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自轉旋翼、渦扇發動機、槳尖驅動,非同尋常的噴氣式直升飛機

Apr21

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自轉旋翼、渦扇發動機、槳尖驅動,非同尋常的噴氣式直升飛機

在直升機行業,若是不慎將「直升機」(Helicopter)一詞誤稱為「直升飛機」,那经常是要鬧笑話的,最少會被認為是「不專業」,因為從飛行器的本質定義上來說,直升機和飛機(Airplane)是兩種截然差别的飛行器,直升機普通是指以大尺寸旋翼為首要升力面和操縱面的垂直起降航空器,而飛機則普通指的是「牢固翼飛機」。不過,凡事都有破例。
「GBA-DARPA Heliplane」便是一種獨特的「直升飛機」(Heliplane),作為一型观点驗證機,GBA-DARPA之以是能夠「明目張胆」自稱為直升飛機,首要還是因為它自身就兼具备直升機和牢固翼飛機兩者的特點——既能夠實現垂直起降、懸停和低速機動,也能夠像牢固翼飛機一樣高速巡航——該機的巡航速率能夠達到常規直升機的兩到三倍,乃至更高。
從該機的名字便能够看出,這是GBA(Groen Brothers Aviation)格羅恩兄弟航空公司DARPA美國國防先進研讨項目局协作推進的項目,此中GBA公司是承包方,而DARPA天然便是金主,不過後來GBA公司因財政問題而重組為Skyworks Global公司,這架「直升飛機」名字也被改成「垂直起降噴氣飛機」(VertiJet)。從名字來看便能够發現,定名者開始弱化該機在直升機方面的特點,此中究竟經歷了什麼?上面,請看注释。
從自轉旋翼機到垂直起降噴氣飛機——VertiJet進化之路
美國國防先進研讨項目局(DARPA)一向都在尋求一種能夠達到與牢固翼飛機机能相當的旋翼類飛行器。而格羅恩兄弟航空公司自從上世紀八十年月開始就一向努力於複合式自轉旋翼機的研讨任务,這種複合式自轉旋翼機在保留自轉旋翼機的飛行特徵同時,結合了牢固翼商務噴氣飛機的特點,在多個方面都和美國國防先進研讨項目局的请求相符合。
話說回來,格羅恩兄弟航空公司插手美國國防先進研讨項目局的「直升飛機」項目也存在必然的偶合,這個項目本來DARPA是但愿由亞當斯飛機公司牽頭的,可是當時亞當斯飛機公司找不到合適的主旋翼系統供應商,最後他們找到格羅恩兄弟航空公司,但愿能為他們打造主旋翼系統。格羅恩兄弟航空公司在接到邀請之後,向DARPA提交了一份備忘錄,詳述了打造這種新型「直升飛機」旋翼系統所存在的關鍵技術重難點。
DARPA對格羅恩航空公司在這方面的專業程度很是滿意,於是當該局準備啟動「直升飛機」(Heliplane)摸索項目的時候,他們起首想到格羅恩兄弟航空公司。「直升飛機」項目初期規劃會分為四個階段來实现,總耗資大要在4000萬美圆摆布,參與項目标承包商首要有格羅恩兄弟航空公司、喬治亞理工學院、亞當斯飛機工業公司和威廉斯國際公司。此中格羅恩兄弟航空公司毫無不测地被選為第一階段的領路人,這一階段的任务為期15個月,總經費640萬美圆。第1B階段則轉而由喬治亞理工學院办理,格羅恩兄弟航空公司則成為分包商。項目第二階段首要任务便是在NASA蘭利研讨中间的高速風洞中進行縮比模子的風洞測試,然後還须要打造一個全尺寸的噴氣機原型。這一工程階段的經費預估則要高良多,大要在2400萬美圆到2800萬美圆之間。
△「直升飛機」項目标初期原型機观点
可是,項目标進展並沒有預想中那麼順利,到2008年,由於「直升飛機」始終存在無法解決的較高的乐音問題,美國國防先進研讨項目局是以終止了對該項目标撑持。
2012年,格羅恩兄弟航空公司堕入財政窘境,盘桓在破產和倒閉的邊緣,在這種情況下,投資人史蒂夫·斯特凡諾維奇济困扶危,救活了這家曾經輝煌過的航空公司,並在2017年4月24日,將重組後的公司定名為「Skyworks Global」(可譯為:斯卡沃克斯國際公司)。2019年7月份,斯卡沃克斯國際公司與諾斯羅普·格魯曼公司旗下的「縮尺複合體」(Scaled posites)公司协作,設計、製造並測試了第一架改進後的「直升飛機」原型機,該機被从头定名為「VertiJet」,其目標是在隨後的一年半到兩年內实现348節(也便是時速644千米)的巡航飛行和1850千米的航程飛行。
憑藉其超卓的飛行速率和可觀的航程,該機能夠跟上美國海軍陸戰隊的現役的MV-22「魚鷹」傾轉旋翼機,從這個角度來說,該機的這些机能指標能夠滿足美國海軍陸戰隊在客岁4月份表露的「魚鷹」傾轉旋翼機武裝護航飛行器的请求。當然,該機也能夠作為美國陸軍的未來遠程突擊飛行器(FLRAA;Future Long-Range Assault Aircraft)的一個備選項。根据斯卡沃克斯國際公司的說法,該機還有一個凸起優勢便是本钱低,一架搭載4~6名搭客的「VertiJet」飛行器,其造價能够节制在1000萬美圆以內,這個數字無論是對於美國軍方還是商業航空運營商而言,都是極具吸收力的。
簡單高效、宁静靠得住——「直升飛機」的設計特點
總的來說,「直升飛機」和VeriJet能够說是统一種基礎型號飛行器的兩種衍生版本,前者的重點在於摸索這種複合式構型飛行器的高速前飛潛能,而後者的側重點則在於向民用商務飛機市場推出這種極具特點的複合式自轉旋翼機。而從時間歷程上來說,VertiJet能够說是繼承了英國航空史上台甫鼎鼎的複合式自轉旋翼機「羅托達因」(Rotodyne)和「直升飛機」項目标研讨功效。
△英國航空史上頗具盛名的複合式自轉旋翼機「Rotodyne」項目隨著該國航空公司的合併和重組而告吹
VertiJet既有牢固翼機翼,也有大尺寸的主旋翼系統。其旋翼系統既能够無動力自轉,從而在前飛過程中為該機供给升力;同時,也能够通過旋翼槳葉內置的小型噴氣發動機在短時間內驅動旋翼槳葉旋轉,從而實現與直升機類似的垂直起飛、懸停和垂直下降等功效。和「直升飛機」項目指標类似,VeriJet飛行器的最高時速預估在644千米摆布,航程為1609千米,有用載荷454千克,根据官方說明,該機能够搭乘一位飛行員和4到6名搭客。上面,我針對VertiJet的幾個關鍵系統進行解讀。
①自轉旋翼
自轉旋翼機(Autogyro/Gyroplane)一向都是格羅恩兄弟航空公司的強項,或說,雖然他們家頂著個航空公司的名頭,但實際上該公司的主力產品自身便是自轉旋翼機。所謂「自轉旋翼機」,顧名思義,其首要升力面還是旋翼系統,和直升機的旋翼系統頗有幾分类似之處。可是與直升機差别的是,自轉旋翼機的旋翼系統不是通過主動力系統來驅動的,自轉旋翼機的主發動機只用來驅動其附帶的推進螺旋槳來為整個飛行器供给前飛推力,而旋翼系統是通過「迎風自轉」來為全機供给升力的。由於自轉旋翼機的旋翼系統在飛行中一向處於自轉狀態,以是比拟直升機,自轉旋翼機自身的宁静机能更高、結構更簡單并且更安靜。
格羅恩兄弟航空公司沒有止步於傳統的自轉旋翼機設計,他們在自轉旋翼機的旋翼槳葉尖端加裝了小型的噴氣發動機,通過這種噴氣發動機來驅動旋翼轉動,就能够够實現類似於直升機一樣的垂直起飛、懸停和下降。航空業界普通將這種飛行器稱為「Gyrodyne」,這個詞在中文中经常被翻譯為「旋翼式螺旋槳飛機」,足見其和常規自轉旋翼機的差别。
總的來說,配備自轉旋翼系統的旋翼機都會具备以下特點
②複合輔助機翼和推進裝置
從現有的设置装备摆设信息來看,VertiJet飛行器採用的是兩台威廉姆斯國際公司的FJ44渦扇發動機來供给前飛推進力,不過根據斯卡沃克斯國際公司的介紹,該機還能够安裝夹杂動力驅動系統,不過考慮到該機的機械傳動系統本質上並不複雜,以是採用夹杂動力驅動系統的须要性仿佛也並不大。
而在高速飛行的時候,該機兩側的機翼在能夠承擔絕大局部升力,從而實現旋翼拉力的卸載,旋翼拉力的卸載,就能够够使的自轉旋翼的轉速下降,並且使得槳盤立体的後倒角減小,前者下降了旋翼系統的型阻力,後者下降了旋翼系統的後向力,總的來說,這所能帶來的最大的好處便是能够下降旋翼系統的氣動阻力,從而晋升了該機的前飛机能,使得這種飛行器的前飛速率得以最大化。
③機械結構的簡單性、靠得住性
比拟於直升機的驅轉旋翼系統,自轉旋翼系統消弭了繁重、昂貴且複雜的一系列動力傳動部件,比方說減速器和傳動軸等部件,這當然也下降了飛行器的生產和維護本钱。而若是自轉旋翼機的發動機在空中停車,那麼始終處於自轉狀態的主旋翼能夠確保自轉旋翼機進入平穩的自轉下滑狀態,從而實現宁静著陸。
在自轉旋翼機的靠得住性方面,斯卡沃克斯國際公司還是格羅恩兄弟航空公司的時候,就曾下過工夫研讨。事實上,儘办理論上自轉旋翼機是一種比牢固翼飛機和直升機宁静係數都要高良多的航空器,可是在上世紀八十年月,美國運動型自轉旋翼機兴旺發展的那段時期,該機的变乱率還是相當高的,斯卡沃克斯公司的設計師認為此中很大一局部缘由是當時許多自轉旋翼機「設計不當」。
該公司的設計師認為當時良多生產製造廠商僅僅只是會製造一種「看起來像是自轉旋翼機」的東西,而對這種航空器背後的道理卻知之甚少,也沒有花費精神和經費投入研讨,此中有良多变乱的研讨結果都标明這些墜毀的自轉旋翼機其全機重心與主旋翼和推進螺旋槳拉力矢量之間的錯位。為此,格羅恩兄弟航空公司專門建立過一家名為「Sparrowhawk」的子公司來解決這些問題,最終他們打造了一種被稱為「罢休自穩」的自轉旋翼機增穩系統,晋升了自轉旋翼機的靠得住性。
未來可期——VertiJet的項目瞻望
從某種角度來說,無論是航空從業人員還是飛行器運營商們,能够都须要遏制把自轉旋翼機和直升機划上等號。誠然,直升機是一種具备獨特才能的優秀航空器,可是自轉旋翼機更像是一種「不须要跑道的飛機」(而不是懸停机能較差的直升機),它所能实现的任務相當廣泛,能够說是涵蓋了直升機任務領域和飛機任務領域的交加。
归纳综合來說,VertiJet這種飛行器出現的目标是為领会決天下上三分之二的航空须要——現實情況便是今朝天下上三分之二的地區沒有或不具備建設基礎設施的才能,同時這些地區也缺少接管杰出教导或訓練的地勤人員——VertiJet便是為此而生。該機不像牢固翼飛機一樣须要規模龐大的機場和建設杰出的跑道,同時也不像直升機那樣须要複雜又精細的維護任务。Vertiet這一類飛行器的出現,本質上不會和牢固翼飛機或直升機构成冰炭不洽的競爭關係,更準確來說應該是這種飛行器的出現,補足了牢固翼飛機和直升機之間的任務缺口。
從這個層面來說,VeritJet這種飛行器所能帶來的好處是顯而易見的——本钱昂贵的商務航空服務——它不须要規模龐大的機場航站、也不须要花費大批人力物力打造基礎設施,并且其自身的操縱飛行培訓和維護补缀難度也處於較低的程度,加上該機超卓的宁静性,若是說,斯卡沃克斯國際公司能夠在電傳操縱飛行节制系統和該機的垂直起降机能和乐音程度方面持續優化的話,那麼其远景還是相當光亮的。

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