一架未来复合式直升机应该长什么样？面向实用设计的重新构想

为什么某种新构型的航行器可以从降生走向成熟？ （原创文章www.jj00.com）

是发现家的奇思妙想，照样设计师的灵机一动？其实，这些说白了都是外观现象，若是我们深入挖掘的话，很快就能发现：若是只是降生于某种天马行空的想象的话，一种新构型航行器是不太或者走向成熟的，那些真正声名赫赫的航行器，其降生往往是面向特定的、需求强烈的义务，当然，稀奇是军事义务。 （本文来自www.jj00.com）

△若是没有美国陆军的通用战术运输需求，就不会降生黑鹰 （自媒体www.jj00.com）

其余不说，就说在直升机范畴，无论是黑鹰、阿帕奇、支奴干照样鱼鹰倾转旋翼机，他们都是面向美国军方实实在在的义务需求而降生的。能够说，若是没有大量的义务需求，这些旋翼航行器绝对不会像现在这般名著四海。存眷直升机的读者同伙一定都知道美国陆军如今鼎力推进“将来垂直升力”规划，而这个规划今朝的子项目“将来长途突击直升机”和“将来冲击伺探直升机”的所有概念方案几乎都是“复合式直升机”。那么，“复合式直升机”究竟有没有走向成熟的机会，或许说，它究竟是应该面向什么样的义务而存在呢？它究竟会长什么样呢？

△若是没有中南半岛森林战火的浸礼，美国陆军也不会想起要打造一架阿帕奇

要想探寻这个问题的谜底，那么——请看正文。

如何评估一种构型的利害——谈谈复杂性因子

在西方（首要是美国）的复合式直升机研究方面，值得一提的几个要点首要就是：①美国在上世纪六十年月在方面取得的成就；②NASA和美国陆军面向义务机能进行的新构型直升机设计研究；③以及西科斯基公司的X2和空客直升机公司的X3等复合式直升机的成功。在这些弯曲进步的索求之路上，最惹人饮茶存眷的一个主要问题就是：若何在造出来之前，评估一种新构型航行器的利害？

△西科斯基的X2系列直升机可谓是从上世纪60年月存活下来的为数不多的复合式直升机构型

复杂的旋翼系统、主动倾斜器操作系统、反扭矩系统、传动系统和驱念头构的机械复杂性显著地降低了直升机这种航空器的靠得住性、可用性和可维护性，同时也在另一个层面上影响直升机执行义务的效率和功课的成本。到今朝为止，研究人员进行了相当多的研发工作，这些工作的目的恰是为了提拔直升机的机能并降低直升机的复杂性，事实上，我在之前文章里重点介绍过的无铰式旋翼和无轴承式旋翼的成长其正本的目的就是为了降低直升机旋翼系统的机械复杂性和零部件的数量。

△台甫鼎鼎的科曼奇隐身直升机就采用了无轴承式旋翼

而一项新手艺最终是否会被世界所接管还得取决于其成本/收益之间的均衡。就像在倾转旋翼机方面，其高速、长航程的义务收益抵消了该机在复杂度方面的提拔。美国直升机专家惠尔特曾具体介绍过V-22鱼鹰倾转旋翼机的这些衡量抉择，然则他也指出美国军方需要一支数量更为宏大的鱼鹰倾转旋翼机机队来抵消因为该机高维护需求导致的战备率不足。

△图为美国水师装备的最新版本的CMV-22B运输型鱼鹰倾转旋翼机

所以，在权衡将来的复合式直升机所带来的优点的时候，其复杂水平所带来的影响也是很有需要考虑在内的。在对于需要针对将来项目进行航行器选型的决议者来说是一个进退失据的境地：在不清楚若何确定一种航行器的复杂水平或者带来的影响的时候若何把复杂水平的影响考虑在内？（这句话听起来有点拗口，说白了就是——若何量化一架将来航行器的复杂水平以及确定这种复杂水平或者带来的影响。）

平日来说，当义务设计研究被用来评估处于竞争中的构型（也就是竞标构型方案）的时候，工程剖析——基于相对来说成熟且靠得住的数学物理模型方式——平日会被设计师用来决意义务机能因子、重量和燃油需求等。此外，全生命周期成本切实定会更难一些，然则相对合理的估算照样能够做出来的。与此形成光鲜对比的就是：对于复杂度的评估——尽量有或者评估出来——那也会是相当难题的。

△直升机因为存在大量的迁移部件，所以其复杂度自己就是相当高的，然则若何量化或许界说这种复杂度自己也是个难题

除了难以量化复杂度的影响之外，正如上文所言，还存在若何界说复杂度这个问题。一些或者可行的量化办法或者是如许的，好比说，零件数量、可动部件在空机重量中所占的比值（几许外形可变水平），或许（针对倾转旋翼机）则是驱念头构和倾转部件（旋翼、轴、传动系统和短舱）。

△关于航行器设计复杂度指标的一幅图，固然说评估航行器的复杂性并不轻易，但这在航行器构型选择阶段的确是相当主要的

按照上述逻辑，简洁地对各类航行器的复杂水平做了个评估，并初步量化成“复杂度指标”，做成了“复杂度指标”图，以此来区分分歧旋翼航行器构型的复杂水平。首先，简洁认为常规直升机的复杂水平为1.0；由此，固定翼飞机的复杂水平也许在0.6摆布，根基没有任何动部件的滑翔机其复杂水平就只有0.2。如许一来一架复合式直升机，配备有辅助机翼、推进装配、旋翼和反扭矩部件，其复杂水平就能达到1.2；倾转旋翼机，带有可动的短舱、驱念头构和倾转旋翼，复杂水平就该到1.5了。这些数值在素质上仍然是一种“假设”，然则在没法实现真正量化的复杂性范畴，照样可以实实在在示意出一些器材的。

△倾转旋翼机的构造示意图，其机械复杂水平照样要比通俗直升机高好多的

在军用直升机的方案竞标中，有一条底线就是——决议者们必需要尽或者更多地考虑竞争中的构型的所有主要参数，有些参数的影响很难被量化（就好比说这里强调的“复杂度”这一概念），但却毫不能无视。

常规直升机和倾转旋翼机之间的“义务断层”

△“义务断层”示意图，复合式直升机的机会源自于客户对于“中速航行义务”的需求

现役的旋翼航行器形成了南北极分化——从常规直升机到倾转旋翼机——这种分化天然而然就形成了一种“义务断层”（MissionGap）。这是什么意思呢？实际上就像上面这幅图中所描述的一般。有些客户（如美国陆军）非常强调垂直运输的效率、悬停和低速灵活性以及短程义务能力，由此催生了对低桨盘载荷的直升机的强烈需求；有些客户（如美国水师陆战队）则要求更高的航行速度和更大的航程来实现“远征”功课，由此他们选择了倾转旋翼机来应对如许的义务需求。

那么，若是“客户”既要求更高的航行速度和更大的航程，而且还要求不克牺牲低速功课能力的时候，问题就来了，是否有一个选项正优点在常规直升机和倾转旋翼机之间呢？显然，设计师们在打造直升机的时候，首先是面向低速功课能力优化的，而在打造倾转旋翼机的时候，首先则是面向高速功课能力优化的，是以，从主观上来说，若是说有一种航行器是面向“中速功课能力”进行优化设计的话，那一定就是复合式直升机了，也就是说，复合式直升机可以填补所谓的“义务断层”。

△图为AVX为美国陆军“结合多义务”项目打造的复合式直升机

鉴于美国陆军真的存在一系列所谓的“中速功课”义务，那么，我们就有来由认为，复合式直升机在这些义务中的示意将会远远跨越现有的倾转旋翼机。

最大化投资回报——复合式直升机偏向的研发机会好多

下面考虑一下投资进步旋翼手艺研究的一些选择以及若何最大化获得“投资的回报”，同时也商议一下哪种旋翼航行器构型最值得投入研究和成长。

①常规直升机：常规直升机仍然是低桨盘载荷垂直起降（VTOL）航行器中的国家栋梁。所以关于常规直升机旋翼在高速航行时候后背临的后行侧失速和前行侧跨音速压缩性问题始终都存在需乞降研究价格。然则对于常规直升机而言，这种理论限制根基上是弗成以超越的，所以说常规直升机的义务机能今朝已经根基走到头了，或许说处于某种不乱的均衡状况了，在将来想要有质的飞跃根基上是弗成能了。

△常规直升机在军民范畴都饰演着弗成或缺的脚色

②倾转旋翼机：面向“高速功课”义务而打造的倾转旋翼机的概念今朝合法当时。从理论研究来说，航空界对于倾转旋翼机手艺机理的认知越来越完美，总的来说，倾转旋翼机手艺今朝也没有什么未战胜的障碍了。就今朝来说，倾转旋翼机设计过程中固有的限制首要就是集中在桨盘载荷的拔取以及在旋翼悬停机能和巡航效率之间的折中取决上面。

△越来越多的倾转旋翼机方案正在被打造出来，图为卡瑞姆公司的转速优化倾转旋翼机概念设计

③复合式直升机：复合式直升机看起来是可行的，，然则其在高气动效率方面的潜力尚未获得充沛的验证。因为“复合式断代”的存在，数十年来，关于复合式直升机义务机能和要害手艺的“研究和成长”工作相当相当少。今朝最有进展的面向义务设计的研究工作需要以降低旋翼和桨毂阻力为根蒂，而跟着现代生产制造工艺手艺和优化设计手艺的提高，复合式直升机的成长显然会从中受益。

△图为贝尔公司为美国陆军打造的将来伺探直升机概念，也是复合式直升机的一种

综合考虑上述三种构型的旋翼航行器，显然复合式直升机的研究和成长工作有着更多的惹人饮茶瞩目的机会，而且也会有更多的“收益回报”。跟着对于复合式直升机研发的需求更加强烈，对这种构型的航行器就行投资显然也是振兴进步旋翼航行器研究工作的最主要的途径。

复合式直升机的将来——从新构想

好了，若是如今你已经承认复合式直升机算是填补上文所述的“义务断层”的最合适选项的话，那么在本文的结尾处就让我们来从新构想一下一架真正高效的将来复合式直升机会是怎么样的？

△构想中的复合式直升机，以及该当追求来获取最佳义务机能的手艺

上面这幅图正式展示了如许一种从新构想的将来复合式直升机。该机配备了辅助机翼，其展长与旋翼直升机相当，可以在巡航状况下承担大部门升力，从而使得旋翼拉力卸载，以此来最小化诱导阻力，从而提拔巡航效率。其桨叶平面外形、扭转和翼型分布都经由专门的设计来均衡最优化的悬停效率（品质因子；FigureofMerit）和最小化的前飞功率需求。在机身设计方面则要考虑废阻力最小化，而且还要采用新手艺来降低桨毂阻力。采用可变迎角的机翼来减小“悬停增重”效应，还要采用最优化的旋翼/机翼升力分布来最小化巡航阻力。

△可倾转90°的尾桨概念示意图

这种设计的额外优点就是能够选择性的拆除机翼来最大化低速航行义务的有效载荷。该机的尾部采用可倾转的辅助螺旋桨，以此来供应推进力和悬停反扭矩以及航向操作。全集成的进步航行掌握手艺对于供应最优化的气动机能以及供应操作、灵活性和迅速性在所有的航行状况，同时也能包管颤振按捺和构造载荷掌握。