破除“速度魔咒”

西科斯基公司网站2014年10月2日发布了S-97“侵袭者”高速直升机原型机。该公司作为世界级的顶尖直升机制造商，发布这款全新旋翼机意味着直升机家族新一轮的更新换代已经开始了，外界对S-97的评价是具备“颠覆性”的气动设计，采用了与众不同的共轴反转刚性旋翼作为主要的升力来源，尾部安装了螺旋桨推进装置，机身修长，这样的气动增强了直升机的机动性和灵活性。西科斯基公司认为S-97项目将作为未来高速直升机的雏形，也引领着旋翼机领域的发展。尤其是刚性旋翼加尾螺旋桨推进器的气动布局，承载了西科斯基对21世纪上半叶高速直升机发展的思路。为了发掘刚性旋翼的巨大潜力，两科斯基筹集2亿美元研发S-97，其中1.5亿美元为自筹，5000万美元来自其它30多家供应商，预计年底首飞。老品新酒S-97对于西科斯基而言是个老瓶新酒的项目，2005年的美国直升机协会论坛上，西科斯基公布了X-2技术验证机的方案，试图利用现有的航空技术来实现共轴式刚性旋翼与尾螺旋桨推进的布局，从而实现一次直升机领域的飞跃式发展。在范保罗等航展上，西科斯基也展出了基于共轴式刚性旋翼技术的轻型高速侦察直升机方案，说明西科斯基试图将这一技术用于军用直升机的发展，这一点引发了西方观察家对高速直升机的关注。对于西科斯基而言，新一代的直升机必然要有全新的气动布局，各项参数要超越前一代直升机，尤其在飞行速度上要更快，能够达到460千米/小时以上，因此基于X-2的武装型号在公布后就成为未来直升机发展的热门方向之一。2008年，第一架X-2技术验证机首飞成功，X-2使用了刚性旋翼与尾螺旋桨推进的组合式布局，在三余度电传操控下能够实现动力与飞行状态之间的完美过渡。共轴式刚性旋翼的主要作用仍然是为X-2提供升力，当飞行速度逐渐提升时，发动机的主要输出功率会更多地分配给尾螺旋桨推进器。在数年的飞行测试中，X-2的飞行速度有了明显的提升，从220千米/小时逐步提升到460千米/小时，各分系统的成熟让西科斯基更加坚定发展其军用型号，这就是S-97“侵袭者”。2011年西科斯基选择了36个部件制造合作制造商，在2012年1月马里兰州举办的航空座谈会上，通用电气公司的YI706-GE-700R发动机决定作为S-97的动力。该发动机由“黑鹰”的动力发展而来。有了强有力的动力系统，S-97的战术特点会更好地被发掘，如高航速、大航程以及大载荷量。S-97碳纤维机身由位于布里奇波特的极光飞行科学公司的制造厂生产，其中应用了许多先进的制造工艺，该公司此前还生产过CH-53重型直升机的主旋翼构件，因此积累了些经验。按照西科斯基S-97项目的时间表，2012年前完成第一架S-97的制造，2013年完成关键设计评审，2014年中期完成升级版的制造，2014年底完成首飞并完成两架原型机的制造任务，2015年向美国军方和其它客户展示S-97的飞行性能与作战能力，其中第一架原型机作为西科斯基的测试资产，第二架用于美国军方的测试和评估。2013年9月，极光公司的飞行发展中心向西科斯基公司交付了S-97原型机的复合材料机身，包括一个综合驾驶舱、机身中央货舱和尾椎结构。当时西科斯基负责5-97项目的主管称，这是S-97项目的一个重大里程碑，此后西科斯基的团队开始对原型机进行总装。今年10月，西科斯基公开展示了S-97首飞原型机，与此前研制的5-97存在较大不同。首先是机身线条更加硬朗，机鼻低下前倾，视觉效果颇有苏27略微低头的味道，巨大的风挡占据了机首较多的空间，这意味着飞行员拥有更好的视野。机尾垂直方向舵也有较大幅度的修改，取消了x型布局，与X-2更像一些。尾部的螺旋桨则放置在两幅尾翼之间，尾轮布局也与X-2类似，改为后三点式起落架。需要注意的是，最新型的S-97与早期型、X-2都有差别，发动机进气口设置在机身上方，这对抑制红外辐射、雷达隐身以及降低较大粒径的颗粒物都有帮助。从侧面看机身则显得更加简洁，特别是可收放的前起落架舱的设计，让S-97增加了几分科幻的感觉。S-97基本性能5-97的定位是轻型武装侦察直升机，与日本川崎重工的OH-1武装侦察直升机、意大利阿古斯特·韦斯特兰公司的A-129“猫鼬”武装直升机等处于同一级别。机长11米左右，共轴旋翼直径大约为10米，最大起飞重量5.17吨，执行典型侦察任务时重量为4.44吨，标准燃油状态下滞空时间2.7小时，作战半径600千米，巡航速度超过370千米/小时，高温环境中悬停高度大约为3000米。机身使用碳纤维复合材料制造，具有一定的雷达隐身能力。飞行员座舱自动化程度较高，配有自动驾驶系统，并列式布局也有利于S-97执行前线侦察时两位飞行员的相互配合。在电子设备上，西科斯基在S-97机首整流罩下方安装了传感器，未来不排除进行新的改进，增加前置探测装置。公开展示的S-97左右各一个武器挂架，宣传材料E可以看出S-97可以携带机炮吊舱、“海尔法”导弹、多管火箭发射槽等，在武直家族中这样的火力配置并不算强，但也能满足武装侦察的需求了。S-97也考虑到空运的需求，整体尺寸设计得修长，加之重量较轻，因此一架C-17运输机一次可空运4架S-97，能够实现快速部署。传统直升机旋翼系统的速度局限性对于直升机而言，高速飞行与机动性之间存在相互对立的情况。以单旋翼带尾桨的直升机为例，其升力来源主要依靠旋翼系统，主旋翼为直升机的起降提供升力支持，尾桨除了平衡主旋翼产生的力矩外，也起到提供推力控制方向的作用，这也是直升机与其它飞行器差别较大的原因。直升机的旋翼系统构造较为复杂，旋翼机构由桨叶、桨毂、控制组件等组成。以美国的“黑鹰”直升机为例，4片巨大的桨叶为重达10吨的机身提供绝大部分的升力，前飞时“黑鹰”的桨叶剖面会出现周期性的变化，前行桨叶与后行桨叶之间存在反向挥舞，前行桨叶向上挥舞，后行桨叶朝下挥舞，同时为了获得足够的前飞拉力，主旋翼在受到纵向变距控制后产生更大的前倾，这样直升机就可以向前飞行了。从中可以看出单旋翼带尾桨的直升机飞行时主旋翼不仅需要提供向上的升力，也要前倾提供向前的拉力。如果“黑鹰”的飞行员进一步向前推杆，那么旋翼的前倾角度会不断增大，达到一定条件时就无法进一步提高速度了。前行桨叶在直升机飞行速度提升到极限时桨尖速度会接近音速，出现激波失速，后行桨叶也受到类似问题的困扰，最终直升机的飞行速度无法进一步得到提升，而且在较高速度飞行时，尾桨基本不产生升力，其作用只是平衡主旋翼的反扭矩，这也制约了直升机的飞行速度。可以认为单旋翼带尾桨的直升机的旋翼系统限制了直升机飞行速度的提升，因此要想进一步提升速度就需要改变旋翼系统的设计。破除柔性桨叶旋翼系统的“速度魔咒”后，西方的直升机生产商提出了多种新型旋翼结构，比如倾转旋翼、x型旋翼、复合式旋翼推进以及刚性旋翼等。尤其是倾转旋翼受到热捧，贝尔公司研制了xV-3倾转旋翼技术验证机，并在此基础上进一步与美国军方、美国国家航空航天局等机构合作，研发出半刚性桨叶的XV-15。这种飞行器能够实现悬停、平飞，如同我们现在所说的跨界版本旋翼机，集成了直升机和固定翼飞机的特点，为后来V-22的诞生提供了充足的技术储备，由此也可以看出，贝尔公司早已看清了柔性旋翼在速度上的局限性，通过倾转旋翼的研发来实现高速直升机的发展。还有一种旋翼构型比较独特，也受到美国军方的关注，并在“黑鹰”直升机上进行了测试，这就是X-49“速度鹰”。从X-49的图像可以清楚地了解到这种气动布局的作用机制：“黑鹰”的尾桨消失了，取而代之的是一具直径2.4米的涵道式推进装置，也被称为矢量推力涵道螺旋桨推进器。2007年6月30日，X-49完成首飞，在十多分钟内进行了悬停、小半径拐弯、侧飞、前飞等机动，最大飞行速度可以达到390千米/小时，作战半径500千米。X-49也是复合型高速直升机的代表，尾部的推进器在高速飞行时提供主要推力。这时主旋翼的工作开始卸载，机身两侧巨大的机翼为X-49提供主要升力，这种气动布局也被证明是成功的，是高速直升机发展的另一种渠道。S-97成功的关键——刚性旋翼技术西科斯基作为顶尖的直升机制造商，在旋翼系统上的造诣也处于世界领先水平，对旋翼系统的改造步伐也较早。1973年，两科斯基试飞了XH-59验证机，一种有别于倾转旋翼、复合式旋翼的新型结构，代表了高速直升机发展的又一个方向。XH-59使用了共轴反转刚性旋翼技术。第一阶段飞行测试中XH-59为典型的直升机气动构型，平飞状态时飞行速度接近300千米/小时，俯冲姿态时最大速度能够达到350千米/小时以-上，几乎达到速度极限。第二阶段时西科斯基在XH-59机身两侧分别安装了一台J60-P-3a涡喷发动机，最大平飞速度能够接近480千米/小时以上，远远超过第一阶段的飞行速度。通过对XH-59的试飞，西科斯基逐渐掌握了对共轴刚性旋翼的一些关键性技术，但XH-59并没有获得进一步的成功，该型机仍然存在许多问题。比如受到当时材料的限制，两幅主旋翼的刚性无法达到最理想的状态，由此导致了两幅旋翼之间的间隔被拉大、飞行阻力增加。在缺乏资金后西科斯基只能暂停了XH-59的研发计划，直到2008年X-2技术验证机首飞才重新走上共轴刚性旋翼的研发道路。可以认为XH-59项目为西科斯基后续发展ABC刚性旋翼奠定了基础。通过X-2技术验证机的试飞，西科斯基对于共轴刚性旋翼与尾螺旋桨推进装置结合颇有信心，认为这样的组合是高速直升机发展的方向。事实上，刚性旋翼的设计与制造需要建立在材料技术的进步上。由于刚性旋翼的桨叶没有柔性，取消了挥舞铰和摆振铰，因此刚性桨叶在工作时需要承受较大的作用力。如果仔细观察当前普遍使用柔性旋翼的直升机，就不难发现在直升机停放在地面上时，主旋翼的桨叶存在下垂的现象，一旦主旋翼工作时这些桨叶就恢复正常状态了；而刚性桨叶显得更加硬朗，给人一种直挺挺的感觉，因此刚性桨叶的承受能力比柔性桨叶要大，在加工和制造上有一定的难度。由于刚性旋翼有两幅共轴桨叶，因此气动阻力要大于单旋翼的直升机。从S-97两幅旋翼之间的整流罩也可以看出共轴-刚性旋翼在气动减阻方面需要深入优化，同样是共轴双旋翼的俄罗斯卡式系列直升机在减阻问题上显然没有西科斯基如此细微。有趣的是卡莫夫设计局的共轴反转技术被认为是看家本领，佃建立在柔性旋翼基础之上的共轴双旋翼不但无法有效提升直升机的飞行速度，也限制了自身的机动性，这是因为柔性旋翼在工作时会出现上下摆动，过于剧烈的机动可能导致两幅桨叶相互碰撞，造成击毁人亡的严重后果，所以卡50/52的某些机动是被限制了。虽然卡50/52的机动性仍然值得称道，比如具有较快的机头指向能力，能让直升机快速指向目标并发动攻击，但柔性桨叶的问题也不容忽视。从西科斯基和卡莫夫对共轴双旋翼的产品来看，西科斯基似乎更懂得柔性桨叶的弱点，待刚性旋翼制造技术进步后开始在这个基础上研发高速直升机。卡莫夫设计局也有自己的刚性旋翼研究计划。在2008年于莫斯科举办的国际直升机展览会上，卡莫夫设计局就带来了卡92的模型，是一种大型共轴旋翼运输直升机，尺寸明显要比S-97大得多，但目前仍然没有迹象表明卡莫夫是否有能力将刚性旋翼技术转为产品。西科斯基通过xH-59和X-2的技术积累研制出S-97，并试图将这一气动布局发挥到极致，成为继V-22倾转旋翼机之后的又一种高速旋翼机。S-97——目标未来通用直升机从西科斯基的公开资料上看，装一台发动机的S-97“侵袭者”的主要任务是战场侦察，最大起飞重量在5吨，执行侦察任务时起飞重量为4吨左右，机头配有前置观瞄设备，这表明S-97未来的量产型不仅具有极高的飞行速度，在火力配置、侦察设备上也有可观的表现。如果S-97能成功获得美军武装侦察直升机换代的订单，那么将作为一种侦察武装直升机取代目前美军装备300多架OH-58侦察直升机。西科斯基作为“黑鹰”直升机的制造商，显然不会丢掉10吨级通用直升机这块超级大蛋糕。如今“黑鹰”已绎成为通用直升机的标杆产品，经典的大侧门、强劲的T700系列发动机、极佳的适航性、先进的机载电子设备等都是“黑鹰”给我们留下的印象。预计这款经典的通用直升机将服役到2030年之后，在剩下的十多年时间内美军也在考虑使用何种机型替换数量庞大的“黑鹰”家族。美军下一代直升机需要更快的速度、更强的隐身能力以及更大的载荷量，西科斯基的刚性旋翼加尾螺旋桨推进也可能被用于改进“黑鹰”平台，发展出新一代的10吨级通用直升机。值得注意的是，西科斯基公司根据美国陆军有人/无人补给空中运输项目研发了无人版的“黑鹰”直升机，能够在山地危险环境中对前线作战部队进行补给。按照美国陆军空中力量发展路线图，未来四分之一的前线补给任务将会由无人驾驶飞行器执行，因此无人化也是西科斯基未来发展的方向之一。不排除发展出无人驾驶的S-97武装侦察直升机，与有人驾驶的S-97进行混编作战，这样将极大拓展S-97的任务弹性，让无人驾驶S-97深入更加危险的区域执行侦察、打击任务，而有人驾驶的S-97主要负责控制和情报综合，成为美军前线侦察作战的杀手锏。[编辑/秦蓁]endprint