垂直起落之路上的匪夷所思（五）

晨枫

还有一些比较特别的设计，不大好归类，统统放到这里。
% Z+ C( Y0 T% G

+ K8 [! Z$ p+ `' N2 n6 i3 h贝尔X-22采用“四立柱”的涵道风扇

贝尔在直升机世界里是巨头，从一开始就在垂直起落方面深耕，1966年首飞的X-22曾经是很有潜力的方案。
- k% R" Y6 Q+ a& K! J7 o
这显然是现代多旋翼无人机的先驱，而且采用涵道风扇。

, W+ e9 u7 G. }1 A' E四个涵道风扇显然对应于“四立柱”，由于采用四台分别的发动机，横距和纵距问题都容易解决。当然，代价是交联驱动轴，前后、左右涵道风扇都用同步轴联动，每台发动机都能提供30%的额外功率，所以任一发动机故障的话，其余发动机可以接过，保证安全。当然，这样的同步轴意味着重量、机械复杂性和功率损耗。

现在多旋翼无人机不再用同步轴，主要是因为无人机没有那么高的安全性要求。不同步只是飞行时有点摇摇晃晃，无大碍。但换成载人的话，这点摇摇晃晃就不只是不舒适的问题，可能飞行员直接被晃晕了，没法安全操纵。最不济，一台电动机故障，无人机失控，摔了自认倒霉，但没有太大的问题。多旋翼如果推广到载人，要么极大增加旋翼-电动机数量，八旋翼起跳，甚至更多，要么也采用机械的同步轴，那分布式电动驱动的优点就抵消了。
% z& j/ F$ S4 C  W9 u
对于X-22来说，涵道风扇也是领先时代的。

与开放旋翼相比，涵道风扇的推进效率更高。旋翼翼尖和机翼翼尖一样，有翼尖涡流损失损失。对于机翼来说，下表面压力高，上表面压力低，这本来是产生升力的关键，但在翼尖处，气往低压流，气流会横着绕过来，向上表面流动，形成涡流。这部分能量既不产生升力，也不产生推力，所以是损失，等效为阻力。旋翼也一样，在翼尖有径向绕过来的涡流损失。说起来，这也是涡流环，但和一般说的速降中形成的涡流环不一样，不要混淆。
  }3 J# C/ F  H$ v
8 \5 ~# [6 u# C. O$ G, e要降低翼尖损失，飞机用翼梢小翼，旋翼就用涵道。翼梢小翼增加重量和阻力，使用与否是个权衡问题。涵道的重量和阻力可是大得多了。一般说来，只有在旋翼直径无法加大而升力或者推力还是不够的时候，才采用涵道。在飞机上，在船上，都是这样。涵道壁还有阻隔噪声的作用，但这是次要的。

. A: x. x, {& W" l# ^, X在X-22上，降低旋翼直径正是采用涵道风扇的原因，否则就大而无当了。更重要的是，涵道风扇转过来，从升力风扇转变为推进风扇的时候，涵道本身起环形翼的作用，增加升力。
) F+ C1 H- j. B: B% \7 l
" f: L6 Y7 \" P, x9 [0 W4 x不过X-22最后还是因为性能达不到要求，尤其是垂直起飞重量，而速度没有比直升机高多少，下马了。本来这是美国陆军“空中吉普”的候选。

6 v2 M: y) B6 |6 k  y. {无数垂直起落设计或者构想中采用涵道风扇，最后都是栽在重量和阻力上，还有同步轴。
: ]4 h& U* q& ]5 r; T( d
1 V9 o  }) b) e9 E# x/ N8 a+ t6 W  [另一方面，现在人们对倾转旋翼已经熟悉，实际上还有倾转机翼。发动机和旋翼相对于机翼是固定的，但整个机翼一起倾转。


3 [- P! T- N8 s: vLTV XC-142差点投产了
: M8 v4 h0 M+ V% K8 h

$ U4 p+ P& U) b) U6 X8 K# v- n, I在无人机时代，倾转机翼重新流行起来，因为只需要一套倾转机构


2 g. ~2 V  a. _( `$ p0 T采用分布式多旋翼的话，尤其适合倾转机翼
. Q" m% X7 o5 ~9 n  N
倾转机翼和倾转旋翼的特点相近，实际上更加适合垂直起落和悬停，因为“下洗阻力”小。但在短距起落状态，接近竖立的机翼像门板一样，阻力极大，而且容易失速。不过在无人机时代，倾转机翼反而比倾转旋翼更加简单：只有一个倾转机构，而不像倾转旋翼，每一个旋翼都需要一个倾转机构。
; i' E9 Z4 F6 I0 Q/ ?
7 I  |* J3 H2 U* z, H对于分布式推进来说，倾转机翼尤其适合。分布式推进将推进力沿翼展均匀分布，使得推进气流不再集中在少数几个推进器（螺旋桨或者喷气口）附近，大大改善整个机翼的升力效率和受力分布。这要是也用倾转旋翼的话，沿着机翼翼展需要很多倾转机构不说，还需要很多开口，影响结构强度和重量。倾转机翼就省事多了，只需要在机翼-机体结合部一套倾转机构就成。


引射（ejection）利用文丘里管的远离，用少量高压流体的高速流动在喉部产生负压，抽动大量低压流体，极大增加流体总流量，增加推力
& G5 C% ]& b7 n# J7 Q* A- S

罗克韦尔XFV-12基于引射原理，用发动喷流拉动环境空气，产生增升

) x0 B! j: q, u! O. U
' k1 I5 q- k& \* d在原理验证时，效果很鼓舞，但到了实际飞机研制出来、开始试验的时候，发现引射增升根本达不到预期，对环境空气的条件太敏感，再增加引射口也无济于事


! E3 }( p" n; F% D, ?在陆地上使用的话，尘土、树叶被吸入，更是问题

+ `2 b% O0 _; f, T# [9 ^5 M4 G* \
这本来要成为朱姆沃尔特的“制海舰”的舰载战斗机，这下黄了
) x+ |  B; x6 t* v+ B

洛克希德XV-4也用引射增升，以差不多的理由下马了
* y' [2 d) h+ h' k
! w, y, J1 R: D2 j' u/ G" Z. v但是美国海军还没有放弃制海舰的想法，在80年代战斗机推重比已经超过1的时代，试图用类似直立起飞的办法，用“起竖式舷侧平台”作为发射架，让战斗机靠自己的动力直接升空，降落还是需要拦阻索。但起飞准备时间很长，起飞重量和垂直起飞一样，很受限制。战斗机推重比超过1.0是指在正常起飞重量下。海上出动尤其强调航程和载弹量，需要以最大起飞重量起飞，还是不行。
. a* I1 o7 m  K3 P8 O
/ w8 i$ Y7 v- e$ I: j3 h% l! L# _; i
' f# j+ K, G! U3 Y- ]& [7 [, z紧接着美国海军推出直立起飞、拦阻索降落的思路
) d2 r, h9 d! J' D9 r6 A
另一个思路是“天钩”。

在“鹞”式初步上舰的时候，人们以为可以像直升机一样运作，只要直升机甲板面积够用就行。后来发现，临时用用可以，常年出动不行。甲板摇晃、喷流烧灼都是问题。这也是“阿波罗”和“联盟”号在轨道上对接的时代，于是有设想用起重机将“鹞”式吊到舷侧海面上空，再发动机点火。这就没有喷流烧灼问题；起重机吊臂也可以在空中三轴稳定，相对于飞机的位置反而稳定。飞机产生足够升力后，起重机脱钩，飞机飞走。

回收时反过来，飞机首先与起重机吊钩对接，然后发动机关机，起重机把飞机吊回甲板。
- A0 H# M+ ]1 w; g$ r" Z
$ o' O4 O+ I: @# ^, R% P
天钩将“鹞”式的垂直起落吊离甲板，消除对舰船的影响


" m* q8 ^2 o& |: B# V! g0 i预期4000吨以上的驱逐舰就能改装，实际上7000吨以上更好，极大增加海上航空力量的建设成本和部署灵活性
7 r! R  f7 y& u8 A' J; |

这是真的试验过的

6 }" A2 h& ?3 b# {  i但“天钩”最后放弃了。对接是高难度的，偶尔为之可以，不宜作为日常运作。垂直起飞、着陆和悬停对重量的限制还是绕不过去，还是老老实实走STOVL航母的路。

五月

都怪讨厌的重力。

9 E8 X2 f" M4 ?5 r3 Y) h