垂直起落之路上的匪夷所思（五）

晨枫

/ x( g5 C+ u6 Y. m. X! y7 }还有一些比较特别的设计，不大好归类，统统放到这里。


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。

: t: R  @* [3 a$ e4 G# M" S  S这显然是现代多旋翼无人机的先驱，而且采用涵道风扇。

3 }3 Z) g: F3 s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。
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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。
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: l) |  C7 i  G6 H* K5 a1 n6 Z+ B6 y! P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。
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# V: D/ H5 ]( F, K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。

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。
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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。

4 ]2 q3 d2 }9 y, J* l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。

2 D+ r9 V3 y: L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。
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; N# x1 O. z2 m% i  ]LTV XC-142差点投产了
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! \7 a7 p( f6 l9 p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
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采用分布式多旋翼的话，尤其适合倾转机翼
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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。
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2 i: O4 X* `0 e" T' Q, r- c/ `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。
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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
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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
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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
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在陆地上使用的话，尘土、树叶被吸入，更是问题
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$ z, |; }0 `; ^0 r6 j3 w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
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洛克希德XV-4也用引射增升，以差不多的理由下马了
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" I# E" K4 D7 e, H1 S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。
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紧接着美国海军推出直立起飞、拦阻索降落的思路

另一个思路是“天钩”。

, }# [/ `4 z1 j( ]  q. F) h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。
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& x8 H" z$ f3 k/ _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。

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) m# }( X9 J$ y- Y% G) l天钩将“鹞”式的垂直起落吊离甲板，消除对舰船的影响
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% W1 z: M) P5 U% K" J8 d4 z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


+ B& o+ Y: y. Y4 b; i% [9 r这是真的试验过的
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+ ^. Q& Z6 t* Z' A8 R0 T# n) z( {- f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

- R) C' [# z; ?& o/ V% @+ r都怪讨厌的重力。