下一代直升機需要關注什麼重點技術？
在下一代直升機（或者說旋翼飛行器——包括複合式直升機和傾轉旋翼機）的研製工作中，有兩項相當關鍵而且非常有可能成為瓶頸的技術值得關注，其中一項就是旋翼飛行器動力學問題，關於這個問題，我在近期的文章中多有介紹，感興趣的讀者朋友可以翻閱；另一項就是旋翼飛行器的氣動彈性力學，或者說氣動彈性穩定性的問題。
△項目在接近完成卻被撤銷的AH-56A夏延直升機
在此前的重點旋翼飛行器，比如美國“先進空中火力支援系統”項目下的AH-56A夏延武裝攻擊直升機，又比如美國海軍陸戰隊在役的MV-22魚鷹傾轉旋翼機，其發展過程中，都碰上了氣動彈性問題，區別就在於夏延複合式直升機沒能克服這一關鍵問題，導致最後該項目失敗；而魚鷹傾轉旋翼機的前身XV-15傾轉旋翼機就成功克服了這一關鍵問題，最後促成了魚鷹傾轉旋翼機的成功。
△貝爾公司的XV-15傾轉旋翼機，可謂是V-22魚鷹的前身
為了推進下一代旋翼飛行器的預先研究工作和促進相應的理論分析模型和試驗方法的完善，很有必要回顧一下在這方面面已經進行過的研究工作，從而以此為基底，發掘潛在的全新的研究機會。不得不承認的是，在這方面的研究，資料翔實、穩步推進的仍然要數美國陸軍飛行動力學理事會（AFDD）進行的一系列科研活動，所以本文將以AFDD的工作為脈絡主線，進行介紹。這裡也必須支出的是許多其他的機構也對該領域做出了不可或缺的貢獻，但是在本文中不會提及太多。
下面——請看正文。
AFDD的氣彈穩定性研究工作的動機和目的
1969年的時候，研究人員對於旋翼飛行器氣彈穩定性研究工作的動力主要源自於當時直升機界對於發展無鉸式和無軸承式旋翼的興趣，此外，當時最熱門的複合式直升機——AH-56A夏延武裝攻擊直升機——也在研製過程中碰上了複雜的技術挑戰，而這些難題本身也是源自於無鉸式旋翼的動力學和氣彈穩定性問題。與鉸接式旋翼相對來說較為簡單的氣動彈性穩定性問題不同，無鉸式旋翼在氣動彈性方面要來的複雜得多。而由於研究人員在這方面缺乏經驗和基礎認知，導致了無鉸式旋翼在發展過程中碰上了一系列問題，當然這也順勢促成了AFDD在上世紀七十年代早期對無鉸式旋翼的動力學和氣動彈性問題開始投入研究。
△AH-56A直升機採用了當時還是個新概念的剛性旋翼，也就是無鉸式旋翼，圖為洛克希德當時的剛性旋翼驗證機
AFDD的研究工作的目的有三個方面，分別就是：
①發展對於相關現象的基礎認知；
②發展理論和分析方法來預測無鉸式旋翼的氣動彈性和動力學特性；
③通過試驗來驗證這些方法。
這些目的當然也不是孤立的，而是相互關聯的，這種關聯性所產生的協同效應使得理論方法的發展能夠被耦合到試驗設計之中，並且模型方法方法和試驗測試之間的差異也被用來提升分析方法的性能。而旋翼飛行器本身的多層及複雜性也在向研究界呼籲發展一種簡化的方法來將這種整個的技術問題分解成一系列簡化的問題。
第一次探索——旋翼揮舞-擺振穩定性
對於無鉸式旋翼氣動彈性穩定性的首次探索限制在一副單獨旋翼之上，並且包含了一系列數值分析和試驗測試研究工作。
關於最早的揮舞-擺振研究動機包括夏延直升機的經驗以及一項當時正在進行的理論論戰。當時研究人員楊米認為無鉸式旋翼可能會經歷非線性的揮舞和擺振氣動彈性不穩定性問題，但是此前關於這問題並沒有被過多考慮。霍恩埃姆則和希頓等研究人員認為基本上解決了這個問題。然而，他們也指出研究工作中可能存在的一個小瑕疵——在模型線性化過程中存在一個錯誤——並且指出揮舞-擺振耦合可能會導致弱的揮舞-擺振不穩定性。
為此，研究人員設計了一個簡單的試驗來確認這個結果，並且所採用的擺振阻尼器的措施很清晰的顯示出來自於揮舞/擺振耦合的不穩定性——與沒有揮舞/擺振耦合的部分存在著顯著的差異。
然而，在高總距角的情況下，結果出人意料地偏離了線性化分析。槳葉失速效應的結果降低了槳葉揮舞運動的阻尼——歸因於揮舞和擺振自由度的耦合——產生了更強的揮舞-擺振不穩定性。研究人員進行了若干分析和試驗來解決這一現象，並且促成了一種線性化的翼型失速模型，這種模型非常適用於表徵“揮舞-擺振不穩定性”，其理論原理大概如下圖所示。
△AFDD的首次氣動彈性懸停試驗測量了揮舞-擺振阻尼隨著總距角的變化趨勢，並確認了早期的揮舞-擺振穩定性理論
再介紹另一項研究工作，這項獨立分析工作也被用來探索氣動彈性現象，為後續研究工作提供了基礎的理論認知和不同旋翼類型可能會導致的試驗結果的差異。
在上世紀六十年代內，面內柔軟和麵內剛硬的無鉸式旋翼孰優孰劣成為了一個備受爭論的主題。我在之前的文章中也介紹過，面內柔軟的旋翼被認為重量更輕，但是面內剛硬的旋翼雖然更重，但是更不容易發生地面共振和空中共振。在運動學上，鉸接式旋翼的變距-擺振耦合可能變得非常非常不穩定，研究人員發現面內剛硬的無鉸式旋翼在特定的設計參數狀態下其揮舞-擺振不穩定性會在一個較大的範圍內發生。就像下面這幅圖針對面內柔性和剛硬的旋翼變距-揮舞耦合參數進行了曲線繪製。從圖中可以看出，面內剛硬的旋翼對於結構耦合參數，R，展現出了大範圍的敏感性。
相反的，面內柔性的旋翼敏感性就小得多，並且揮舞-擺振不穩定性也相對來說更容易避免。這種之前在的面內剛硬無鉸式旋翼對氣動彈性現象的敏感性在那個時候的認知相當有限。毫無意外的是，AFDD的研究結果對於正在和夏延直升機在試飛中碰到的問題進行鬥爭的洛克希德工程師而言是相當有吸引力的。
△基礎研究促成了對於旋翼設計和評估的實際認知的一個例子
不可或缺——AFDD進行的試驗研究（1970-1990）
許多研究工作都是在生產型旋翼出現揮舞-擺振穩定性問題之後出現的。最後AFDD動力學和氣動彈性研究工作包含有無鉸式旋翼氣動彈性穩定性、非線性梁理論、無鉸式旋翼響應、Floquet理論、無軸承式旋翼和動態入流理論。這些研究工作的一部分正是有彼得和洪格思在第28屆和第34屆尼克爾斯基報告上的主題。試驗探索內容也在規模和複雜程度上不斷增加來驗證對應的複雜分析方法。模型的製作、試驗技巧、儀表裝置和數據分析都持續不斷地被改進。最終的目標就是確保最高品質的數據和最完成的可獲取的數據庫。
在這些研究工作中一部分試驗模型被展示在下面這張圖中，以此來展示這些研究的規模之廣。其中包括孤立旋翼（固定槳轂）附帶彈簧約束（柔性鉸鏈）剛性槳葉和扭轉柔性槳葉。旋翼彎曲和扭轉運動的各種彈性和動力學耦合效應被進行了研究，幾何參數，比如預錐角、下垂和扭轉頻率也被進行了參數化分析和研究。
△一組AFDD進行氣動彈性穩定性試驗的旋翼模型，從中可以窺見AFDD在20年間對這方面投入的巨大研究工作
研究人員進行了一系列試驗來探索這種旋轉系統槳葉運動之間的耦合效應，以及在固定（非旋轉）系統中的旋翼槳轂的運動。面面內柔性旋翼的地面和空中共振現象，關於地面和空中共振的非定常尾跡動態入流和氣動彈性耦合問題也被進行了研究。無軸承旋翼的模型被進行了試驗測試來評估AFDD新發展的數值分析方法。
關於前飛狀態下的相關研究被AFDD利用孤立旋翼搭配扭轉剛硬彈性槳葉在7英尺*10英尺的風洞中進行了測試，同時進行測試的還有先進的動力學模型（該模型採用帶有槳尖後掠的平直扭轉柔性槳葉）在全比例槳尖速度下進行了測試。
AFDD的試驗研究工作基於一種嚴格的方法，這種方法隨著時間的推移而發展，這對AFDD取得成功至關重要。美國直升機專家建議在今後的研發工作中，仍然採用這些基本的方法原則，而這些原則包括：
①設計模型來驗證分析方法。試驗模型都是為分析方法模型而量身定製的。如果分析方法中不包含具體的自由度或者幾何特徵，模型也都要按照這些規則來量身定做。這確保使其能夠滿足後續對比的兼容性。
②優先考慮測量數據的準確性。這意味著儘量最小化機械連接的可動性以及通過應用撓性件來取代球軸承和杆端軸承消除非線性摩擦。
③確保定義準確的物理參數。準確定義幾何特徵、重量和剛度等物理參數對於預估和測試數據之間的對比是非常關鍵的。模型需要按照實驗室的條件進行專門定製以便進行試驗測試。
④消除不必要的功能。對模型進行簡化來消除不必要的功能是非常重要的。換句話說，相比於複雜的模型，簡單的模型對於分析驗證而言顯然是更高效的。
⑤最後，在必要的時候進行重複試驗。探索未知並非是由“按照計劃驅動”的事項。試驗的硬件和技術需要不停改進來解決問題。不變的是，絕大部分試驗需要做兩次——第一次學習怎麼做，第二次將它做好。
氣動彈性穩定性技術——發展和衰落
從上世紀六十年代到九十年代，AFDD在氣彈穩定性分析和試驗方面的研究工作持續加速。這些研究的結果相當有效地拓寬了旋翼飛行器動力學和氣動彈性技術的基礎。在這段時間內，大量的，高質量的試驗測試數據庫也被積累起來，這對於旋翼飛行器飛行力學方面的理論方法的測試、調整和驗證起到了巨大的作用。
△氣動彈性研究主題以矩陣的形式展示出來，當然其中仍然有一些主題並未被提及
AFDD的試驗測試工作在上世紀九十年代初期達到了穩定期，發展節奏開始放緩，這是由多種原因促成的，其中包括研究權重的轉移、組織機構的調整、資源的需求以及試驗任務複雜性地上升。最後的結果就是這種未來旋翼飛行器的關鍵技術的相關的研究內容的活躍程度開始下降。
在上述矩陣圖標中，對這一情況進行了定性的展示，圖表按照旋翼飛行器技術問題的物理特點（局部或者整體）以及作業狀態（懸停或者前飛）進行了氣動彈性技術問題的分類。其中獨立的矩陣元素按照其完成程度高亮展示出了分析和試驗的主題。那些得到足夠的關注的技術主題，其顏色為綠色；那些被研究人員關注較少或者幾乎沒有關注的主題就是黃色或者紅色。許多相較於圖表中提到的內容更為簡單的主題在那段時期內也被廣泛探索果；更復雜和困難的技術主題相關的研究就比較少，不過這些複雜的問題往往對於未來的先進旋翼飛行器的研製工作更為重要。
從本文所展示的歷史脈絡可以看出，基礎的理論知識、分析工具和科研人員以及設計師的技能必須不斷地提升來適應未來的發展項目，從而確保能夠打造出性能強大、經濟實用、可靠性高的旋翼飛行器。因此，我們最後能得出的結論可以說是非常清晰的：對充滿挑戰的旋翼飛行器氣動彈性穩定性領域的研究工作不能無視、不能暫停，更不可或缺，為了在下一代旋翼飛行器的研製中佔據高地，就必須堅持在這方面投入足夠的努力。
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