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直升机世界的五国演义

晨枫

6小时前

三国演义好看,是因为有三个玩家在大战,错综复杂比双边对打要精彩多了。在美国,一场五国演义正在进行,这就是美国陆军的“未来武装侦察飞机”(简称FARA)的竞标。这是用于取代OH-58D“基俄瓦武士”的。

武直的作用人尽皆知,但武直实际上分侦察武直和攻击武直,两者配对使用。前者利用轻巧、快捷为后者侦察敌情,并引导攻击,只有在万不得已或者等不及呼叫后者的情况下,才会用自身武器攻击。后者依靠装甲保护,在前者的引导下,用携带的武器跃起攻击。侦察武直一般只有轻武装,甚至无武装;攻击武直则是重武装的。

在美国陆军,OH-58D就是侦察武直,而AH-64“阿帕奇”则是攻击武直。在中国陆军,对应的就是直-19和直-10。

OH-58D本身只有轻武装,依靠轻巧、敏捷和地形掩护来躲避发现和打击

OH-58D通常与阿帕奇配对出动,一个侦察,一个出拳

原型贝尔206在1966年1月就首飞了,改进型OH-58D也在1983年10月首飞,已经使用很久了。另外,OH-58D在设计时是无武装的,机枪、火箭弹或者“地狱火”导弹都是后来加装的,既影响性能,也有使用效果不好的问题。美国陆军需要一架在设计时就把机载武器考虑在内的侦察武直,或者说像中国直-19那样。

在90年代,美国陆军研制RAH-66“科曼奇”,希望取代OH-58D,但因为超时、超支和战略环境改变而下马了。此后替换计划三起三落,FARA是最新的努力。FARA只许成功,不许失败,因为OH-58D太老旧了,已经退役。现在直接用“阿帕奇”担任侦察,重量大,不够灵巧,也成本太高。美国陆军的侦察直升机计划没法拖下去了。

美国陆军规定了不超过12米的旋翼直径,要求采用通用电气T901涡轴发动机,速度不低于180节(330公里/小时)。旋翼直径规定是要满足城市和林地作战需要,较小的直径意味着可以在楼宇之间和不宽的街道上贴地飞行,这也便于在林中运作。T901是美国陆军最新的通用涡轴发动机,要求在尺寸和重量上不超过现有“黑鹰”和“阿帕奇”共用的通用电气T700,并且在在安装上能够互换,但功率要求增加50%,油耗下降25%,寿命延长20%。通用电气还是用简单的单转子结构,通过材料技术和燃烧室优化来深挖潜力,发动机研发功力值得羡慕。180节的速度高于现有直升机,OH-58D的极限速度只有129节,巡航速度110节。“阿帕奇”更快,极限速度158节,巡航速度143节,都低于FARA的180节要求。侦察武直必须要比攻击武直的速度更快,才比较有效。

美国陆军邀请波音(原麦道直升机)、贝尔、西科斯基、AVX和卡莱姆提交设计方案,波音是最后一个提交的。

除了采用推进螺旋桨外,波音方案平淡无奇,串列而且高低错落的双座,常规的主旋翼和尾桨。不过六叶主旋翼比一般的直升机要多,有利于降低转速和噪音,但重量较大。机械上倒未必增加多少复杂性,因为波音采用无铰桨叶,取消了挥舞铰,而依赖复材的固有弹性解决疲劳问题,而且在进行侧飞、倒飞、滚转等直升机特有机动的时候,比常规的有铰桨叶更加敏捷。这是德国MBB的BO105在70年代首创的。波音FARA的推进螺旋桨与尾桨共用传动轴,用离合器和变速器耦合。波音认为这样并不增加多少复杂性和重量。值得注意的是,波音方案没有短翼。波音认为,短翼的升力作用不大,降低主旋翼的效用,挂载武器的作用可用侧开式机内武器舱解决,不仅改善隐身,还降低阻力。推进螺旋桨可为主旋翼卸载,在平飞中起主要的推进作用,而主旋翼只需要低出力旋转,负责产生升力就足够了。这是波音方案提高速度而避免主旋翼后行失速的关键。波音将采用在T-7“红鹰”和MQ-26“黄貂鱼”的研发和制造中经过考验的数字设计-制造的模型化技术,在下料前,就在虚拟制造过程中把所有技术细节打通,大大缩短研发过程,并与制造过程紧密衔接,降低研发和制造成本。

相比之下,AVX方案就比较异类。这采用俄系卡莫夫风格的传统同轴反转双旋翼,没有尾桨,但有一对后置的推进涵道风扇。除了H型尾翼,还有一对不小的短翼,提供平飞时的升力。双旋翼不需要尾桨,而且可以产生推力。但同样为了避免旋翼后行失速问题,AVX用推进风扇提供推力,平飞时为双旋翼卸载。由于可产生升力的短翼的存在,高速平飞时,双旋翼基本处于风车状态,不须产生升力和推力,大大缓解了后行失速和振动问题。双旋翼本来振动就小,操控特性好,卡莫夫直升机的飞行员在悬停作业时,常常单手操控,而且很稳定,这是单旋翼直升机望尘莫及的。这样稳定、易操作的悬停特性对武直的观察、武器发射很有用。但AVX方案显然机械上很复杂,抗战损性不好,不仅有产生升力的机翼,还另有吊挂武器的短翼,重量和阻力都大,隐身则免提。AVX方案的另一个特点是并列双座。这样的受弹面积大,但便于飞行员和观察员都拥有良好的前向视界,有利于观察和武器控制。

卡莱姆的方案更加异类。采用刚性旋翼,在回转中不断地周期性调整每片桨叶迎角,以控制升力和抑制后行失速问题。这也用推进螺旋桨产生推力,所以主旋翼不须产生推力。一对机翼的翼展对于直升机来说很大了,而且可以改变安装角。在垂直起落时,机翼转动到竖直的位置,减少对旋翼的遮挡;在平飞时,机翼水平,产生升力。推进螺旋桨实际上是可转动的,在主旋翼出力以产生升力时,推进螺旋桨转动到侧位,产生反扭力;在主旋翼进入风车状态而无需反扭力时,推进螺旋桨转到后位,产生推力。卡莱姆的方案比AVX在机械上更加复杂,也更加激进,技术风险很大。这也是并列双座的。

贝尔方案已经有型号名了:贝尔360“不屈者”。由于美国陆军12米旋翼直径的限制,贝尔只能放弃钟爱的倾转旋翼,改用常规旋翼。这旋翼还真是常规,直接从贝尔525来的,不仅产生升力,也产生推力,就像典型的单旋翼直升机一样,只是五叶改四叶,再把桨毂用整流罩包起来。采用带外倾角的涵道风扇,这算美国直升机里比较特别的,噪声低,阻力小。带一点外倾角使得涵道风扇可以产生一点尾升力,在主旋翼最大出力时,涵道风扇也达到最大出力,尾部的额外升力形成前倾姿态,有利于迅速增加前进速度。在“科曼奇”上就是这样的设计。贝尔360也有一对短翼。说是短翼,其实不短了,但是没有卡莱姆的那么夸张。这是用于产生平飞时的升力的,为旋翼卸载,但不用于吊挂武器。侧开式机内武器舱的舱门同时兼做武器挂架。有意思的是,贝尔360除了T901主发动机,还有一台PW207辅助发动机。这是功率只有T901主发动机20%的小涡轴,尽管本身也作为驱动MBB BO105、欧洲直升机EC135、阿格斯塔A109等轻型直升机的主发动机的。民航客机都有辅助发动机(APU),但直升机通常没有,直接从主减速器引出动力,驱动发电机、航电和其他辅助动力用户。采用单独的APU不仅可为主发动机和主减速器卸载,还可在需要额外出力的时候,通过离合器汇入主减速器,为主发动机加力。所以贝尔不称这为辅助发动机(APU),而称这为补充发动机(SPU)。这也容许直升机在隐蔽待命时,只用SPU保持航电运行,而主发动机停车。既节约燃油、降低噪声和磨损,也更加隐身。在需要跃起时,SPU启动主发动机,马上就可起飞。串列双座符合军方习惯,SPU则是很特别也很实用的设计。

西科斯基方案也有名字:S-91“掠袭者”。这是又一个激进设计,同轴反转双旋翼,还是刚性桨叶,当然还有推进螺旋桨。刚性旋翼在机械上简单,可靠性好,气动效率比常规的柔性旋翼更高,机动性更好,速度更快,桨叶挥舞极大抑制后,上下桨叶的间距大大减小,降低阻力,过去很难解决疲劳和振动问题,现在用复材解决。这也是并列双座。

在五个方案中,卡莱姆方案估计是为了鼓励和活跃思路而纳入的,入选和量产的可能性很小。AVX方案有一定的优点,但太复杂,估计也是陪读的。西科斯基的刚性旋翼技术叶也用于“黑鹰”换代的FLRAA,所以技术成熟度还是靠谱的。但贝尔360和波音方案在技术上最成熟,对实战需要的考虑也最多,尤其是贝尔的SPU,但波音的六叶无铰桨叶也有亮点。波音的方案相对来说还是太保守,旋翼、尾桨加推进螺旋桨也太啰嗦,最终赢家可能在贝尔和西科斯基之间产生,贝尔的赢面更大一点。如果与波音的无铰桨叶相结合,赢面更大。在5选2之后,厂家之间可能重新结盟,历史上的先例很多。

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