直升機原理詳解
時間：2011-04-05 10:12來源：藍天飛行翻譯 作者：航空 點擊：次
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Focke-Wulf 的升力風扇方案 二戰后期，德國秘密武器研制計劃中，Focke-Wulf 就有用升力風扇實現垂直起落的想法，但真正實現這一概念的，還是 Vanguard Omniplane / 其機翼中巨大的勝利風扇提供垂直起落時的升力，機尾的推進涵道螺旋槳提供推力，涵道后的氣動控制面提供飛行控制 機翼實際上還是符合氣動升力的要求的，就是特別肥厚了一點 通用電氣是制造航空發動機的公司，但在 50-60 年代的垂直起落大潮中，也來趕了一回時髦，和 Ryan 聯手，研制了 XV-5 垂直起落研究機，機翼上的蓋板可以打開，暴露出機翼內的升力風扇 / XV-5 在懸停中，可以看到機翼上向上折起的風扇蓋板，機翼下表面另有百葉窗式的蓋板 這張圖可以看到一點機翼下表面百葉窗 / 這里可以清楚地看到打開蓋板后機翼里的升力風扇，注意機首還有一個關閉的“百葉窗”，下面是另一個較小的升力風扇，用于控制俯仰 平飛時，機翼上下表面的風扇蓋板板關閉，減小機翼阻力 XV-5 的風扇有點創意，是通過對翼尖吹氣驅動的，即所謂 tip turbine 比升力風扇上更“優美”的是所謂引射增升（ejector）。引射是貝努力原理的一個應用，如果對文丘里管（背對背的喇叭口）吹入高速氣流，在文丘里管的喉部會產生低壓，這個低壓會拉動文丘里管外上游的空氣，和吹入氣流混合，一起噴出文丘里管，最后文丘里管出口的氣流流量大于吹入的氣流。工業上常用這個原理，將大型容器內的氣體抽吸出來。理論和實驗證明，拉動氣流和吹入氣流之比可以達到 1.5-2：1，如果在機身或機翼上安裝引射裝置，就可以用較少的噴氣發動機引出高壓氣流，產生較大的直接升力，這就是引射增升的基本道理。和直接采用旋翼/螺旋槳/風扇的方案相比，引射增升容易和機體氣動外形實現保形，減小正常飛行時的氣動阻力；引射裝置的布置比較靈活；引射的排氣和周圍的冷空氣混合，溫度、速度大大降低，對跑道或甲板的燒蝕較小，發動機吸入廢氣的影響也小一些。70 年代時，由于越南戰爭的拖累，加上傳統的大甲板航母的采購和運行實在太貴，在時任海軍作戰部長 Elmo Zumwalt 海軍上將（最新的“21 世紀驅逐艦”DDG21 就是用他的名字命名的）的倡導下，美國開始研究“海上控制艦”（Sea Control Ship）概念，意圖用較小的（一到兩萬噸）的直通甲板小型航母，運載較少但仍有足夠戰斗力的垂直/段距起落飛機，補充大甲板航母的作戰，美國海軍開始對垂直起落戰斗機認真起來。美國海軍和工業界研究了眾多方案， Part14 里的最后一幅變形金剛也是當時的一個方案，目的是結合當時在阿波羅飛船上獲得成功的空中對接技術，用重型吊車把垂直起落飛機吊到舷側，然后點燃發動機，熾熱的噴氣流直接射向海面，不損傷甲板，著陸時把順序反過來。類似的還有在“鷂”式戰斗機背上吊掛的方案，但最后選定的是采用引射增升的羅克韋爾 XFV-12 方案。 XFV-12 采用美國戰斗機中不常見的鴨式布局，鴨翼低置，主翼為上單翼，翼尖設垂尾，總體布局比較前衛，但最前衛的當然是在機翼內和鴨翼內的引射增升裝置。發動機為 F401，這是本打算用于 F-14B 的海軍型的 F100 發動機，F-14A 的 TF-30 發動機發動機一直有動力不足和可靠性低下的問題，海軍一直就是把 F-14A 作為過渡型戰斗機，采用和 F-15 的 F100 發動機大量共享的 F401 發動機的 F-14B 才是海軍心目中的理想戰斗機，但 F100 和 F-15 的發動機進氣道匹配問題及 F100 本身的可靠性問題，在 F-15 服役的前幾年，差不多使任何時候至少有一半的 F-15“永久性”地趴窩，海軍的 F-14A 也就變成“永久性”的，直到裝 F110 的 F-14D 的出現，但那已經為時太晚，不過這扯遠了。對于 XFV-12 來說，F401 的可靠性還沒有成為問題，自身的基本設計已經問題多多。XFV-12 的前后左右的引射增升裝置控制俯仰和橫滾，引射增升裝置下方下洗氣流中的控制面控制偏航。考慮到實際氣動損失和不完全混合，實驗室規模的 XFV-12 引射系統可以達到 55% 的增升率，也就是說，1 份吹氣可以拉動 0.55 份環境空氣，但實際試飛時，主翼的引射裝置只達到可憐的 19% 的增升率，鴨翼只達到幾乎可以忽略不計的 6%，遠遠沒有達到設計要求。在計劃大大超時超支后，海軍的戰略也轉為“向大甲板航母一邊倒”，XFV-12 就此下馬了。 |
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