直升机发动机装在桨叶上见过没——概谈喷气驱动式直升机

摘要

在直升机近几十年的发展过程中,喷气驱动形式曾受到一定的重视,但是呢,到目前为止,仅有个别的喷气驱动式直升机进行了生产,并应用于实际作业中,但是这种形式的直升机对于直升机设计师而言仍然是具有吸引力的,因此呢,仍然不断有新的喷气驱动式的发展方案被提出来。


直升机发动机装在桨叶上见过没——概谈喷气驱动式直升机

图——桨尖喷气式直升机 Hiller Hornet

在开始写之前,我觉得甩张图是必要的,不然你们肯定又要说我标题党了。

在直升机近几十年的发展过程中,喷气驱动形式曾受到一定的重视,但是呢,到目前为止,仅有个别的喷气驱动式直升机进行了生产,并应用于实际作业中,但是这种形式的直升机对于直升机设计师而言仍然是具有吸引力的,因此呢,仍然不断有新的喷气驱动式的发展方案被提出来。


直升机发动机装在桨叶上见过没——概谈喷气驱动式直升机

图——直升机传动系统

最主要的原因就是这种形式的直升机基本取消了复杂又笨重的机械传动系统(各种传动轴啊、减速器啊,众所周知,减速器的重量在直升机总重所占的比例是可观的),因此可以大大的提高直升机的重量效率。此外,由于取消了机械传动系统,还降低了成本,而减少了日常检修维护的工作量(传动轴的存在导致了一系列结构和动力学的问题,比如说共振之类的,分分钟让维护人员跪)。

但这种构型之所以没有被广泛的采用,显然是具有其不可避免的缺点的,其中最显著的就是他在喷气的时候所产生的巨大噪声,众所周知,这个直升机的噪声啊,本来就已经很大了,如果再加上喷气的话,那个噪声简直要逆天,而且这种构型的单位耗油率极高,这些都限制了这种构型直升机的发展。

1. 喷气驱动的两种类型


直升机发动机装在桨叶上见过没——概谈喷气驱动式直升机

图——第一台安装于桨尖的涡轮喷气式发动机

1.1桨尖发动机式驱动系统

在桨尖安装喷气发动机,借发动机的推力来驱动旋翼,这种发动机有冲压式、脉冲式,也可以是涡轮喷气式发动机。

1.2压气机式驱动系统(桨尖供气)

在直升机机体中设有气体发生器,或由主要发动机带动的空气压缩机,向桨尖喷管供应压缩空气,借气流从喷管中喷出时,所产生的反作用来驱动旋翼,这种形式也被称为“冷喷气”。

从两种驱动系统的描述就可以看出,采用冲压式或者脉冲式发动机,主要优点呢,就是结构简单,重量最轻,不少超轻型直升机采用了这种方案,但是呢,这种方案的严重缺点是其单位耗油率太大,因此航程或续航时间往往非常的短,实用意义不大;另外呢,冲压式发动机不具备静推力,因而启动问题很难解决,脉冲式发动机就很难保证阀门工作可靠,且具有足够长的寿命,所以这种动力装置在直升机上不会有太大的前途。

在桨尖安装涡轮喷气发动机进行驱动,也曾受过相当的关注,在喷气驱动各种方式中,他的耗油率最低,较适用于重型直升机,目前主要困难在于发动机本身,因为发动机装在旋翼上之后,它会处于旋翼巨大的离心力和陀螺力矩作用下进行工作,那这样发动机结构和工作就会产生一些新的问题,目前还没有能够解决,此外发动机的陀螺力矩还会作用在桨叶上,给桨叶的设计也带来了不少困难。

就目前来说,比较成熟的,并且有实际应用的还是第二种压气式驱动系统,一方面的这种系统单位耗油率大大低于冲压式或者脉冲式,另一方面它避免了在桨尖安装涡轮喷气发动机存在的严重困难。但是这种构型的也有一个主要困难,由于他的桨毂和桨叶中要通过高压的空气或燃气,会引起引起一系列的绝热,密封和强度的问题,这些呢,也都使得结构的复杂化,而且相比于常规机械驱动直升机,喷气效率比较低,功率消耗比较大。

2. 喷气驱动需要注意的问题


直升机发动机装在桨叶上见过没——概谈喷气驱动式直升机

图——DJINN轻型压气机

2.1轻型直升机要不要用喷气式驱动?

对于轻型直升机采用机械驱动式系统时,其传动系统重量在总重量中所占比例不会太大,然而采用喷气驱动作为气体发生器,或用以带动空气压缩机的发动机,却要比机械驱动式的发动机大,并且由于要通过空气或燃气的旋翼其重量也会增加,两相权衡,喷气驱动发动机的重量效率反而可能会更低一些。

2.2航程和续航时间大航程?长航时?不存在的

压气机式驱动系统的单位耗油率虽然大大低于冲压式或者是脉冲式,但是仍然相当于机械驱动式的两倍到三倍。因此呢,随着航程或续航时间的增加,有效载荷会显著降低,这样在需要较远航程和较长续航时间的任务中,即便压气机驱动式直升机有较高的重量效率,其有效载荷也会比机械驱动式直升机低,这时采用这种型式就不合理了。


有读者可能要问,哎,小编,你说了这么多,说的都是这种构型啊,这个不能用那个又不好,仅有的一些优点又不突出,那这种构型有什么前途呢?


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图——大型桨尖喷气式自转旋翼机

从美国已有的研究来看,这种构型曾经在大型自转旋翼飞行器中得到过比较深入而广泛的认可。因为自转旋翼的旋翼在前飞的过程中是自转的,不需要动力驱动,他只需要在起飞和着陆的时候进行桨尖喷气就行了(主要为了实现垂直起降),所以呢,这个在自转旋翼上曾经得到过广泛的研究和尝试,而且也被认为比较合理。


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图——高速高前进比复合直升机

而在未来的高速高前进比直升机中,有很多公司已经开始尝试在大速度前飞的时候,让旋翼进入一种类似于自传的状态,那基于这一考虑,喷气式驱动系统也是有一定的前途的。


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