳推進的組合式布局，在三余度電傳操控下能夠實現動力與飛行狀態之間的完美過渡。共軸式剛性旋翼的主要作用仍然是為X-2提供升力，當飛行速度逐漸提升時，發動機的主要輸出功率會更多地分配給尾螺旋槳推進器。在數年的飛行測試中，X-2的飛行速度有了明顯的提升，從220千米/小時逐步提升到460千米/小時，各分系統的成熟讓西科斯基更加堅定發展其軍用型號，這就是S-97“侵襲者”。2011年西科斯基選擇了36個部件制造合作制造商，在2012年1月馬里蘭州舉辦的航空座談會上，通用電氣公司的YI706-GE-700R發動機決定作為S-97的動力。該發動機由“黑鷹”的動力發展而來。有了強有力的動力系統，S-97的戰術特點會更好地被發掘，如高航速、大航程以及大載荷量。S-97碳纖維機身由位于布里奇波特的極光飛行科學公司的制造廠生產，其中應用了許多先進的制造工藝，該公司此前還生產過CH-53重型直升機的主旋翼構件，因此積累了些經驗。按照西科斯基S-97項目的時間表，2012年前完成第一架S-97的制造，2013年完成關鍵設計評審，2014年中期完成升級版的制造，2014年底完成首飛并完成兩架原型機的制造任務，2015年向美國軍方和其它客戶展示S-97的飛行性能與作戰能力，其中第一架原型機作為西科斯基的測試資產，第二架用于美國軍方的測試和評估。2013年9月，極光公司的飛行發展中心向西科斯基公司交付了S-97原型機的復合材料機身，包括一個綜合駕駛艙、機身中央貨艙和尾椎結構。當時西科斯基負責5-97項目的主管稱，這是S-97項目的一個重大里程碑，此后西科斯基的團隊開始對原型機進行總裝。今年10月，西科斯基公開展示了S-97首飛原型機，與此前研制的5-97存在較大不同。首先是機身線條更加硬朗，機鼻低下前傾，視覺效果頗有蘇27略微低頭的味道，巨大的風擋占據了機首較多的空間，這意味著飛行員擁有更好的視野。機尾垂直方向舵也有較大幅度的修改，取消了x型布局，與X-2更像一些。尾部的螺旋槳則放置在兩幅尾翼之間，尾輪布局也與X-2類似，改為后三點式起落架。需要注意的是，最新型的S-97與早期型、X-2都有差別，發動機進氣口設置在機身上方，這對抑制紅外輻射、雷達隱身以及降低較大粒徑的顆粒物都有幫助。從側面看機身則顯得更加簡潔，特別是可收放的前起落架艙的設計，讓S-97增加了幾分科幻的感覺。S-97基本性能5-97的定位是輕型武裝偵察直升機，與日本川崎重工的OH-1武裝偵察直升機、意大利阿古斯特·韋斯特蘭公司的A-129“貓鼬”武裝直升機等處于同一級別。機長11米左右，共軸旋翼直徑大約為10米，最大起飛重量5.17噸，執行典型偵察任務時重量為4.44噸，標準燃油狀態下滯空時間2.7小時，作戰半徑600千米，巡航速度超過370千米/小時，高溫環境中懸停高度大約為3000米。機身使用碳纖維復合材料制造，具有一定的雷達隱身能力。飛行員座艙自動化程度較高，配有自動駕駛系統，并列式布局也有利于S-97執行前線偵察時兩位飛行員的相互配合。在電子設備上，西科斯基在S-97機首整流罩下方安裝了傳感器，未來不排除進行新的改進，增加前置探測裝置。公開展示的S-97左右各一個武器掛架，宣傳材料E可以看出S-97可以攜帶機炮吊艙、“海爾法”導彈、多管火箭發射槽等，在武直家族中這樣的火力配置并不算強，但也能滿足武裝偵察的需求了。S-97也考慮到空運的需求，整體尺寸設計得修長，加之重量較輕，因此一架C-17運輸機一次可空運4架S-97，能夠實現快速部署。傳統直升機旋翼系統的速度局限性對于直升機而言，高速飛行與機動性之間存在相互對立的情況。以單旋翼帶尾槳的直升機為例，其升力來源主要依靠旋翼系統，主旋翼為直升機的起降提供升力支持，尾槳除了平衡主旋翼產生的力矩外，也起到提供推力控制方向的作用，這也是直升機與其它飛行器差別較大的原因。直升機的旋翼系統構造較為復雜，旋翼機構由槳葉、槳轂、控制組件等組成。以美國的“黑鷹”直升機為例，4片巨大的槳葉為重達10噸的機身提供絕大部分的升力，前飛時“黑鷹”的槳葉剖面會出現周期性的變化，前行槳葉與后行槳葉之間存在反向揮舞，前行槳葉向上揮舞，后行槳葉朝下揮舞，同時為了獲得足夠的前飛拉力，主旋翼在受到縱向變距控制后產生更大的前傾，這樣直升機就可以向前飛行了。從中可以看出單旋翼帶尾槳的直升機飛行時主旋翼不僅需要提供向上的升力，也要前傾提供向前的拉力。如果“黑鷹”的飛行員進一步向前推桿，那么旋翼的前傾角度會不斷增大，達到一定條件時就無法進一步提高速度了。前行槳葉在直升機飛行速度提升到極限時槳尖速度會接近音速，出現激波失速，后行槳葉也受到類似問題的困擾，最終直升機的飛行速度無法進一步得到提升，而且在較高速度飛行時，尾槳基本不產生升力，其作用只是平衡主旋翼的反扭矩，這也制約了直升機的飛行速度?？梢哉J為單旋翼帶尾槳的直升機的旋翼系統限制了直升機飛行速度的提升，因此要想進一步提升速度就需要改變旋翼系統的設計。破除柔性槳葉旋翼系統的“速度魔咒”后，西方的直升機生產商提出了多種新型旋翼結構，比如傾轉旋翼、x型旋翼、復合式旋翼推進以及剛性旋翼等。尤其是傾轉旋翼受到熱捧，貝爾公司研制了xV-3傾轉旋翼技術驗證機，并在此基礎上進一步與美國軍方、美國國家航空航天局等機構合作，研發出半剛性槳葉的XV-15。這種飛行器能夠實現懸停、平飛，如同我們現在所說的跨界版本旋翼機，集成了直升機和固定翼飛機的特點，為后來V-22的誕生提供了充足的技術儲備，由此也可以看出，貝爾公司早已看清了柔性旋翼在速度上的局限性，通過傾轉旋翼的研發來實現高速直升機的發展。還有一種旋翼構型比較獨特，也受到美國軍方的關注，并在“黑鷹”直升機上進行了測試，這就是X-49“速度鷹”。從X-49的圖像可以清楚地了解到這種氣動布局的作用機制：“黑鷹”的尾槳消失了，取而代之的是一具直徑2.4米的涵道式推進裝置，也被稱為矢量推力涵道螺旋槳推進器。2007年6月30日，X-49完成首飛，在十多分鐘內進行了懸停、小半徑拐彎、側飛、前飛等機動，最大飛行速度可以達到390千米/小時，作戰半徑500千米。X-49也是復合型高速直升機的代表，尾部的推進器在高速飛行時提供主要推力。這時主旋翼的工作開始卸載，機身兩側巨大的機翼為X-49提供主要升力，這種氣動布局也被證明是成功的，是高速直升機發展的另一種渠道。S-97成功的關鍵——剛性旋翼技術西科斯基作為頂尖的直升機制造商，在旋翼系統上的造詣也處于世界領先水平，對旋翼系統的改造步伐也較早。1973年，兩科斯基試飛了XH-59驗證機，一種有別于傾轉旋翼、復合式旋翼的新型結構，代表了高速直升機發展的又一個方向。XH-59使用了共軸反轉剛性旋翼技術。第一階段飛行測試中XH-59為典型的直升機氣動構型，平飛狀態時飛行速度接近300千米/小時，俯沖姿態時最大速度能夠達到350千米/小時以-上，幾乎達到速度極限。第二階段時西科斯基在XH-59機身兩側分別安裝了一臺J60-P-3a渦噴發動機，最大平飛速度能夠接近480千米/小時以上，遠遠超過第一階段的飛行速度。通過對XH-59的試飛，西科斯基逐漸掌握了對共軸剛性旋翼的一些關鍵性技術，但XH-59并沒有獲得進一步的成功，該型機仍然存在許多問題。比如受到當時材料的限制，兩幅主旋翼的剛性無法達到最理想的狀態，由此導致了兩幅旋翼之間的間隔被拉大、飛行阻力增加。在缺乏資金后西科斯基只能暫停了XH-59的研發計劃，直到2008年X-2技術驗證機首飛才重新走上共軸剛性旋翼的研發道路。可以認為XH-59項目為西科斯基后續發展ABC剛性旋翼奠定了基礎。通過X-2技術驗證機的試飛，西科斯基對于共軸剛性旋翼與尾螺旋槳推進裝置結合頗有信心，認為這樣的組合是高速直升機發展的方向。事實上，剛性旋翼的設計與制造需要建立在材料技術的進步上。由于剛性旋翼的槳葉沒有柔性，取消了揮舞鉸和擺振鉸，因此剛性槳葉在工作時需要承受較大的作用力。如果仔細觀察當前普遍使用柔性旋翼的直升機，就不難發現在直升機停放在地面上時，主旋翼的槳葉存在下垂的現象，一旦主旋翼工作時這些槳葉就恢復正常狀態了；而剛性槳葉顯得更加硬朗，給人一種直挺挺的感覺，因此剛性槳葉的承受能力比柔性槳葉要大，在加工和制造上有一定的難度。由于剛性旋翼有兩幅共軸槳葉，因此氣動阻力要大于單旋翼的直升機。從S-97兩幅旋翼之間的整流罩也可以看出共軸-剛性旋翼在氣動減阻方面需要深入優化，同樣是共軸雙旋翼的俄羅斯卡式系列直升機在減阻問題上顯然沒有西科斯基如此細微。有趣的是卡莫夫設計局的共軸反轉技術被認為是看家本領，佃建立在柔性旋翼基礎之上的共軸雙旋翼不但無法有效提升直升機的飛行速度，也限制了自身的機動性，這是因為柔性旋翼在工作時會出現上下擺動，過于劇烈的機動可能導致兩幅槳葉相互碰撞，造成擊毀人亡的嚴重后果，所以卡50/52的某些機動是被限制了。雖然卡50/52的機動性仍然值得稱道，比如具有較快的機頭指向能力，能讓直升機快速指向目標并發動攻擊，但柔性槳葉的問題也不容忽視。從西科斯基和卡莫夫對共軸雙旋翼的產品來看，西科斯基似乎更懂得柔性槳葉的弱點，待剛性旋翼制造技術進步后開始在這個基礎上研發高速直升機。卡莫夫設計局也有自己的剛性旋翼研究計劃。在2008年于莫斯科舉辦的國際直升機展覽會上，卡莫夫設計局就帶來了卡92的模型，是一種大型共軸旋翼運輸直升機，尺寸明顯要比S-97大得多，但目前仍然沒有跡象表明卡莫夫是否有能力將剛性旋翼技術轉為產品。西科斯基通過xH-59和X-2的技術積累研制出S-97，并試圖將這一氣動布局發揮到極致，成為繼V-22傾轉旋翼機之后的又一種高速旋翼機。S-97——目標未來通用直升機從西科斯基的公開資料上看，裝一臺發動機的S-97“侵襲者”的主要任務是戰場偵察，最大起飛重量在5噸，執行偵察任務時起飛重量為4噸左右，機頭配有前置觀瞄設備，這表明S-97未來的量產型不僅具有極高的飛行速度，在火力配置、偵察設備上也有可觀的表現。如果S-97能成功獲得美軍武裝偵察直升機換代的訂單，那么將作為一種偵察武裝直升機取代目前美軍裝備300多架OH-58偵察直升機。西科斯基作為“黑鷹”直升機的制造商，顯然不會丟掉10噸級通用直升機這塊超級大蛋糕。如今“黑鷹”已繹成為通用直升機的標桿產品，經典的大側門、強勁的T700系列發動機、極佳的適航性、先進的機載電子設備等都是“黑鷹”給我們留下的印象。預計這款經典的通用直升機將服役到2030年之后，在剩下的十多年時間內美軍也在考慮使用何種機型替換數量龐大的“黑鷹”家族。美軍下一代直升機需要更快的速度、更強的隱身能力以及更大的載荷量，西科斯基的剛性旋翼加尾螺旋槳推進也可能被用于改進“黑鷹”平臺，發展出新一代的10噸級通用直升機。值得注意的是，西科斯基公司根據美國陸軍有人/無人補給空中運輸項目研發了無人版的“黑鷹”直升機，能夠在山地危險環境中對前線作戰部隊進行補給。按照美國陸軍空中力量發展路線圖，未來四分之一的前線補給任務將會由無人駕駛飛行器執行，因此無人化也是西科斯基未來發展的方向之一。不排除發展出無人駕駛的S-97武裝偵察直升機，與有人駕駛的S-97進行混編作戰，這樣將極大拓展S-97的任務彈性，讓無人駕駛S-97深入更加危險的區域執行偵察、打擊任務，而有人駕駛的S-97主要負責控制和情報綜合，成為美軍前線偵察作戰的殺手锏。[編輯/秦蓁]endprint