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“垂直起降,喷气飞行”——美国航空界高速垂直起降飞机研究(上)

中国历史2年前 (2023-04-30)670

高速垂直起降飞机概念(HSVTOL)最初起源于越南战争时期美军对更具生存能力的空中平台的现实需求,该平台可以取代传统慢速直升机执行美国空军的搜救任务,可以高速飞入敌方人员活动的地区,在密林空间着陆或者悬停,迅速营救被击落跳伞的空军飞行员。美国陆军对此概念也产生了浓厚兴趣,认为这种创新型飞机可以取代传统直升机执行高难度特种作战任务。

要想将垂直升力与高速飞行这两个特征有机结合,首当其冲的技术难点是垂直起降与巡航飞行之间的过度,更具体地说,当旋翼叶片不被使用时应该如何收纳它们?在早期,HSVTOL概念的设计者给出两种方案,之一种是把旋翼桨叶向后折叠以减小其空气动力学轮廓,拖在飞机后面,第二种是以其他方式存放在机身或者发动机短舱内。到1970年代,贝尔公司展示了一个全尺寸地面演示器,具有26英尺直径的旋翼桨叶,在高速飞行时叶片可以整齐地折叠并围绕机舱固定。该演示器探索了旋翼桨叶在垂直起降和高速水平飞行之间的过渡中的动作,包括如何停止旋翼,以及在旋翼折叠收起时如何避免震动。

最终,贝尔公司证明了桨叶折叠问题可以通过气流方式解决,并且可以在不引起整体系统震动的情况下正常作业。1972年,贝尔公司的演示器在加利福尼亚州NASA研究中心进行风洞测试,该演示器在150到175节的空速下展示了30到40次折叠和展开循环作业。

大约在同一时间,美国空军再次探寻未来战斗机组救援飞机(CARA)的可行性,进一步推动了贝尔公司和其他航空企业在高速垂直起降领域的努力。空军救援专家也在关注一种HH-53救援直升机的改进设计,更低巡航速度为400节,配备电子对抗套件和地形跟踪/回避雷达,但是该设计坚持使用更传统的旋翼机解决方案,而越南战争的结束意味着飞行员救援任务的紧迫性消失了,CARA项目也就被搁置了。

尽管如此,技术探索仍在继续深化,重点是如何为需要两种不同推进形式的飞机提供更佳的动力系统:用于高速飞行的喷气发动机合用于垂直起降的涡桨发动机。一种可转换发动机概念产生了,这种发动机可以在涡桨和涡扇两种模式之间自由切换,无需单独设置两种发动机。

1984年,通用电气公司推出了TF34涡扇发动机(用于A-10对地攻击机和海军S-3反潜舰载战机)的可转换式改进型号,这是一项大胆的技术创新,但严峻的现实是这种可转换发动机的可靠性很差,其结构非常复杂,技术难度太高。贝尔公司的想法是坚持在初期使用独立的巡航和起降发动机,同时慢慢研究可转换发动机技术,待可转换发动机技术足够成熟再研制终极产品。还值得注意的是,随着针对伊朗的鹰爪军事行动惨败,美国军方尤其是特种部队将重点重新放在高速垂直起降飞机上,并希望这种新概念飞机能取代相对更笨拙的传统直升机。

1980年代曾出现过舰载折叠旋翼HSVTOL概念,可以携带鱼叉反舰导弹和响尾蛇红外空空导弹承担一部分固定翼战斗机的作战任务,其喷气式发动机吊舱位于机翼下方,可以在美国海军的大型舰艇甲板上起降。

贝尔公司还为陆军轻型直升机实验计划(LHX)推出了一种新颖的方案,该方案的特点与HSVTOL非常相似,在翼尖安装垂直起降发动机舱,桨叶可以收束折叠于发动机舱内,在机鼻处装有小翼,采用双V字型垂尾,整体气动布局看起来很强调空战敏捷性,可以携带空空导弹和类似AGM-65“小牛”的空地导弹。

到1990年代,鱼鹰作为之一款实用的军用倾转旋翼飞机进入了飞行测试阶段,但美国飞机制造商仍然无法制造能够实现真正喷气式飞机速度的功能性HSVTOL型号。尽管进度如此缓慢,但是在随后的十年里,美国航空界的研究和开发计划扔在持续。在2008年NASA发起了一项“垂直起降试验性飞机”(VTOLX—plane)研究计划,由极光科学飞行公司研制的XV-24LightningStrike“雷击”引人注目,这是一种新颖的倾转机翼无人缩比验证机,XV-24A项目采用电力分布式推进系统,由一台罗尔斯.罗伊斯公司的AE1107C涡轴发动机驱动3台霍尼韦尔发电机来提供动力,机翼和鸭翼内的电动机带动24台可变浆距涵道风扇,以此为飞机悬停和巡航提供推力,能以550-740千米/小时的速度持续飞行,悬停效率比现有的直升机高15%。前尺寸的X-24A翼展18.5米,全重5450千克,尽管该项目最终被取消,但它再次证明了美国航空界对HSVTOL从未失去信心。

当然,所有这些努力都没有产生任何HSVTOL生产型号在20世纪投入使用,主要技术问题有以下几点:

垂直升降系统本身是高度复杂的机械系统,这种超越传统倾转旋翼的设计是不现实的,传统的倾转旋翼设计本身已经有足够的技术难度。毕竟,在最初的HSVTOL研究中,实验型的XV-15倾转旋翼飞机甚至还没有开始试飞,这些试飞是从1977年开始的。美国海军陆战队的V-22鱼鹰旋翼机直到1990年代才开始形成初始作战能力,要想让HSVTOL形成作战能力只会更慢。

HSVTOL所需的数字式发动机控制技术发展缓慢,最早直到1980年代才被固定翼飞机广泛采用,要将此技术应用于HSVTOL的困难更多。

巡航与起降模式之间的转换需要用到电传操纵控制技术,这是另一种在设计早期HSVTOL概念时还处于起步阶段的技术。

也是出于上述三个原因,倾转旋翼飞机在1970年代到1980年代并不能进入军队服役,更不用说性能要求更高,机械结构和飞控技术更复杂的HSVTOL设计了。

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