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美国陆军的“F-35”

雪鸮

美国陆军即将迎来多种直升机退役高峰,研制下一代型号成为美国陆航装备部门的首要问题。受到美国空军、海军、海军陆战队联合研制成功F-35的鼓舞,美国陆军也考虑将下一代武装直升机、通用直升机、侦察直升机,甚至战术运输机合为一体,共用布局相同的飞行平台。这被称为“未来垂直起降飞机”以下简称(FVL)计划。如果该计划得以成功,那么这一系列的新型旋翼飞机将“一统美军”。而这也意味着,竞标失败者可能就此被排除在该领域之外。因此,贝尔/洛马团队(V-280验证机)和西科斯基/波音团队(SB-1验证机)使出了浑身解数,试图独占美国军用直升机的未来市场。

JMR计划

美国陆军于2009年提出了“联合多用途”以下简称(JMR)直升机计划,可以看做是FVL项目的初始步骤。该计划旨在使用五种(原为三种,后增加到五种)旋翼飞机替换当时北约体系中的25种各类型直升机和螺旋桨战术运输机。它的特点也是难点在于,为了简化直升机队的后勤保障,要采用相似的气动布局并且尽可能共用零件。

除去轻型、中轻型、中型和重型各自替换相对应量级的直升机之外,其中最具野心的莫过于JMR计划中的“JMR-Ultra”飞机,美国计划用它来替换洛克希德·马丁C-130J和空客A-400M运输机。如果该型飞机成功研发,美军就可以极大地减少修筑战地机场跑道的工作量,同时让美国陆军进一步实现“飞行化陆军”的构想。

攻克F-35垂直起降型的技术难关对整个F-35项目的选型起到了决定性的作用。而“JMR-超级”级别的旋翼飞机在JMR/FVL项目中也可能扮演类似角色。战术运输机的航程、载荷和使用经济性很难用传统意义上的直升机实现,但是“JMR-超级”不但要求具备直升机的垂直起降能力。还要具备不低的巡航速度(约118米/秒),这意味着研发者必须采用新的飞行原理,使直升机不单单依靠旋翼产生的升力留在空中,需要混合一些常规飞机的设计元素。正是这一特殊要求使美国直升机巨头们加速和完善新布局的探索。

贝尔/洛克希德V-280

作为世界驰名的直升机研发公司,贝尔公司在六十年代时就开始探索倾转旋翼布局,并且在八十年代赢得了美国空军和海军陆战队的竞标,设计制造了世界上第一款倾转旋翼机V-22“鱼鹰”,在倾转旋翼布局的研发上可谓积淀深厚。

相比于常规的直升机来说,倾转旋翼机有着天然的优势。在垂直起降中,飞机的升力主要来自旋翼,这时的飞机就如同一种双旋翼的直升机。而在巡航过程中,飞机的升力主要来自上下表面的升力作用。两台巨大的旋翼则产生向前的推动力,使得其速度毫不逊色于常规布局螺旋桨飞机。这种旋翼两用的模式保证了飞机同时具备直升机和普通螺旋桨飞机的特征,并且不需要增设其它螺旋桨。两台旋转装置带动了两个旋翼控制角度完成模式的切换,减少了结构死重。

在V-22“鱼鹰”成功赢得了美国空军和海军陆战队的合同后,贝尔公司继续加强了对这种布局的探索,其中包括竞标美军下一代大型运输机的四发倾转旋翼机V-44以及针对JMR/ FVL项目的双发V-280验证机。即使贝尔公司只成功造出了这两款倾转旋翼机的验证机,也可以极大地巩固它在这个领域技术优势。

对于贝尔/洛克希德团队来说,当务之急是更全面地探索倾转旋翼布局的气动性能。“鱼鹰”服役后,它的事故问题广受关注,2017年就已经坠毁了至少三架。事故高发点在“鱼鹰”的旋翼从垂直于机身旋转到平行于机身之间。这一过程中旋翼带动的气流比较混乱,操作失误将很容易发生事故。工程师在设计新型V-280验证机时将尾翼改成了无人机常用的“V”型,目的是增加飞机的稳定性。

除此以外,V-280驗证机代表的倾转旋翼布局还面临着一个问题。它的机翼部分较长,达到了传统飞机的标准。但机翼里还有较大体积的传动装置,让它的横向结构相对脆弱,两台发动机外部并无机翼延伸也让它的飞行稳定性远低于一般的双发螺旋桨飞机。一旦一台发动机失效几乎就意味着坠毁。这种飞机的体积较大,即使在美国军舰上,能够部分折叠的V-22“鱼鹰”也占用了相当大的空间,如果在战斗一线飞行,庞大的体积和脆弱的机翼结构将让它成为理想的靶子。因此,倾转旋翼机存在一些难以解决的原理性问题,是否适合用作替换侦察直升机、武装直升机等对隐蔽性和机动性要求较高的直升机仍然有待商榷。

西科斯基/波音SB-1

“我们不会让SB-1成为第二个'科曼奇!”西科斯基/波音团队的这一番言论,展示了它们对两家合作的新概念验证机SB-1充满了信心。与时至如今仍然存在原理问题的V-280倾转旋翼机不同,SB-1验证机则进行了有限的创新。它使用了近年来较为流行的一种高速直升机构型,更像是一款传统的直升机。endprint

西科斯基/波音团队有着与对手不同的独特见解,认为新型直升机应当首先注重作为“直升机”的属性。而直升机的特点在于良好的低空低速性能以及固定翼飞机所做不到的悬停能力,这能赋予飞行器真正的战斗力。为了达到较好的低空稳定性,SB-1采用了类似于俄罗斯卡-50、卡-52的同轴双旋翼布局,以避免旋翼结构在物理原理上的一种硬伤。

在单旋翼的直升机上,旋翼在旋转的同时不仅仅只产生向上的巨大升力,还会产生一个较小的切向力矩(由于旋翼本身拥有质量),假设单旋翼直升机在后方不设置调姿旋翼,那么直升机机体在上升同时也会旋转。这一效应的存在使得单旋翼直升机必须在机尾设置调姿旋翼,由此带来的动力消耗、传动结构重量和重心位置变化会对直升机性能产生不小的影响。

为了消除这一效应的负作用,美国西科斯基/波音团队采用了同轴双旋翼布局:使用一副主齿轮同时传动上下旋翼的两根主轴,这样上下旋翼的旋转速度相同,但方向相反,因此产生的力矩抵消,升力却不受影响。这能够完全取消调姿旋翼及其传动装置,同时也使直升机在低空的稳定性大大提高。对于战斗在第一线的各类直升机来说,这无疑是十分重要的。而西科斯基/波音团队为了达到美军要求的更高速度,在原本调姿旋翼处安装了一台推进螺旋桨,也让它的性能向螺旋桨飞机靠拢。

当然,同轴双旋翼直升机并非完全没有缺陷,尽管其低空稳定性极佳,但卡-50、卡-52在做较大机动动作时就曾经发生过数次两组旋翼“打架”的事故,均产生了严重后果。这也是俄罗斯陆军一直不愿意大规模列装卡莫夫直升机的原因。从想象图上来看,SB-1采用了更粗大牢固的旋翼传动装置,应当是为了避免旋翼变形碰撞。但是,由于气动外形并无本质改变,SB-1的推进效率无法跳出直升机的极限,同轴双旋翼直升机的速度和航程也有较大局限。

未来军用直升机将走向实用化、通用化

美国陆军为了减少FVL项目的研发风险,在各方面都做了相当大的准备,还咨询了为F-35项目提供支持的兰德智库,希望能够借鉴经验,避免F-35那种经费大幅超预算和進度拖延的可能。而美国陆军主管该项目的官员丹·贝利也表示,美国陆军为该项目准备了“极其充足”的资金预算,反映了美国陆军对这个“世纪直升机”项目的重视。随着研发单位基本确立了气动布局和主要指标,技术方面的探索也大都完成,新型涡轴发动机的研发已经提前开始,这场“直升机大战”也即将进入高潮——SB-1和V-280将在2018年进入“技术发展阶段”,2023年进入“Y”阶段,也就是由军方出资建造的原型机竞标环节。

然而,事情真的会像美军一开始所要求的那样,由一款布局的机型“一统江山”吗?那样所造成的结果是赢家走向垄断,输家退出军用直升机市场,对于后续发展极为不利。F-35项目所造成的后果就是很好的例子:“三军通用”的需求或多或少掣肘了空军和海军型号的性能,同时也让洛马公司在美国战机研发领域缺乏竞争对手。

从技术角度来说,这两款机型各有各的优势,侧重点有很大不同。例如在远距离快速运输上,无疑是航程、速度俱佳的倾转旋翼布局V-280更具优势;真正在战场第一线的侦察、打击、火力支援中,同轴双旋翼布局的可靠性和隐蔽性无疑更值得信赖。

笔者个人认为,号称“统一”的FVL计划有很大可能被拆成两个部分,两个布局、两个设计研发团队都会得到各自的机会。值得注意的是,洛马公司将成为FVL项目中的赢家,其在2015年刚刚收购了西科斯基公司。

米-35武装直升机具备一定通用化的设计思想

此前,苏/俄研制的米-24/35武装直升机也引入了一定的通用化思想。它们既装备强大的火力,同时也拥有8人运兵舱。美军的FVL项目可以说拓展了这种通用的思维。

过去,一些国家缺乏专用武装直升机而使用通用直升机安装武器,常常被视为落后的表现。美国则研发了大量专用型号,成为别国陆军的追赶对象。美军的做法造成了一定程度的经济负担,一味追求专业性的想法也许是错误的——一架直升机可以是武装直升机,也可以是运输直升机、侦察直升机。实际上,主流军用直升机在一些性能上并无太大差别。因此,美国陆军才计划研发五款机型替代所有现役旋翼飞机,再根据具体的任务来安装不同的模块。诸如之前RAH-66“科曼奇”这类执行单一任务的高性能直升机可能将再也不会出现。而美军未来直升机则更注重于火力掩护、运输这两类在实战中最普遍的任务,希望每一架直升机都能完成这两项任务。

无论哪个团队赢得了最终的竞标,都会使美国的直升机工业再上一个台阶,都会给美国直升机工业带来新的技术红利。endprint


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