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自轉旋翼、渦扇發動機、槳尖驅動,非同尋常的噴氣式直升飛機

Apr21

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自轉旋翼、渦扇發動機、槳尖驅動,非同尋常的噴氣式直升飛機

在直升機行業,如果不慎將「直升機」(Helicopter)一詞誤稱為「直升飛機」,那往往是要鬧笑話的,至少會被認為是「不專業」,因為從飛行器的本質定義上來說,直升機和飛機(Airplane)是兩種截然不同的飛行器,直升機一般是指以大尺寸旋翼為主要升力面和操縱面的垂直起降航空器,而飛機則一般指的是「固定翼飛機」。不過,凡事都有例外。
「GBA-DARPA Heliplane」就是一種獨特的「直升飛機」(Heliplane),作為一型概念驗證機,GBA-DARPA之所以能夠「明目張胆」自稱為直升飛機,主要還是因為它本身就兼具有直升機和固定翼飛機兩者的特點——既能夠實現垂直起降、懸停和低速機動,也能夠像固定翼飛機一樣高速巡航——該機的巡航速度能夠達到常規直升機的兩到三倍,甚至更高。
從該機的名字就可以看出,這是GBA(Groen Brothers Aviation)格羅恩兄弟航空公司DARPA美國國防先進研究項目局合作推進的項目,其中GBA公司是承包方,而DARPA自然就是金主,不過後來GBA公司因財政問題而重組為Skyworks Global公司,這架「直升飛機」名字也被改成「垂直起降噴氣飛機」(VertiJet)。從名字來看就可以發現,命名者開始弱化該機在直升機方面的特點,其中到底經歷了什麼?下面,請看正文。
從自轉旋翼機到垂直起降噴氣飛機——VertiJet進化之路
美國國防先進研究項目局(DARPA)一直都在尋求一種能夠達到與固定翼飛機性能相當的旋翼類飛行器。而格羅恩兄弟航空公司自從上世紀八十年代開始就一直致力於複合式自轉旋翼機的研究工作,這種複合式自轉旋翼機在保留自轉旋翼機的飛行特徵同時,結合了固定翼商務噴氣飛機的特點,在多個方面都和美國國防先進研究項目局的要求相契合。
話說回來,格羅恩兄弟航空公司加入美國國防先進研究項目局的「直升飛機」項目也存在一定的巧合,這個項目本來DARPA是希望由亞當斯飛機公司牽頭的,但是當時亞當斯飛機公司找不到合適的主旋翼系統供應商,最後他們找到格羅恩兄弟航空公司,希望能為他們打造主旋翼系統。格羅恩兄弟航空公司在接到邀請之後,向DARPA提交了一份備忘錄,詳述了打造這種新型「直升飛機」旋翼系統所存在的關鍵技術重難點。
DARPA對格羅恩航空公司在這方面的專業水平非常滿意,於是當該局準備啟動「直升飛機」(Heliplane)探索項目的時候,他們首先想到格羅恩兄弟航空公司。「直升飛機」項目初期規劃會分為四個階段來完成,總耗資大概在4000萬美元左右,參與項目的承包商主要有格羅恩兄弟航空公司、喬治亞理工學院、亞當斯飛機工業公司和威廉斯國際公司。其中格羅恩兄弟航空公司毫無意外地被選為第一階段的領路人,這一階段的工作為期15個月,總經費640萬美元。第1B階段則轉而由喬治亞理工學院管理,格羅恩兄弟航空公司則成為分包商。項目第二階段主要工作就是在NASA蘭利研究中心的高速風洞中進行縮比模型的風洞測試,然後還需要打造一個全尺寸的噴氣機原型。這一工程階段的經費預估則要高得多,大概在2400萬美元到2800萬美元之間。
△「直升飛機」項目的早期原型機概念
然而,項目的進展並沒有預想中那麼順利,到2008年,由於「直升飛機」始終存在無法解決的較高的噪音問題,美國國防先進研究項目局因此終止了對該項目的支持。
2012年,格羅恩兄弟航空公司陷入財政困境,徘徊在破產和倒閉的邊緣,在這種情況下,投資人史蒂夫·斯特凡諾維奇雪中送炭,救活了這家曾經輝煌過的航空公司,並在2017年4月24日,將重組後的公司命名為「Skyworks Global」(可譯為:斯卡沃克斯國際公司)。2019年7月份,斯卡沃克斯國際公司與諾斯羅普·格魯曼公司旗下的「縮尺複合體」(Scaled posites)公司合作,設計、製造並測試了第一架改進後的「直升飛機」原型機,該機被重新命名為「VertiJet」,其目標是在隨後的一年半到兩年內完成348節(也就是時速644公里)的巡航飛行和1850公里的航程飛行。
憑藉其出色的飛行速度和可觀的航程,該機能夠跟上美國海軍陸戰隊的現役的MV-22「魚鷹」傾轉旋翼機,從這個角度來說,該機的這些性能指標能夠滿足美國海軍陸戰隊在去年4月份披露的「魚鷹」傾轉旋翼機武裝護航飛行器的要求。當然,該機也能夠作為美國陸軍的未來遠程突擊飛行器(FLRAA;Future Long-Range Assault Aircraft)的一個備選項。按照斯卡沃克斯國際公司的說法,該機還有一個突出優勢就是成本低,一架搭載4~6名乘客的「VertiJet」飛行器,其造價可以控制在1000萬美元以內,這個數字無論是對於美國軍方還是商業航空運營商而言,都是極具吸引力的。
簡單高效、安全可靠——「直升飛機」的設計特點
總的來說,「直升飛機」和VeriJet可以說是同一種基礎型號飛行器的兩種衍生版本,前者的重點在於探索這種複合式構型飛行器的高速前飛潛能,而後者的側重點則在於向民用商務飛機市場推出這種極具特點的複合式自轉旋翼機。而從時間歷程上來說,VertiJet可以說是繼承了英國航空史上大名鼎鼎的複合式自轉旋翼機「羅托達因」(Rotodyne)和「直升飛機」項目的研究成果。
△英國航空史上頗具盛名的複合式自轉旋翼機「Rotodyne」項目隨著該國航空公司的合併和重組而告吹
VertiJet既有固定翼機翼,也有大尺寸的主旋翼系統。其旋翼系統既可以無動力自轉,從而在前飛過程中為該機提供升力;同時,也可以通過旋翼槳葉內置的小型噴氣發動機在短時間內驅動旋翼槳葉旋轉,從而實現與直升機類似的垂直起飛、懸停和垂直降落等功能。和「直升飛機」項目指標近似,VeriJet飛行器的最高時速預估在644公里左右,航程為1609公里,有效載荷454公斤,按照官方說明,該機可以搭乘一名飛行員和4到6名乘客。下面,我針對VertiJet的幾個關鍵系統進行解讀。
①自轉旋翼
自轉旋翼機(Autogyro/Gyroplane)一直都是格羅恩兄弟航空公司的強項,或者說,雖然他們家頂著個航空公司的名頭,但實際上該公司的主力產品本身就是自轉旋翼機。所謂「自轉旋翼機」,顧名思義,其主要升力面還是旋翼系統,和直升機的旋翼系統頗有幾分相似之處。但是與直升機不同的是,自轉旋翼機的旋翼系統不是通過主動力系統來驅動的,自轉旋翼機的主發動機只用來驅動其附帶的推進螺旋槳來為整個飛行器提供前飛推力,而旋翼系統是通過「迎風自轉」來為全機提供升力的。由於自轉旋翼機的旋翼系統在飛行中一直處於自轉狀態,所以相比直升機,自轉旋翼機本身的安全性能更高、結構更簡單而且更安靜。
格羅恩兄弟航空公司沒有止步於傳統的自轉旋翼機設計,他們在自轉旋翼機的旋翼槳葉尖端加裝了小型的噴氣發動機,通過這種噴氣發動機來驅動旋翼轉動,就能實現類似於直升機一樣的垂直起飛、懸停和降落。航空業界一般將這種飛行器稱為「Gyrodyne」,這個詞在中文中常常被翻譯為「旋翼式螺旋槳飛機」,足見其和常規自轉旋翼機的不同。
總的來說,配備自轉旋翼系統的旋翼機都會具有如下特點
②複合輔助機翼和推進裝置
從現有的配置信息來看,VertiJet飛行器採用的是兩台威廉姆斯國際公司的FJ44渦扇發動機來提供前飛推進力,不過根據斯卡沃克斯國際公司的介紹,該機還可以安裝混合動力驅動系統,不過考慮到該機的機械傳動系統本質上並不複雜,所以採用混合動力驅動系統的必要性似乎也並不大。
而在高速飛行的時候,該機兩側的機翼在能夠承擔絕大部分升力,從而實現旋翼拉力的卸載,旋翼拉力的卸載,就能使的自轉旋翼的轉速降低,並且使得槳盤平面的後倒角減小,前者降低了旋翼系統的型阻力,後者降低了旋翼系統的後向力,總的來說,這所能帶來的最大的好處就是可以降低旋翼系統的氣動阻力,從而提升了該機的前飛性能,使得這種飛行器的前飛速度得以最大化。
③機械結構的簡單性、可靠性
相比於直升機的驅轉旋翼系統,自轉旋翼系統消除了沉重、昂貴且複雜的一系列動力傳動部件,比如說減速器和傳動軸等部件,這當然也降低了飛行器的生產和維護成本。而如果自轉旋翼機的發動機在空中停車,那麼始終處於自轉狀態的主旋翼能夠確保自轉旋翼機進入平穩的自轉下滑狀態,從而實現安全著陸。
在自轉旋翼機的可靠性方面,斯卡沃克斯國際公司還是格羅恩兄弟航空公司的時候,就曾下過功夫研究。事實上,儘管理論上自轉旋翼機是一種比固定翼飛機和直升機安全係數都要高得多的航空器,但是在上世紀八十年代,美國運動型自轉旋翼機蓬勃發展的那段時期,該機的事故率還是相當高的,斯卡沃克斯公司的設計師認為其中很大一部分原因是當時許多自轉旋翼機「設計不當」。
該公司的設計師認為當時很多生產製造廠商僅僅只是會製造一種「看起來像是自轉旋翼機」的東西,而對這種航空器背後的原理卻知之甚少,也沒有花費精力和經費投入研究,其中有很多事故的研究結果都表明這些墜毀的自轉旋翼機其全機重心與主旋翼和推進螺旋槳拉力矢量之間的錯位。為此,格羅恩兄弟航空公司專門成立過一家名為「Sparrowhawk」的子公司來解決這些問題,最終他們打造了一種被稱為「放手自穩」的自轉旋翼機增穩系統,提升了自轉旋翼機的可靠性。
未來可期——VertiJet的項目展望
從某種角度來說,無論是航空從業人員還是飛行器運營商們,可能都需要停止把自轉旋翼機和直升機划上等號。誠然,直升機是一種具有獨特能力的優秀航空器,但是自轉旋翼機更像是一種「不需要跑道的飛機」(而不是懸停性能較差的直升機),它所能完成的任務相當廣泛,可以說是涵蓋了直升機任務領域和飛機任務領域的交集。
概括來說,VertiJet這種飛行器出現的目的是為了解決世界上三分之二的航空需求——現實情況就是目前世界上三分之二的地區沒有或者不具備建設基礎設施的能力,同時這些地區也缺乏接受良好教育或者訓練的地勤人員——VertiJet就是為此而生。該機不像固定翼飛機一樣需要規模龐大的機場和建設良好的跑道,同時也不像直升機那樣需要複雜又精細的維護工作。Vertiet這一類飛行器的出現,本質上不會和固定翼飛機或者直升機形成水火不容的競爭關係,更準確來說應該是這種飛行器的出現,補足了固定翼飛機和直升機之間的任務缺口。
從這個層面來說,VeritJet這種飛行器所能帶來的好處是顯而易見的——成本低廉的商務航空服務——它不需要規模龐大的機場航站、也不需要花費大量人力物力打造基礎設施,而且其本身的操縱飛行培訓和維護修理難度也處於較低的水平,加上該機出色的安全性,如果說,斯卡沃克斯國際公司能夠在電傳操縱飛行控制系統和該機的垂直起降性能以及噪音水平方面持續優化的話,那麼其前景還是相當光明的。

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