垂直起落之路上的匪夷所思（一）

晨枫

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7 v% j0 d4 V" I. P, s“镧影R6000”勾起了人们对垂直起落的兴趣，不少人兴致勃勃地构想起更适合垂直起落的构型。实际上，绝大部分今天人们想得到的构型，在历史上都尝试过，有的还飞起来了。说垂直起落的路上布满了先行者的尸体，真是一点不为过。
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说起来，自从莱特兄弟发明飞机，不需要跑道的飞机就一直是人们不懈的追求，尽管成功量产的只有谈不上惊艳的“鹞”式、雅克-38、F-35B，如果不算差点量产的雅克-41的话。

但垂直起落之路一路走来，不乏令人拍案叫绝的奇思妙想。这里分段介绍几个。

! o% J) W4 i% I  ^1 @& l7 g# r* S波音一般来说是个循规蹈矩的公司，不大搞旁门左道的东西。但波音X-50“蜻蜓”可算眼前一亮。


6 A. o( E1 U+ J7 x9 i' Q( O, V: l" HX-50粗看起来就是有点奇怪的鸭式飞机

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“鸭翼”是可以旋转的，这时起旋翼的作用


+ r# z4 j' F* `! R4 a还可根据飞行状态要求改变迎角


7 l# X4 T3 D0 [+ j* |0 c垂直起飞后，最终旋翼锁定，成为机翼
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既然机翼与空气的相对运动是产生升力的关键，直升机的原理就是“飞机不动，机翼动；不能直线动，就转着动”。也就是说，机翼和旋翼没有绝对的分界线。机翼转动，就可以当旋翼用；旋翼停转，就可以当机翼用。旋转机翼飞机（stop rotor，也称rotor wing，但容易与指代直升机的rotary wing相混淆）就是这原理，X-50就是这样一个东西。
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好处当然是没有死重，而且固定翼状态下速度在理论上可以达到高亚音速。因此，美国陆军曾经期望很高，或许终于有了自己的垂直起落固定翼战斗机了。

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9 y7 j2 x1 }, Y. @旋转机翼攻击机才是理想武直
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4 b4 r" l, \5 ]' P  i4 E7 C上舰后也有大用，解决了速度和航程问题
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, V2 f' C6 q: d( r& z: ]X-50还采用了一些新颖的技术。旋翼不是机械驱动的，是用翼尖喷气驱动的，因此没有传统直升机的反扭力问题，不需要尾桨。低速飞行时，用姿控喷嘴改变机体和桨盘角度，前倾时旋翼产生一点推进分量，后倾时旋翼产生一点倒飞分量。高速飞行时，用喷气发动机推进，旋翼锁定，成为机翼。


翼尖喷气推动旋翼，高速推进用喷气发动机
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6 G% i, d9 ~& o6 n- m8 O  f9 t& ~X-50在技术演示中，完成了所有规定科目，做到了垂直起落、悬停、低速前后飞、高速前飞等，但最后还是作为技术储备封存了。
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1 o2 a: ~, H$ \4 i' `; `  k# N机翼是第一个问题。如果顺时针旋转的话，在左侧时前缘就是前缘，后缘就是后缘，机翼和旋翼桨叶的前后缘是一致的；转动到右侧时，左侧时的前缘就变后缘了，后缘则变前缘，机翼和旋翼桨叶的前后缘就相反了。因此旋转机翼必须采用对称翼型。
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对称翼型（上）和常规翼型（下）

" q% |8 y( |& X6 B' L' n3 x对称翼型早已有之，但一般是用于高速飞机的。机翼靠上下翼面的气流速度差产生升力。非对称翼型（水滴形翼型）在零迎角的时候就能产生升力，气动效率高。但速度太高的话，一方面阻力太大，另一方面也不需要那么多升力，所以对称翼型应运而生，完全靠迎角来控制升力的产生，在零迎角时不产生升力。这样一来，低速飞行时气动效率不高。

  s& F: K1 v9 O/ K一般对称翼型只是上下对称，用于旋转机翼还需要前后对称，进一步降低气动效率。

4 q5 Y( g: M8 z' j/ V) f旋转机翼飞机谈不上高速飞机，用上下前后都对称的翼型的话，气动效率损失可观，尤其在转入固定翼状态但还是相对低速的状态下。但不用对称翼型则没法解决固定翼前后缘和旋翼前后缘不一致的问题。
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这也决定了机翼上不能有襟翼、副翼等常用气动控制面，只能整体扭转，结构重量和灵敏度都成问题。好处是改变机翼角度的机构对旋翼状态和机翼状态都有用，坏处是机翼状态需要同向改变，旋翼状态需要反向改变，机械同步问题比较复杂，电气同步则不够可靠。
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% B# N; @. }! t+ U1 ]另一个问题是飞行姿态的转换。

垂直起飞时，翼尖喷气推动旋翼，这时像直升机一样工作，姿态控制喷嘴提供一点机体和桨盘的前倾或者后倾，产生低速前飞或者倒飞速度。加速到中速后，喷气发动机开始出力，旋翼进入风车自旋状态，继续产生升力，但不再有动力驱动。进一步加速后，旋翼锁定，成为固定翼飞机。
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. F9 |% p4 g7 y* p转入垂直降落的过程正好相反，首先机翼解锁，进入旋翼自旋状态，然后转入动力旋转状态，垂直降落。

% R# a( U5 ]1 x$ g由于有自旋的旋翼机状态，X-50也可以短滑跑起飞、着陆。旋翼机只需要几十米甚至十几米就可以短滑跑起飞、着陆了。这可以增加起飞重量，降低起飞、着陆操作难度。

3 b1 G) A' @; _2 c& X. o; t说到操作难度，任何牵涉到模式转换的飞行控制都有难度，X-50也不例外。这样三段式的飞行模式转换的飞控挑战大大的，这也是最终技术封存的原因之一。
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$ y( H6 C$ A5 h4 g: e具体来说，动力旋翼到自旋旋翼之间的转换是无缝的，但自旋旋翼到固定翼之间的转换是升力机制的突变。可以通过机翼迎角趋零降低旋翼出力，最后做到无缝转换，但那样锁定后的旋转机翼就不产生升力了，依然是死重。固定的前翼和后翼对升力的贡献也不好办。应该能提供全部升力，才能在自旋旋翼提供零升力时无缝接过；但要是最后还是需要锁定后的自旋旋翼有一定的迎角、产生主要升力，那固定前翼和后翼又多余了，成为死重和阻力。

在X-50之前，有过更加疯狂的旋转机翼设想。

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休斯设想过旋转机翼的运输机，巨大的三角翼-旋翼是最大特征
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F-104也有过旋转机翼的设想
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+ D6 m& q6 l+ G1 K( S( q9 R' v, n西科斯基方案更加接近直升机
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" ^. f( q. n+ o& B+ k  M+ N& c$ c不过西科斯基不是光说不练，研究过用S-72测试旋转机翼的问题，但在最后关头因为美国政府拨款不到位而下马了
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2 s# X: a, B7 Q" M这些方案根本没有走下纸面，机械和气动复杂性当然是大问题，还有一个问题就是自旋到固定翼之间的转换不好解决。

鳕鱼邪恶

呃，现在的软性材料是不是可以造出随时变换翼形的柔性机翼？

晨枫

鳕鱼邪恶 发表于 2024-10-29 11:19
呃，现在的软性材料是不是可以造出随时变换翼形的柔性机翼？

; w- u! i' `4 [) ~$ M. g做不到，也不够可靠