破除“速度魔咒”

西科斯基公司網(wǎng)站2014年10月2日發(fā)布了S-97“侵襲者”高速直升機(jī)原型機(jī)。該公司作為世界級(jí)的頂尖直升機(jī)制造商，發(fā)布這款全新旋翼機(jī)意味著直升機(jī)家族新一輪的更新?lián)Q代已經(jīng)開(kāi)始了，外界對(duì)S-97的評(píng)價(jià)是具備“顛覆性”的氣動(dòng)設(shè)計(jì)，采用了與眾不同的共軸反轉(zhuǎn)剛性旋翼作為主要的升力來(lái)源，尾部安裝了螺旋槳推進(jìn)裝置，機(jī)身修長(zhǎng)，這樣的氣動(dòng)增強(qiáng)了直升機(jī)的機(jī)動(dòng)性和靈活性。西科斯基公司認(rèn)為S-97項(xiàng)目將作為未來(lái)高速直升機(jī)的雛形，也引領(lǐng)著旋翼機(jī)領(lǐng)域的發(fā)展。尤其是剛性旋翼加尾螺旋槳推進(jìn)器的氣動(dòng)布局，承載了西科斯基對(duì)21世紀(jì)上半葉高速直升機(jī)發(fā)展的思路。為了發(fā)掘剛性旋翼的巨大潛力，兩科斯基籌集2億美元研發(fā)S-97，其中1.5億美元為自籌，5000萬(wàn)美元來(lái)自其它30多家供應(yīng)商，預(yù)計(jì)年底首飛。老品新酒S-97對(duì)于西科斯基而言是個(gè)老瓶新酒的項(xiàng)目，2005年的美國(guó)直升機(jī)協(xié)會(huì)論壇上，西科斯基公布了X-2技術(shù)驗(yàn)證機(jī)的方案，試圖利用現(xiàn)有的航空技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)共軸式剛性旋翼與尾螺旋槳推進(jìn)的布局，從而實(shí)現(xiàn)一次直升機(jī)領(lǐng)域的飛躍式發(fā)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(shù)的輕型高速偵察直升機(jī)方案，說(shuō)明西科斯基試圖將這一技術(shù)用于軍用直升機(jī)的發(fā)展，這一點(diǎn)引發(fā)了西方觀察家對(duì)高速直升機(jī)的關(guān)注。對(duì)于西科斯基而言，新一代的直升機(jī)必然要有全新的氣動(dòng)布局，各項(xiàng)參數(shù)要超越前一代直升機(jī)，尤其在飛行速度上要更快，能夠達(dá)到460千米/小時(shí)以上，因此基于X-2的武裝型號(hào)在公布后就成為未來(lái)直升機(jī)發(fā)展的熱門(mén)方向之一。2008年，第一架X-2技術(shù)驗(yàn)證機(jī)首飛成功，X-2使用了剛性旋翼與尾螺旋槳推進(jìn)的組合式布局，在三余度電傳操控下能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)力與飛行狀態(tài)之間的完美過(guò)渡。共軸式剛性旋翼的主要作用仍然是為X-2提供升力，當(dāng)飛行速度逐漸提升時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的主要輸出功率會(huì)更多地分配給尾螺旋槳推進(jìn)器。在數(shù)年的飛行測(cè)試中，X-2的飛行速度有了明顯的提升，從220千米/小時(shí)逐步提升到460千米/小時(shí)，各分系統(tǒng)的成熟讓西科斯基更加堅(jiān)定發(fā)展其軍用型號(hào)，這就是S-97“侵襲者”。2011年西科斯基選擇了36個(gè)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(huì)上，通用電氣公司的YI706-GE-700R發(fā)動(dòng)機(jī)決定作為S-97的動(dòng)力。該發(fā)動(dòng)機(jī)由“黑鷹”的動(dòng)力發(fā)展而來(lái)。有了強(qiáng)有力的動(dòng)力系統(tǒng)，S-97的戰(zhàn)術(shù)特點(diǎn)會(huì)更好地被發(fā)掘，如高航速、大航程以及大載荷量。S-97碳纖維機(jī)身由位于布里奇波特的極光飛行科學(xué)公司的制造廠生產(chǎn)，其中應(yīng)用了許多先進(jìn)的制造工藝，該公司此前還生產(chǎn)過(guò)CH-53重型直升機(jī)的主旋翼構(gòu)件，因此積累了些經(jīng)驗(yàn)。按照西科斯基S-97項(xiàng)目的時(shí)間表，2012年前完成第一架S-97的制造，2013年完成關(guān)鍵設(shè)計(jì)評(píng)審，2014年中期完成升級(jí)版的制造，2014年底完成首飛并完成兩架原型機(jī)的制造任務(wù)，2015年向美國(guó)軍方和其它客戶(hù)展示S-97的飛行性能與作戰(zhàn)能力，其中第一架原型機(jī)作為西科斯基的測(cè)試資產(chǎn)，第二架用于美國(guó)軍方的測(cè)試和評(píng)估。2013年9月，極光公司的飛行發(fā)展中心向西科斯基公司交付了S-97原型機(jī)的復(fù)合材料機(jī)身，包括一個(gè)綜合駕駛艙、機(jī)身中央貨艙和尾椎結(jié)構(gòu)。當(dāng)時(shí)西科斯基負(fù)責(zé)5-97項(xiàng)目的主管稱(chēng)，這是S-97項(xiàng)目的一個(gè)重大里程碑，此后西科斯基的團(tuán)隊(duì)開(kāi)始對(duì)原型機(jī)進(jìn)行總裝。今年10月，西科斯基公開(kāi)展示了S-97首飛原型機(jī)，與此前研制的5-97存在較大不同。首先是機(jī)身線條更加硬朗，機(jī)鼻低下前傾，視覺(jué)效果頗有蘇27略微低頭的味道，巨大的風(fēng)擋占據(jù)了機(jī)首較多的空間，這意味著飛行員擁有更好的視野。機(jī)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?jiǎng)t放置在兩幅尾翼之間，尾輪布局也與X-2類(lèi)似，改為后三點(diǎn)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(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口設(shè)置在機(jī)身上方，這對(duì)抑制紅外輻射、雷達(dá)隱身以及降低較大粒徑的顆粒物都有幫助。從側(cè)面看機(jī)身則顯得更加簡(jiǎn)潔，特別是可收放的前起落架艙的設(shè)計(jì)，讓S-97增加了幾分科幻的感覺(jué)。S-97基本性能5-97的定位是輕型武裝偵察直升機(jī)，與日本川崎重工的OH-1武裝偵察直升機(jī)、意大利阿古斯特·韋斯特蘭公司的A-129“貓鼬”武裝直升機(jī)等處于同一級(jí)別。機(jī)長(zhǎng)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(zhí)行典型偵察任務(wù)時(shí)重量為4.44噸，標(biāo)準(zhǔn)燃油狀態(tài)下滯空時(shí)間2.7小時(shí)，作戰(zhàn)半徑600千米，巡航速度超過(guò)370千米/小時(shí)，高溫環(huán)境中懸停高度大約為3000米。機(jī)身使用碳纖維復(fù)合材料制造，具有一定的雷達(dá)隱身能力。飛行員座艙自動(dòng)化程度較高，配有自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，并列式布局也有利于S-97執(zhí)行前線偵察時(shí)兩位飛行員的相互配合。在電子設(shè)備上，西科斯基在S-97機(jī)首整流罩下方安裝了傳感器，未來(lái)不排除進(jìn)行新的改進(jìn)，增加前置探測(cè)裝置。公開(kāi)展示的S-97左右各一個(gè)武器掛架，宣傳材料E可以看出S-97可以攜帶機(jī)炮吊艙、“海爾法”導(dǎo)彈、多管火箭發(fā)射槽等，在武直家族中這樣的火力配置并不算強(qiáng)，但也能滿(mǎn)足武裝偵察的需求了。S-97也考慮到空運(yùn)的需求，整體尺寸設(shè)計(jì)得修長(zhǎng)，加之重量較輕，因此一架C-17運(yùn)輸機(jī)一次可空運(yùn)4架S-97，能夠?qū)崿F(xiàn)快速部署。傳統(tǒng)直升機(jī)旋翼系統(tǒng)的速度局限性對(duì)于直升機(jī)而言，高速飛行與機(jī)動(dòng)性之間存在相互對(duì)立的情況。以單旋翼帶尾槳的直升機(jī)為例，其升力來(lái)源主要依靠旋翼系統(tǒng)，主旋翼為直升機(jī)的起降提供升力支持，尾槳除了平衡主旋翼產(chǎn)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(jī)與其它飛行器差別較大的原因。直升機(jī)的旋翼系統(tǒng)構(gòu)造較為復(fù)雜，旋翼機(jī)構(gòu)由槳葉、槳轂、控制組件等組成。以美國(guó)的“黑鷹”直升機(jī)為例，4片巨大的槳葉為重達(dá)10噸的機(jī)身提供絕大部分的升力，前飛時(shí)“黑鷹”的槳葉剖面會(huì)出現(xiàn)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?lián)]舞，同時(shí)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(chǎn)生更大的前傾，這樣直升機(jī)就可以向前飛行了。從中可以看出單旋翼帶尾槳的直升機(jī)飛行時(shí)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(jìn)一步向前推桿，那么旋翼的前傾角度會(huì)不斷增大，達(dá)到一定條件時(shí)就無(wú)法進(jìn)一步提高速度了。前行槳葉在直升機(jī)飛行速度提升到極限時(shí)槳尖速度會(huì)接近音速，出現(xiàn)激波失速，后行槳葉也受到類(lèi)似問(wèn)題的困擾，最終直升機(jī)的飛行速度無(wú)法進(jìn)一步得到提升，而且在較高速度飛行時(shí)，尾槳基本不產(chǎn)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(jī)的飛行速度?？梢哉J(rèn)為單旋翼帶尾槳的直升機(jī)的旋翼系統(tǒng)限制了直升機(jī)飛行速度的提升，因此要想進(jìn)一步提升速度就需要改變旋翼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。破除柔性槳葉旋翼系統(tǒng)的“速度魔咒”后，西方的直升機(jī)生產(chǎn)商提出了多種新型旋翼結(jié)構(gòu)，比如傾轉(zhuǎn)旋翼、x型旋翼、復(fù)合式旋翼推進(jìn)以及剛性旋翼等。尤其是傾轉(zhuǎn)旋翼受到熱捧，貝爾公司研制了xV-3傾轉(zhuǎn)旋翼技術(shù)驗(yàn)證機(jī)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步與美國(guó)軍方、美國(guó)國(guó)家航空航天局等機(jī)構(gòu)合作，研發(fā)出半剛性槳葉的XV-15。這種飛行器能夠?qū)崿F(xiàn)懸停、平飛，如同我們現(xiàn)在所說(shuō)的跨界版本旋翼機(jī)，集成了直升機(jī)和固定翼飛機(jī)的特點(diǎn)，為后來(lái)V-22的誕生提供了充足的技術(shù)儲(chǔ)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(guò)傾轉(zhuǎn)旋翼的研發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)高速直升機(jī)的發(fā)展。還有一種旋翼構(gòu)型比較獨(dú)特，也受到美國(guó)軍方的關(guān)注，并在“黑鷹”直升機(jī)上進(jìn)行了測(cè)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(dòng)布局的作用機(jī)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(jìn)裝置，也被稱(chēng)為矢量推力涵道螺旋槳推進(jìn)器。2007年6月30日，X-49完成首飛，在十多分鐘內(nèi)進(jìn)行了懸停、小半徑拐彎、側(cè)飛、前飛等機(jī)動(dòng)，最大飛行速度可以達(dá)到390千米/小時(shí)，作戰(zhàn)半徑500千米。X-49也是復(fù)合型高速直升機(jī)的代表，尾部的推進(jìn)器在高速飛行時(shí)提供主要推力。這時(shí)主旋翼的工作開(kāi)始卸載，機(jī)身兩側(cè)巨大的機(jī)翼為X-49提供主要升力，這種氣動(dòng)布局也被證明是成功的，是高速直升機(jī)發(fā)展的另一種渠道。S-97成功的關(guān)鍵——?jiǎng)傂孕砑夹g(shù)西科斯基作為頂尖的直升機(jī)制造商，在旋翼系統(tǒng)上的造詣也處于世界領(lǐng)先水平，對(duì)旋翼系統(tǒng)的改造步伐也較早。1973年，兩科斯基試飛了XH-59驗(yàn)證機(jī)，一種有別于傾轉(zhuǎn)旋翼、復(fù)合式旋翼的新型結(jié)構(gòu)，代表了高速直升機(jī)發(fā)展的又一個(gè)方向。XH-59使用了共軸反轉(zhuǎn)剛性旋翼技術(shù)。第一階段飛行測(cè)試中XH-59為典型的直升機(jī)氣動(dòng)構(gòu)型，平飛狀態(tài)時(shí)飛行速度接近300千米/小時(shí)，俯沖姿態(tài)時(shí)最大速度能夠達(dá)到350千米/小時(shí)以-上，幾乎達(dá)到速度極限。第二階段時(shí)西科斯基在XH-59機(jī)身兩側(cè)分別安裝了一臺(tái)J60-P-3a渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，最大平飛速度能夠接近480千米/小時(shí)以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)第一階段的飛行速度。通過(guò)對(duì)XH-59的試飛，西科斯基逐漸掌握了對(duì)共軸剛性旋翼的一些關(guān)鍵性技術(shù)，但XH-59并沒(méi)有獲得進(jìn)一步的成功，該型機(jī)仍然存在許多問(wèn)題。比如受到當(dāng)時(shí)材料的限制，兩幅主旋翼的剛性無(wú)法達(dá)到最理想的狀態(tài)，由此導(dǎo)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(fā)計(jì)劃，直到2008年X-2技術(shù)驗(yàn)證機(jī)首飛才重新走上共軸剛性旋翼的研發(fā)道路?？梢哉J(rèn)為XH-59項(xiàng)目為西科斯基后續(xù)發(fā)展ABC剛性旋翼奠定了基礎(chǔ)。通過(guò)X-2技術(shù)驗(yàn)證機(jī)的試飛，西科斯基對(duì)于共軸剛性旋翼與尾螺旋槳推進(jìn)裝置結(jié)合頗有信心，認(rèn)為這樣的組合是高速直升機(jī)發(fā)展的方向。事實(shí)上，剛性旋翼的設(shè)計(jì)與制造需要建立在材料技術(shù)的進(jìn)步上。由于剛性旋翼的槳葉沒(méi)有柔性，取消了揮舞鉸和擺振鉸，因此剛性槳葉在工作時(shí)需要承受較大的作用力。如果仔細(xì)觀察當(dāng)前普遍使用柔性旋翼的直升機(jī)，就不難發(fā)現(xiàn)在直升機(jī)停放在地面上時(shí)，主旋翼的槳葉存在下垂的現(xiàn)象，一旦主旋翼工作時(shí)這些槳葉就恢復(fù)正常狀態(tài)了；而剛性槳葉顯得更加硬朗，給人一種直挺挺的感覺(jué)，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(dòng)阻力要大于單旋翼的直升機(jī)。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(dòng)減阻方面需要深入優(yōu)化，同樣是共軸雙旋翼的俄羅斯卡式系列直升機(jī)在減阻問(wèn)題上顯然沒(méi)有西科斯基如此細(xì)微。有趣的是卡莫夫設(shè)計(jì)局的共軸反轉(zhuǎn)技術(shù)被認(rèn)為是看家本領(lǐng)，佃建立在柔性旋翼基礎(chǔ)之上的共軸雙旋翼不但無(wú)法有效提升直升機(jī)的飛行速度，也限制了自身的機(jī)動(dòng)性，這是因?yàn)槿嵝孕碓诠ぷ鲿r(shí)會(huì)出現(xiàn)上下擺動(dòng)，過(guò)于劇烈的機(jī)動(dòng)可能導(dǎo)致兩幅槳葉相互碰撞，造成擊毀人亡的嚴(yán)重后果，所以卡50/52的某些機(jī)動(dòng)是被限制了。雖然卡50/52的機(jī)動(dòng)性仍然值得稱(chēng)道，比如具有較快的機(jī)頭指向能力，能讓直升機(jī)快速指向目標(biāo)并發(fā)動(dòng)攻擊，但柔性槳葉的問(wèn)題也不容忽視。從西科斯基和卡莫夫?qū)草S雙旋翼的產(chǎn)品來(lái)看，西科斯基似乎更懂得柔性槳葉的弱點(diǎn)，待剛性旋翼制造技術(shù)進(jìn)步后開(kāi)始在這個(gè)基礎(chǔ)上研發(fā)高速直升機(jī)?？蛟O(shè)計(jì)局也有自己的剛性旋翼研究計(jì)劃。在2008年于莫斯科舉辦的國(guó)際直升機(jī)展覽會(huì)上，卡莫夫設(shè)計(jì)局就帶來(lái)了卡92的模型，是一種大型共軸旋翼運(yùn)輸直升機(jī)，尺寸明顯要比S-97大得多，但目前仍然沒(méi)有跡象表明卡莫夫是否有能力將剛性旋翼技術(shù)轉(zhuǎn)為產(chǎn)品。西科斯基通過(guò)xH-59和X-2的技術(shù)積累研制出S-97，并試圖將這一氣動(dòng)布局發(fā)揮到極致，成為繼V-22傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)之后的又一種高速旋翼機(jī)。S-97——目標(biāo)未來(lái)通用直升機(jī)從西科斯基的公開(kāi)資料上看，裝一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的S-97“侵襲者”的主要任務(wù)是戰(zhàn)場(chǎng)偵察，最大起飛重量在5噸，執(zhí)行偵察任務(wù)時(shí)起飛重量為4噸左右，機(jī)頭配有前置觀瞄設(shè)備，這表明S-97未來(lái)的量產(chǎn)型不僅具有極高的飛行速度，在火力配置、偵察設(shè)備上也有可觀的表現(xiàn)。如果S-97能成功獲得美軍武裝偵察直升機(jī)換代的訂單，那么將作為一種偵察武裝直升機(jī)取代目前美軍裝備300多架OH-58偵察直升機(jī)。西科斯基作為“黑鷹”直升機(jī)的制造商，顯然不會(huì)丟掉10噸級(jí)通用直升機(jī)這塊超級(jí)大蛋糕。如今“黑鷹”已繹成為通用直升機(jī)的標(biāo)桿產(chǎn)品，經(jīng)典的大側(cè)門(mén)、強(qiáng)勁的T700系列發(fā)動(dòng)機(jī)、極佳的適航性、先進(jìn)的機(jī)載電子設(shè)備等都是“黑鷹”給我們留下的印象。預(yù)計(jì)這款經(jīng)典的通用直升機(jī)將服役到2030年之后，在剩下的十多年時(shí)間內(nèi)美軍也在考慮使用何種機(jī)型替換數(shù)量龐大的“黑鷹”家族。美軍下一代直升機(jī)需要更快的速度、更強(qiáng)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(jìn)也可能被用于改進(jìn)“黑鷹”平臺(tái)，發(fā)展出新一代的10噸級(jí)通用直升機(jī)。值得注意的是，西科斯基公司根據(jù)美國(guó)陸軍有人/無(wú)人補(bǔ)給空中運(yùn)輸項(xiàng)目研發(fā)了無(wú)人版的“黑鷹”直升機(jī)，能夠在山地危險(xiǎn)環(huán)境中對(duì)前線作戰(zhàn)部隊(duì)進(jìn)行補(bǔ)給。按照美國(guó)陸軍空中力量發(fā)展路線圖，未來(lái)四分之一的前線補(bǔ)給任務(wù)將會(huì)由無(wú)人駕駛飛行器執(zhí)行，因此無(wú)人化也是西科斯基未來(lái)發(fā)展的方向之一。不排除發(fā)展出無(wú)人駕駛的S-97武裝偵察直升機(jī)，與有人駕駛的S-97進(jìn)行混編作戰(zhàn)，這樣將極大拓展S-97的任務(wù)彈性，讓無(wú)人駕駛S-97深入更加危險(xiǎn)的區(qū)域執(zhí)行偵察、打擊任務(wù)，而有人駕駛的S-97主要負(fù)責(zé)控制和情報(bào)綜合，成為美軍前線偵察作戰(zhàn)的殺手锏。[編輯/秦蓁]endprint