03.08 都採用共軸雙旋翼,為何美國S-97解決了俄軍卡-52的致命缺陷?

阪東秀人


常規的直升機佈局是中央多片式單層的主旋翼+尾槳的設計。而共軸直升機的設計,是有兩層主旋翼,以前蘇聯卡莫夫直升機設計局的“卡”系列直升機最為有名。我們知道正常佈局的直升機,主旋翼在做高速旋轉時,直升機的機身在旋翼力矩的作用下也會跟著一起轉起來,為了克服這個問題,單旋翼的常規佈局直升機必須在尾部安裝一個尾槳,尾槳以相反的方向旋轉,以抵消機身的旋轉力矩,從而保持平衡。不過這樣的設計,讓單主旋翼的常規佈局的直升機存在很多缺陷,一是尾槳需要額外耗費10%左右的發動機功率,二是尾梁和尾槳的存在,會導致直升機的機身過長,不利於起降和狹窄空間作業,尤其是艦載直升機。

共軸雙旋翼直升機就比較好解決上述問題,上下兩幅漿葉對轉,一個順時針旋轉,一個逆時針旋轉,直接抵消了旋翼的旋轉力矩。此外,共軸雙旋翼不需要考慮設計尾槳和尾梁,也沒有尾槳吃掉髮動機功率的問題,可以把所有功率都用於升力和推進。所以共軸雙旋翼直升機的機身可以做的很短,受側風影響更小,飛行比較平穩性,懸停性能更好,這對於無人直升機的飛行性能很重要。由於有著上下兩幅旋翼,共軸雙旋翼直升機的旋翼直徑也可以較小,總尺寸非常緊湊,特別適合陸上狹小空間和海軍上艦。

不過,卡莫夫系列共軸雙旋翼直升機也存在著一些明顯的缺點,例如機械結構複雜,造價很高。在劇烈機動時,上下旋翼的槳葉容易碰撞,存在打在一起的可能性,尤其對共軸雙旋翼武裝直升機來說,這是最大的缺陷,卡-50武裝直升機就發生過此類事故,1998年6月17日,一架卡-50直升機遭遇強烈的紊流,上下旋翼碰到了一起而墜毀。另外,共軸雙旋翼直升機的旋翼桅杆過高,飛行阻力較大。

為了解決上述問題,美國的波音公司和西科斯基公司在聯合研製S-97高速直升機概念機的時候,提出了共軸剛性旋翼的概念,利用共軸對轉旋翼的前行槳葉來突破常規直升機旋翼的速度限制,所以,上下槳葉的活動空間被大大壓縮,極大地縮小了兩副旋翼的間距。依靠尾部的推進螺旋槳來提供前飛的動力,完全不需要用主旋翼來提供前飛動力,也不需要不需要揮舞鉸,動力和傳動系統的機械結構非常簡單。而且極大的降低了高速飛行阻力。

在S-97高速概念機告一段落以後,波音公司和西科斯基公司用S-97概念機放大以後,研製了SB-1武裝直升機。在美國當地時間3月21日發佈了聯合公告,正式宣佈由兩家公司聯合研發製造的SB-1武裝直升機完成了首飛測試,這款頗具革命性的直升機將成為美軍的下一代通用直升機搭載平臺,替代現在正在美軍服役的UH-60黑鷹和AH-64阿帕奇。

SB-1 Defiant(挑釁)直升機,是一種裝備有剛性同軸雙旋翼的複合直升機,由兩臺T55霍尼韋爾發動機提供動力,設計的最高巡航速度高達460km/h,飛的可以說比行駛的高鐵還要快。與傳統直升機相比,反向旋轉同軸主旋翼和後置推進螺旋槳的SB-1最高時速便是他最大的賣點。


科羅廖夫


歷史小挖客想說的是,重要的事說三扁:剛性旋翼剛性旋翼剛性旋翼!這才是關鍵!

早期直升機,由於旋翼的材料強度和剛性不夠,高速旋轉時必須用到揮舞鉸和擺振鉸!不用有什麼後果呢?首先,高轉速時一邊槳葉往前,一邊槳葉往後,兩邊不平衡啊;其次,槳葉前行時會折斷啊!和前掠翼遇到的問題相似。槳葉在前行的時候,存在氣動彈性發散的問題。由於固定點也就是槳根在後,受力點也就是槳葉其它的部分在前,槳葉的彎曲會越來越大,直到折斷!

這個問題讓早期很多直升機都難以飛起來,後來出現了蹺蹺板、揮舞鉸這樣的結構,就很好地解決了問題。揮舞鉸就是可以讓槳葉在一定幅度內上下揮舞,滾轉力矩就不會傳到機身上。

但是,這樣解決問題是犧牲了效率的,升力的損失很大。而且,對於共軸雙槳直升機來說,隱患很大!上槳葉往下揮動、下槳葉往上揮動,上下槳葉就很可能碰到一起!尤其是做大機動的時候。卡-50就是這樣出的事!它是武裝直升機,要做複雜機動的!結果直接摔死了一個少將。

這裡要提到洛克希德,一家專注做戰鬥機的公司,最出名的當然是F-22、F-35、F-16。但它曾經參加過陸軍武裝直升機的投標,並且獲勝!獲勝的型號叫AH-56“夏延人”武裝直升機(上圖),這就是一款剛性旋翼的直升機。它的鈦合金槳轂的剛性旋翼(下圖)使得直升機旋翼的升力效率提高很多,飛行特性也很不一樣。這款“夏延人”非常驚豔:50多年前,它就比現在的直升機還要快上100多公里!能把現在的“阿帕奇”遠遠甩在後面。但“夏延人”對於之前提到的氣動彈性發散問題解決得不好,出現了惡性事故,後來沒有投產。

如今的S-97也採用共軸雙槳,但它也象“夏延人”一樣,採用了剛性旋翼結構,槳葉不會上下揮舞,因此就徹底杜絕了碰撞的可能!升力效率高,比卡莫夫那一票共軸直升機的阻力小得多。同時採用最新的結構與材料技術,解決了“夏延人”面臨的氣動彈性發散問題。它還是一款複合直升機:高速飛行時,普通直升機會低頭,靠頭上的旋翼往後產生前進推力;但S-97的前進推力來源於尾部的螺旋槳,它不用低頭,頭上的共軸雙槳實際上是像自轉旋翼機的旋翼一樣在工作,所以阻力很小,可以輕鬆超過400公里。

抱歉,講得可能難懂了一些,如果大家希望更深入瞭解,歡迎來評論區一起探討!


歷史小挖客


雖然都是共軸對轉旋翼,但是設計理念完全不同。

卡52的共軸對轉旋翼主要是利用對轉旋翼抵消旋翼轉矩,從而取消尾槳,從而縮短機身長度;另外也利用共軸對轉旋翼的高升力特性來提升懸停性能;卡52的操控思路跟常規直升機沒有什麼兩樣,所以依然需要揮舞鉸和擺振鉸來提供飛機前飛或者側飛、倒飛的動力以及維持直升機平衡以及機動能力。

S-97則完全不需要用主旋翼來提供前飛動力,它依靠尾部的推進螺旋槳來提供前飛的動力,所以不需要揮舞鉸;另外其機動飛行動力和平衡能力也可由其共軸對轉旋翼的差速以及變距等方法來提供,所以擺振鉸亦成為非必須品。S-97主要利用共軸對轉旋翼的前行槳葉概念(在高速飛行時只有前行槳葉不易失速)來突破常規直升機旋翼的速度限制,所以,在旋翼設計上貫徹了剛性旋翼的概念,槳葉上下活動的空間大大壓縮,可以極大地縮小兩副旋翼的間距,同時可以降低高速飛行的阻力。


憤然骷髏


普通直升機的推進力和升力都是由主旋翼提供的。因此主旋翼並不是簡單地在一個平面轉動,而是用複雜的鉸鏈體系產生“揮舞”效果,例如在前半周垂直於主軸轉動,只提供升力,而後半周旋翼與主軸呈現夾角,產生向後的分力,推動飛機前行。

普通的旋翼有一定彈性,在揮舞過程中受氣流影響,運動的範圍變化較大。因此做共軸雙槳機時,兩個旋翼之間必須有足夠的距離。在極端天氣或者意外的共振情況下,兩層旋翼可能相撞。

s97具有專門的推進螺旋槳,因此不需要通過旋翼的揮舞來提供推力。因此主旋翼取消了全部鉸鏈體系,並採用硬質槳葉,極大程度上避免了兩層旋翼碰撞的可能。




味冷


雖然都是共軸對轉旋翼,但是設計理念完全不同。

卡52的共軸對轉旋翼主要是利用對轉旋翼抵消旋翼轉矩,從而取消尾槳,從而縮短機身長度;另外也利用共軸對轉旋翼的高升力特性來提升懸停性能;卡52的操控思路跟常規直升機沒有什麼兩樣,所以依然需要揮舞鉸和擺振鉸來提供飛機前飛或者側飛、倒飛的動力以及維持直升機平衡以及機動能力。

S-97則完全不需要用主旋翼來提供前飛動力,它依靠尾部的推進螺旋槳來提供前飛的動力,所以不需要揮舞鉸;另外其機動飛行動力和平衡能力也可由其共軸對轉旋翼的差速以及變距等方法來提供,所以擺振鉸亦成為非必須品。S-97主要利用共軸對轉旋翼的前行槳葉概念(在高速飛行時只有前行槳葉不易失速)來突破常規直升機旋翼的速度限制,所以,在旋翼設計上貫徹了剛性旋翼的概念,槳葉上下活動的空間大大壓縮,可以極大地縮小兩副旋翼的間距,同時可以降低高速飛行的阻力,

S97採用了“差速器豎置共軸”。結構簡潔,堅實,易生產,易維修。




星輝650


簡單說,俄羅斯卡-52是中學生做中學的功課,美國S-97是大學教授做中學的功課,二者技術水平不在一個層次。


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