到底該不該給直升機裝個翅膀——有翼直升機的優劣
圖——空客去年在巴黎航展秀出的有翼式新型直升機概念
對專業理論興趣不大的讀者朋友，可以直接到文末看結論！
1、 為什麼要要給直升機裝上翅膀（機翼）
我先用一句話概括：有翼式直升機及複合式直升機的出現是為了提高直升機的飛行速度，改善大速度飛行時的空氣動力性能。
## 下面是詳細理論說明：
提高正常型式直升機的最大飛行速度——Vmax——主要受到三方面的限制：局部激波（前行側槳尖）、氣流分離（後行側反流區）及槳盤前傾（功率限制），其中槳盤前傾對提高飛行速度的限制更為嚴重。
目前，正常型式直升機的最大飛行速度難以超過370km/h。另外，在Vmax要求較大的情況下，為了避免出現局部激波，旋翼旋轉速度不能很大，相應於Vmax的最大旋翼前進比（來流速度和旋翼槳尖速度的比值）就相當大。
為了避免出現氣流分離，必須使旋翼槳葉平均升力係數較小一些（槳葉載荷就因此必須取得小一些），也就是說，阻升比（槳葉微段氣動阻力和升力的比值）必然較大，結果單位型阻功率（為克服槳葉微段的氣動阻力所需用的功率）也就會很大。這樣，為了保證較大的飛行速度，旋翼的效率必然降低，要求最大飛行速度越大，這個問題就越突出採用有翼式直升機（在正常式直升機上安裝輔助機翼——一般都很短，因為大的機翼對直升機的懸停和低速機動性能影響巨大）可以部分地解決上述問題。在飛行速度較大時，有翼式直升機的機翼也提供了一部分升力，從而減輕了旋翼的載荷（旋翼拉力因而可以卸載）。
和正常型式直升機相比較，在最大飛行速度和旋翼轉速相同的情況，有翼式直升機旋翼的槳葉載荷就可以選得大一些，而在最大飛行速度時的平均升力係數仍然可以保持較小的數值，不致於出現氣流分離。
這樣，一方面降低了懸停及低速飛行時的型阻功率，另一方面大速度飛行時氣動效率較高的機翼參與提供升力，整個直升機的需用功率也會有所降低。
2、 裝了機翼會有哪些問題？怎麼解決？
## 有翼式直升機也有其缺陷及局限性
由於附加了機翼，直升機的結構重量會有所增加。
在垂直飛行狀態，機翼產生較大的垂直阻力，從而引起附加的功率損失。
更為嚴重的問題是在大速度飛行時有翼直升機槳盤的前傾要更大。因為在大速度飛行時由於機翼的卸荷作用使旋翼所需提供的升力減少，但由於機翼產生附加阻力，旋翼的水平拉力就需更大，這樣槳盤的前傾就必須加大。
因此，有翼式直升機可能達到的最大飛行速度不見得會比正常型式直升機大多少。（但是多少還是要大一些，對於前飛速度難以突破的在役直升機，這一點提升還是很有用的）
目前，採用這種型式往往是用來提高現有正常式直升機的最大飛行速度。假如一架現有直升機的最大飛行速度主要受氣流分離限制，那麼，只要安裝一個尺寸不大的機翼，直升機的基本部分不需要做太大的改動，就可以推遲氣流分離的出現，從而提高最大飛行速度。當然這樣做的前提是槳盤前傾的增加尚在容許範圍之內。此外，原有直升機的重量效率及垂直飛行性能會有所降低。
圖——重型直升機米-6加上了機翼以後，創造了當時的飛行速度世界紀錄
## 複合式直升機——新一代旋翼飛行器
總之，要使直升機的最大飛行速度能大大提高，僅僅加上一個機翼是不夠的，還必須
設法部分或全部地解決旋翼提供水平拉力的作用，這樣就出現了所謂複合式直升機。它
不僅帶有機翼，還有推進裝置，如拉力螺旋槳或噴氣推力。
圖——加裝機翼的CarterCopter 自轉旋翼機
在飛行速度較大時，直升機所需的水平拉力可以全部由推進裝置提供，旋翼槳盤也就不需前傾，甚至可以在自轉狀態下工作而略為後傾。顯然，對於複合式直升機，槳盤前傾對Vmax的限制就不再存在了，其飛行速度將比正常型式直升機及有翼式直升機大大提高，這一技術也被用在高速型自轉旋翼機上，取得了顯著的成果，當然其中還涉及Slowed-Rotor【降速旋翼】的技術（內容龐雜，下次開文細講），這也是我在研的課題之一。
此外，由於機翼的存在，在大速度飛行時直升機的氣動效率也比較高，這一點與有翼式直升機相同。
圖——直升機反流區（左側）
由於旋翼的存在，複合式直升機飛行速度的提高仍然受到限制。Vmax很大時為了避
免局部激波的出現，旋翼轉速不能很大，而前進比就會很大。隨著前進比的增加，旋翼反流區也不斷擴大，當前進比大於1時，後行槳葉幾乎全部處在反流區中。這樣，旋翼就在極其惡劣的氣動環境下工作。
圖——前歐洲直升機公司（已被空客收購）的X-3創下了非官方的最大直升機飛行速度記錄——472千米時
目前看來，複合式直升機的最大速度也難以超過500km/h~550km/h和正常式直升機相比，由於附加了機翼及推進裝置等部分，增加了複合式直升機的結構重量。當然，在垂直飛行狀態下機翼的垂直阻力也會引起附加的功率損失。
3、 小小總結一下
上文所述的內容，可以總結為以下幾個點：
（1）無論有翼式或複合式，都只適合于飛行速度要求較大的情況。只有在較大的最大飛行速度情況下，才有可能用較小尺寸的機翼提供較大的升力。這樣才可能比較明顯地改進直升機的氣動效率而不致於在重量效率及垂直飛行性能上損失過大。假如飛行速度要求很大（370km/h以上）就只有複合式直升機才能實現。
（2）上述兩種型式的直升機更適合於航程要求較大的情況。儘管這兩種型式的直升機在重量效率上往往有所損失，但是，由於大速度飛行時這兩種型式直升機的氣動效率提高了（單位需用功率降低），因而相對燃油重量會有所降低，航程越大就越顯著。因此，就有效載荷在總重中所佔比例而言，航程越大，採用有翼式及複合式就越有利。此外，只有在航程較大的情況下，提高直升機的飛行速度才能顯著地提高直升機運輸的平均速度，從而提高單位運輸率。
（3）除了給直升機裝翅膀，還有哪些方式能讓直升機獲得更大的飛行速度呢？其一：剛性共軸雙旋翼複合式旋翼飛行器；其二：傾轉旋翼飛行器。前者不僅能獲得更大的前飛速度（理論最高可超過600千米時），同時還具備了與直升機相同的懸停性能，從目前來看是取代現役直升機的最佳選擇；後者具備基本的懸停和低速機動能力，同時具備與螺旋槳飛機一般的前飛速度，可超過800千米時，能大大提升任務半徑和作戰面積，可以說是未來多用途垂直起降飛行器的首要考慮對象。兩者市場需求都很大，前景廣闊，和有翼式複合直升機形成了直接的競爭，如對這兩種機型感興趣，可翻閱我以前的文章，後續我還會繼續對兩者進行更詳細的介紹。
圖——剛性共軸雙旋翼，西科斯基&波音聯合研製的SB>1 挑釁者
圖——貝爾最新傾轉旋翼飛行器 V-280 勇氣
TAG:旋翼飛行器 |