為什麼某種新構型的飛行器能夠從誕生走向成熟？
是發明家的奇思妙想，還是設計師的靈機一動？其實，這些說白了都是表面現象，如果我們深入挖掘的話，很快就能發現：如果只是誕生於某種天馬行空的想象的話，一種新構型飛行器是不太可能走向成熟的，那些真正聲名赫赫的飛行器，其誕生往往是面向特定的、需求強烈的任務，當然，特別是軍事任務。
△如果沒有美國陸軍的通用戰術運輸需求，就不會誕生黑鷹
別的不說，就說在直升機領域，無論是黑鷹、阿帕奇、支奴幹還是魚鷹傾轉旋翼機，他們都是面向美國軍方實實在在的任務需求而誕生的。可以說，如果沒有大量的任務需求，這些旋翼飛行器絕對不會像如今這般名著四海。關注直升機的讀者朋友肯定都知道美國陸軍現在大力推進“未來垂直升力”計劃，而這個計劃目前的子項目“未來遠程突擊直升機”和“未來攻擊偵察直升機”的所有概念方案几乎都是“複合式直升機”。那麼，“複合式直升機”到底有沒有走向成熟的機會，或者說，它到底是應該面向什麼樣的任務而存在呢？它到底會長什麼樣呢？
△如果沒有中南半島叢林戰火的洗禮，美國陸軍也不會想起要打造一架阿帕奇
要想探尋這個問題的答案，那麼——請看正文。
怎樣評估一種構型的好壞——談談複雜性因子
在西方（主要是美國）的複合式直升機研究方面，值得一提的幾個要點主要就是：①美國在上世紀六十年代在方面取得的成就；②NASA和美國陸軍面向任務性能進行的新構型直升機設計研究；③以及西科斯基公司的X2和空客直升機公司的X3等複合式直升機的成功。在這些曲折前進的探索之路上，最引人關注的一個重要問題就是：如何在造出來之前，評估一種新構型飛行器的好壞？
△西科斯基的X2系列直升機可謂是從上世紀60年代存活下來的為數不多的複合式直升機構型
複雜的旋翼系統、自動傾斜器操縱系統、反扭矩系統、傳動系統和驅動機構的機械複雜性顯著地降低了直升機這種航空器的可靠性、可用性和可維護性，同時也在另一個層面上影響直升機執行任務的效率和作業的成本。到目前為止，研究人員進行了相當多的研發工作，這些工作的目的正是為了提升直升機的性能並降低直升機的複雜性，事實上，我在之前文章裡重點介紹過的無鉸式旋翼和無軸承式旋翼的發展其本來的目的就是為了降低直升機旋翼系統的機械複雜性和零部件的數量。
△大名鼎鼎的科曼奇隱身直升機就採用了無軸承式旋翼
而一項新技術最終是否會被世界所接受還得取決於其成本/收益之間的平衡。就像在傾轉旋翼機方面，其高速、長航程的任務收益抵消了該機在複雜度方面的提升。美國直升機專家惠爾特曾詳細介紹過V-22魚鷹傾轉旋翼機的這些權衡抉擇，但是他也指出美國軍方需要一支數量更為龐大的魚鷹傾轉旋翼機機隊來抵消由於該機高維護需求導致的戰備率不足。
△圖為美國海軍裝備的最新版本的CMV-22B運輸型魚鷹傾轉旋翼機
所以，在衡量未來的複合式直升機所帶來的好處的時候，其複雜程度所帶來的影響也是很有必要考慮在內的。在對於需要針對未來項目進行飛行器選型的決策者來說是一個進退兩難的境地：在不清楚如何確定一種飛行器的複雜程度可能帶來的影響的時候如何把複雜程度的影響考慮在內？（這句話聽起來有點拗口，說白了就是——如何量化一架未來飛行器的複雜程度以及確定這種複雜程度可能帶來的影響。）
通常來說，當任務設計研究被用來評估處於競爭中的構型（也就是競標構型方案）的時候，工程分析——基於相對來說成熟且可靠的數學物理模型方法——通常會被設計師用來決定任務性能因子、重量和燃油需求等。此外，全生命週期成本的確定會更難一些，但是相對合理的估算還是可以做出來的。與此形成鮮明對比的就是：對於複雜度的評估——即便有可能評估出來——那也會是相當困難的。
△直升機由於存在大量的轉動部件，所以其複雜度本身就是相當高的，但是如何量化或者定義這種複雜度本身也是個難題
除了難以量化複雜度的影響之外，正如上文所言，還存在如何定義複雜度這個問題。一些可能可行的量化措施可能是這樣的，比如說，零件數量、可動部件在空機重量中所佔的比值（幾何形狀可變程度），或者（針對傾轉旋翼機）則是驅動機構和傾轉部件（旋翼、軸、傳動系統和短艙）。
△關於飛行器設計複雜度指標的一幅圖，雖然說評估飛行器的複雜性並不容易，但這在飛行器構型選擇階段確實是相當重要的
按照上述邏輯，簡單地對各種飛行器的複雜程度做了個評估，並初步量化成“複雜度指標”，做成了“複雜度指標”圖，以此來區分不同旋翼飛行器構型的複雜程度。首先，簡單認為常規直升機的複雜程度為1.0；由此，固定翼飛機的複雜程度大概在0.6左右，基本沒有任何動部件的滑翔機其複雜程度就只有0.2。這樣一來一架複合式直升機，配備有輔助機翼、推進裝置、旋翼和反扭矩部件，其複雜程度就能達到1.2；傾轉旋翼機，帶有可動的短艙、驅動機構和傾轉旋翼，複雜程度就該到1.5了。這些數值在本質上仍然是一種“假設”，但是在沒法實現真正量化的複雜性領域，還是能夠實實在在表現出一些東西的。
△傾轉旋翼機的結構示意圖，其機械複雜程度還是要比普通直升機高很多的
在軍用直升機的方案競標中，有一條底線就是——決策者們必須要儘可能更多地考慮競爭中的構型的所有重要參數，有些參數的影響很難被量化（就比如說這裡強調的“複雜度”這一概念），但卻絕不能無視。
常規直升機和傾轉旋翼機之間的“任務斷層”
△“任務斷層”示意圖，複合式直升機的機會源自於客戶對於“中速飛行任務”的需求
現役的旋翼飛行器形成了兩極分化——從常規直升機到傾轉旋翼機——這種分化自然而然就形成了一種“任務斷層”（Mission Gap）。這是什麼意思呢？實際上就像上面這幅圖中所描述的一樣。有些客戶（如美國陸軍）非常強調垂直運輸的效率、懸停和低速機動性以及短程任務能力，由此催生了對低槳盤載荷的直升機的強烈需求；有些客戶（如美國海軍陸戰隊）則要求更高的飛行速度和更大的航程來實現“遠征”作業，由此他們選擇了傾轉旋翼機來應對這樣的任務需求。
那麼，如果“客戶”既要求更高的飛行速度和更大的航程，並且還要求不能犧牲低速作業能力的時候，問題就來了，是否有一個選項正好處在常規直升機和傾轉旋翼機之間呢？顯然，設計師們在打造直升機的時候，首先是面向低速作業能力優化的，而在打造傾轉旋翼機的時候，首先則是面向高速作業能力優化的，因此，從主觀上來說，如果說有一種飛行器是面向“中速作業能力”進行優化設計的話，那肯定就是複合式直升機了，也就是說，複合式直升機能夠填補所謂的“任務斷層”。
△圖為AVX為美國陸軍“聯合多任務”項目打造的複合式直升機
鑑於美國陸軍真的存在一系列所謂的“中速作業”任務，那麼，我們就有理由認為，複合式直升機在這些任務中的表現將會遠遠超過現有的傾轉旋翼機。
最大化投資回報——複合式直升機方向的研發機會很多
下面考慮一下投資先進旋翼技術研究的一些選擇以及如何最大化獲得“投資的回報”，同時也討論一下哪種旋翼飛行器構型最值得投入研究和發展。
①常規直升機：常規直升機仍然是低槳盤載荷垂直起降（VTOL）飛行器中的中流砥柱。所以關於常規直升機旋翼在高速飛行時候後面臨的後行側失速和前行側跨音速壓縮性問題始終都存在需求和研究價值。但是對於常規直升機而言，這種理論限制基本上是不可以逾越的，所以說常規直升機的任務性能目前已經基本走到頭了，或者說處於某種穩定的平衡狀態了，在未來想要有質的飛躍基本上是不可能了。
△常規直升機在軍民領域都扮演著不可或缺的角色
②傾轉旋翼機：面向“高速作業”任務而打造的傾轉旋翼機的概念目前正當其時。從理論研究來說，航空界對於傾轉旋翼機技術機理的認知越來越完善，總的來說，傾轉旋翼機技術目前也沒有什麼未克服的障礙了。就目前來說，傾轉旋翼機設計過程中固有的限制主要就是集中在槳盤載荷的選取以及在旋翼懸停性能和巡航效率之間的折中取決上面。
△越來越多的傾轉旋翼機方案正在被打造出來，圖為卡瑞姆公司的轉速優化傾轉旋翼機概念設計
③複合式直升機：複合式直升機看起來是可行的，但是其在高氣動效率方面的潛力尚未得到足夠的驗證。由於“複合式斷代”的存在，數十年來，關於複合式直升機任務性能和關鍵技術的“研究和發展”工作相當相當少。目前最有希望的面向任務設計的研究工作需要以降低旋翼和槳轂阻力為基礎，而隨著現代生產製造工藝技術和優化設計技術的進步，複合式直升機的發展顯然會從中受益。
△圖為貝爾公司為美國陸軍打造的未來偵察直升機概念，也是複合式直升機的一種
綜合考慮上述三種構型的旋翼飛行器，顯然複合式直升機的研究和發展工作有著更多的引人矚目的機會，並且也會有更多的“收益回報”。隨著對於複合式直升機研發的需求越發強烈，對這種構型的飛行器就行投資顯然也是振興先進旋翼飛行器研究工作的最重要的途徑。
複合式直升機的未來——重新構想
好了，如果現在你已經認可複合式直升機算是填補上文所述的“任務斷層”的最合適選項的話，那麼在本文的結尾處就讓我們來重新構想一下一架真正高效的未來複合式直升機會是怎麼樣的？
△構想中的複合式直升機，以及應當追求來獲取最佳任務性能的技術
上面這幅圖正式展示了這樣一種重新構想的未來複合式直升機。該機配備了輔助機翼，其展長與旋翼直升機相當，能夠在巡航狀態下承擔大部分升力，從而使得旋翼拉力卸載，以此來最小化誘導阻力，從而提升巡航效率。其槳葉平面形狀、扭轉和翼型分佈都經過專門的設計來平衡最優化的懸停效率（品質因子；Figure of Merit）和最小化的前飛功率需求。在機身設計方面則要考慮廢阻力最小化，並且還要採用新技術來降低槳轂阻力。採用可變迎角的機翼來減小“懸停增重”效應，還要採用最優化的旋翼/機翼升力分佈來最小化巡航阻力。
△可傾轉90°的尾槳概念示意圖
這種設計的額外好處就是可以選擇性的拆除機翼來最大化低速飛行任務的有效載荷。該機的尾部採用可傾轉的輔助螺旋槳，以此來提供推進力和懸停反扭矩以及航向操縱。全集成的先進飛行控制技術對於提供最優化的氣動性能以及提供操縱、機動性和敏捷性在所有的飛行狀態，同時也能保證顫振抑制和結構載荷控制。
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