敢要價2億美金的直升機技術——降速旋翼技術概述

正篇開始前先說個「故事」，美國Cartercopter的創始人曾經來中國尋找買家，希望該買家把他們家公司買下來(據說是後續研發費用太高，無力繼續投入資金），其出價一度高達2億美金，中國的老闆就納悶了，你就賣個公司架子，已經造出來的旋翼機又不算在裡面，怎麼敢要這麼高的價格呢？

Cartercopter創始人就說：我們家有完整的「降速旋翼技術」啊，只此一家，別無分號，你在全球任何地方都買不到這麼好的技術了，像西科斯基他們也有這技術，但是他們不會賣給你啊。

且不說值不值兩億美金，這項技術確實直接關係到下一代高速直升機的研製。

降速旋翼（Slowed Rotor）是在某些型號的旋翼飛行器的實際設計和試飛過程中發現並提出來的一個概念。降低旋翼的旋轉速度可以降低旋翼的阻力（尤其是激波阻力，後文會具體說明），使得飛行器可以飛得更快或是更經濟（省油）。

1.背景

圖——直升機飛行包線

常規直升機的旋翼轉速一般被設計為一個「固定值」（此處我將固定值用引號標註出來是因為常規直升機的轉速雖然理論設計值為一個固定值，但是在實際飛行中，旋翼轉速必定會在一個比較小的範圍內變化，具體原因感興趣的讀者朋友可以查閱本號之前發的一篇文章——《直升機旋翼的轉速到底變不變？事實可能與你想的不一樣》），處於該轉速下的直升機能夠在其飛行包線內的大部分區域都有著較優的性能。

圖——直升機前行側和後行側；上方為直升機前飛方向，旋翼逆時針旋轉，左側為後行側，右側為前行側

直升機轉速首先受限於發動機功率，此外，還有兩個主要限制：

（1）後行側槳葉的失速：旋翼後行側的氣流是來流速度和旋轉速度之差，因而隨著前飛速度的增加，旋翼後行側槳葉的相對來流逐漸變得更小，這一側的氣動力也越來越小；而前行側的氣流是來流速度和旋轉速度之和，因而隨著前飛速度的增加，前行側槳葉的相對來流越來越大，因而其氣動力也越來越大，在正常的情況下，通過旋翼的揮舞，可以使得兩側力矩平衡，但是旋翼揮起的高度是有限的，當前飛速度足夠大時，旋翼後行側從完全失速，旋翼無法通過揮舞配平前行側和後行側的力矩，就會導致直升機失穩；

（2）前行側槳葉槳尖處超音速激波阻力的限制：前一條說了，前行側的氣流是來流速度和旋轉速度之和，因而隨著前飛速度的增加，前行側槳葉的相對來流越來越大，旋翼的旋轉速度是非常高的，其前行側槳尖速度因而也會非常高，隨著前飛速度的增加，該速度很容易接近甚至跨越聲速，從而導致出現極大的激波阻力，導致旋翼產生巨大的反扭矩，發動機將無法承擔，從而導致直升機無法進一步增大前飛速度。

綜合以上種種因素，常規直升機的前飛極速一般被限制在300-370千米時。從目前的記錄來看，帶短翼的直升機極限速度達到過417千米時，而常規直升機極速曾達到過400千米時——此時該直升機前行側槳尖速度達到了1馬赫數，當然這些極速都是在極限情況下實現，在常規飛行中也很難復現。

2.降速旋翼的理論說明

圖——降速旋翼自轉旋翼機

對於旋翼飛行器而言，前進比μ是一個很重要的值，其定義為——旋翼飛行器槳盤切面來流速度與旋翼槳尖速度的比值。常規直升機旋翼槳尖速度是很高的，常規直升機的前進比一般來說絕不會超過0.4。

眾所周知，常規直升機前飛過程中旋翼會有前傾角，因而，其槳盤切面來流速度不同於前飛速度，而應該是前飛速度在槳盤切面方向的分量。

旋翼的型阻往往與旋翼的轉速直接相關。降低旋翼旋轉速度因而將會顯著降低旋翼阻力，從而允許更高的前飛速度或者在相同的前飛速度下消耗更少的功率從而節省燃料。

用黑鷹直升機的旋翼來說明一下實際情況：將黑鷹的轉速下降到原轉速的75%的話，其消耗的功率將最低，然而由於黑鷹完全依賴槳葉提供前飛拉力，因而若要飛得更快，黑鷹的旋翼就需要提供更大的拉力，因而其槳葉轉速就必須更快。

因而，對於常規構型的直升機而言，降速旋翼在帶來某些方面的好處的時候必須要犧牲其他方面的性能。

3.降速旋翼的用武之地

常規直升機應用降速旋翼這項技術的時候，往往是出於在巡航飛行時侯節省性能，而那些追求高速（這也是下一代直升機的發展方向）的旋翼飛行器（已經不能簡單稱為直升機了）則勢必要採用降速旋翼的技術，下面舉幾個應用降速旋翼的典型例子：

## 洛克希德AH-56夏延

圖——夏延直升機

夏延的設計在當時來說相當激進，主要是當時複合直升機的概念還在初期，它不僅加裝了短機翼，還同時配備了尾推和尾槳，系統複雜，更兼要實現旋翼轉速切換，對當時的機械配件水平而言也是巨大的挑戰，因而該項計劃最終敗給了同樣聲名赫赫的AH-64阿帕奇。

圖——阿帕奇直升機

## 波音 A160 蜂鳥無人機

圖——蜂鳥直升機

蜂鳥的降速旋翼技術又稱為最優轉速旋翼技術，其原理就是給蜂鳥無人機設置兩套轉速，在巡航時，採用降速技術，降低旋翼轉速以使得其需用功率更低來實現更長的滯空時間。

## 西科斯基X-2剛性共軸雙旋翼直升機

圖——X2

大名鼎鼎X2不用多說了，美軍ABC概念旋翼的驗證機，黑鷹的潛在替代者，魚鷹的直接競爭對手，S-97掠奪者的前身，SB>1 計劃的先驅。

採用一組兩副剛性旋翼，懸停和低速時候性能如同直升機，高速前飛時，旋翼轉速降低，後部尾推全力推進，達到400千米時的速度還是輕輕鬆鬆的。

## 空客-歐洲直升機公司 X3

圖——X3

X3試飛的時候曾經和高鐵賽跑過，完全超越了高鐵，並且保持了目前旋翼飛行器界最高的前飛速度——472千米時。

其構型為單旋翼帶短機翼，然後兩側短機翼上假裝兩個螺旋槳，旋翼反扭矩通過螺旋槳來平衡，高速前飛過程中，旋翼拉力卸載，逐漸由短機翼承擔主要升力，螺旋槳承擔全部推力。

特別嘉賓

## 貝爾-波音 V-22 魚鷹

圖——魚鷹

其實魚鷹不能說用了降速旋翼的技術，更準確應該說他應用的是變旋翼轉速技術，它主要的考慮就是直升機狀態下和固定翼狀態下對旋翼轉速要求顯然是不同的，所以就需要兩套轉速，當然，魚鷹本身的機械傳動就很複雜，變轉速傳動機構更加增加了系統的複雜度，這也是魚鷹事故高發的一大原因。

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