超常規嵌套機身，無軸承旋翼——創新鑄就科曼奇直升機

# 寫在前面

之前的文章中，我詳細介紹了科曼奇直升機歷時十數年，耗資近70億美元的研製歷程，並對其項目取消的原因進行了一些分析，讀者朋友也一致認為，即使科曼奇項目最終取消了，美國在科曼奇研製過程中積累下的經驗和技術「值回」這70億美元，同時也對我國直升機事業發展提出了更高的要求和期望。

我在上一篇講科曼奇的文章中，對其隱身技術指標：雷達回波特徵信號、紅外特徵信號、噪音、可視性等指標進行了介紹，並描述了其強悍的防禦能力，科曼奇的強大性能和超前能力已經展露無遺。而在本文中，我將進一步詳細介紹科曼奇的超常規箱型梁機身設計和創新性無軸承旋翼系統，與諸君共賞，也望拋磚引玉，對國產直升機設計有些許參考價值。

本號持續針對空天領域理論、設計、未來等相關內容進行深度解讀，歡迎關注。

# The Fuselage/機身——超常規的「結構化箱型梁嵌套結構」

超常規機身外形：在進行多重概念設計的論證之後，波音-西科斯基團隊最終為科曼奇直升機敲定一種「超常規」機身。與幾乎當時所有直升機的機身都不一樣（當然，與當時所有的固定翼飛機的機身也不一樣），設計團隊決定在機身的主結構設計上，不採用任何常規飛行器的外形設計。這個考慮的主要原因在於科曼奇的武器裝備系統內置設計——為了降低雷達特徵信號，科曼奇直升機的武器裝備可以裝載在機身內部，在作戰之前展開即可。

可收放式起落架：科曼奇所屬的輕型直升機試驗項目同時也要求科曼奇直升機起落架為可收放式，該設計的目的有兩個：

同樣可以降低雷達特徵信號

提升科曼奇的高速性能（不可收放式起落架在高速情況下會產生極大阻力，限制飛行器進一步提高速度）

超多的檢修面板：除此之外，美國陸軍還強烈要求設計團隊為科曼奇設計「儘可能多」的檢修面板以此來簡化維修任務，提升戰場應變能力。

從上述的種種要求來說，如果仍然採用一種常規布局的機身設計對設計團隊而言反倒是相當艱難的一個選擇，而且其結構效率也會較低（比如說過於笨重或者說強度不夠）。反覆討論和折中之後，科曼奇的設計團隊創造性地採用了一種獨特的直升機機身設計方法，其基本思路就是建造一種內部的「極簡」的結構化的箱型梁內部結構，外部再包裹蒙皮。這樣做的好處顯而易見：

其外部蒙皮不需要承擔主要結構載荷；

艙門和檢修面板可以布置在最恰當的位置，維護性大幅提升；

雷達特徵信號大大降低。

圖——科曼奇獨特的箱梁式嵌套機身示意圖

在項目的早期，這種創新設計被稱為「機身嵌套機身」（Fuselage within a fuselage），雖然提出這種說法的人在某種程度上是抱有著「科曼奇這種設計會非常笨重」這樣的想法。但是事實上，該機身設計可謂是波音-西科斯基最為成功的機身設計之一。

圖——西科斯基總設計師Bruce Kay和展覽中的科曼奇機身蒙皮

當然，在科曼奇機身的製造中，尖端材料（主要是當時最先進的複合材料）的大量應用是其降低生產成本和機身重量的關鍵因素。

圖——科曼奇機身各結構所用材料示意圖

# The Main Rotor System/無軸承式旋翼系統賦予的超強機動性

無軸承旋翼：直升機旋翼技術的進步為科曼奇帶來了新概念的主旋翼系統——無軸承式旋翼（BMR；Bearingless Main Rotor）。簡單來說，無軸承式旋翼系統就是用一段柔性梁來取代常規直升機旋翼系統中的揮舞、擺振、變距軸承。早期直升機旋翼的揮擺扭三個方向運動都需要配備金屬軸承和潤滑脂潤滑。後來採用了油潤滑後，旋翼系統維護量有所降低。到上世紀60年代，彈性軸承的概念被提了出來，此後，直升機旋翼逐漸開始採用再也不需要潤滑的彈性軸承來替代金屬軸承，最早應用彈性軸承的是西科斯基的CH-53D直升機，之後彈性軸承也被應用到通用戰術運輸機系統——黑鷹直升機上。

圖——黑鷹直升機的尾槳

源自黑鷹：黑鷹直升機的尾槳是西科斯基柔性梁概念的第一個實際應用產品。它使用石墨柔性梁各自連接旋翼槳葉，然後組合在一起形成了黑鷹的四葉尾槳系統。到了輕型直升機試驗項目中，該技術被應用到了主旋翼上。

等效揮舞偏置量：對於常規的鉸接式直升機旋翼而言，一般都會設計一個恰當的揮舞鉸偏置量——揮舞鉸偏置量就是指旋翼槳葉的揮舞鉸軸承所處的位置相比於旋翼半徑的百分比值（旋翼旋轉中心為起始點）。揮舞鉸偏置量對於旋翼的操縱性和動力學特性有著巨大的影響，一般來說常規直升機的揮舞鉸偏置量為0~5%。雖然說無軸承旋翼沒有揮舞鉸，但是他們也有著揮舞偏置量，一般來說我們稱之為「等效揮舞偏置量」。由於輕型直升機試驗項目的要求是要打造一款機動性超強的直升機，因此，科曼奇的等效揮舞偏置量設計的很大，達到了10%，足足是常規直升機最大值的兩倍，如此之大的揮舞偏置量賦予了科曼奇高人一等的機動能力，達到了輕型直升機試驗項目的要求。

五片槳葉的設計：科曼奇設計成五片槳葉的主要目的有以下兩點：

降低單片槳葉的氣動力和力矩

降低旋翼的雜訊

這樣的旋翼被叫做「Pentaflex」（五星形柔性）。同時科曼奇的旋翼也採用了變轉速的技術來降低雜訊。不過科曼奇的變轉速技術是通過發動機變轉速實現的。

圖——五星形柔性旋翼系統

旋翼槳葉設計參數：科曼奇的旋翼直徑為39英尺，槳葉弦長為15英寸，槳葉扭轉為-11.1°或者-13.5°，後者是為了增大旋翼總拉力而設計的。槳葉的前85%採用的是波音的10%厚度的VR-12翼型，85%~90%用的是西科斯基的9%厚度的SSC-A09 翼型，90%~98%的部分採用了後掠和尖削設計。槳尖處也採用了下反設計，下反槳尖可以降低槳渦干擾從而降低旋翼雜訊，槳尖部位採用的翼型也是西科斯基的SSC-A09，該翼型具備更大的最大升力係數，並且具有更大的阻力發散馬赫數，因此能夠使得直升機具備更高前飛速度。

圖——科曼奇直升機的槳葉設計總圖

科曼奇直升機的槳葉為全複合材料製造，波音在這方面的製造能力已經相當成熟，該槳葉經驗證能夠承受23毫米的彈道打擊。

看完本文，相信讀者朋友對科曼奇直升機所凝結的設計智慧和創新精神都有了更深入的了解，下一篇我將更一步深入到科曼奇的子系統設計上進行介紹，包括：尾槳系統、發動機、發動機排氣冷卻系統等內容，也是相當精彩，敬請持續關注。

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