【新概念直升机可能走红】 新概念式直升机
直升机由于能够前后左右随意飞行，甚至可以悬停在空中，起飞着陆也不一定非要正规机场，并可到达其它运输工具无法进入的地点，所以它被广泛用于军事与国民经济的许多领域。但是直升机的飞行速度慢，最大速度难以超过360公里/小时，这又使得它的使用受到不少限制。
早在40年代末，人们就提出了各种突破直升机速度限制的方案，如复合式直升机和组合式直升机等新概念直升机。但是，由于当时技术条件不成熟，这些方案最终没有变成现实。
现在，常规直升机的发展已接近它的性能极限，改进的重点已转移到提高常规直升机的效率和减少对环境的影响上。人们对提高直升机有效载荷、速度和航程的要求，进一步促进了人们对上述新概念直升机方案的兴趣。随着科学技术的发展，加上人们不断努力地探索，对这些新概念直升机方案的研究也取得了不同程度的进展，甚至取得了突破性的成就，例如V－22“鱼鹰”倾转旋翼机就即将投入实际使用。
限制直升机速度提高的因素
直升机是依靠旋翼产生升力并提供推进力的。直升机在作垂直和悬停飞行时，空气气流基本上是沿旋翼轴方向，垂直流经旋翼桨盘的，桨盘左右两边桨叶表面对应点的气流速度相同。这时，旋翼周围的空气流图谱与固定翼飞机螺旋桨的一样。
直升机前飞时，由于有了前飞速度，流经桨盘左右两边桨叶表面的气流速度则不相同。在旋翼桨叶转动方向与飞行方向相同的前行边，流经桨叶表面某点的气流速度应是该点的旋转切线速度加上直升机的飞行速度。在旋翼桨叶转动方向与飞行方向相反的后行边，气流速度应是旋转切线速度减去飞行速度。旋翼旋转时桨尖处的切线速度一般都在200米/秒左右，假设直升机飞行速度为360公里/小时，即100米/秒，则前行边90度处桨尖的相对气流速度为300米/秒，这与340.2米/秒的音速很接近了。如果直升机速度再增加，该桨尖处就会出现激波，产生激波失速。
在上述相同假设条件下，旋翼后行边270度桨尖处的相对气流速度为100米/秒，桨根部分还会出现气流从桨叶后缘流向前缘的返流区。由于后行边气流相对速度减小，桨叶产生的升力也会随之减小。为了使升力保持与前行边的相同，就必须增加后行边桨叶的桨距，但是桨距过大会出现气流分离失速。因此，旋翼前行边的激波失速与后行边的气分离失速是提高直升机飞行速度的拦路虎。
要提高直升机的飞行速度，必须解决上述两个失速问题。为此，人们采取了一系列措施，如努力提高桨叶表面光洁度，减小摩擦阻力，使桨叶表面在尽可能大的面积上保持层流附面层；设计时采用在大桨距时气流分离点不易前移的翼型；在桨叶翼型后缘进行修形，使桨叶在大桨距下产生的紊流区变成层流区，以缩小后缘紊流区范围。为了减轻前行桨叶的激波失速，人们还采用了后掠和椭圆形等新形状桨尖，以推迟激波失速。
上述措施只能减轻后行桨叶的气流分离失速和推迟前行桨叶的激波失速，直升机速度提高的幅度很有限，不能从根本上解决提高直升机速度的问题。复合式直升机和组合式直升机等新概念直升机，在前飞时可部分或完全不依靠旋翼产生升力来支持直升机的重量，所以可摆脱桨叶分离失速与激波失速对提高直升机速度的困扰。
复合式直升机
复合式直升机方案是新概念直升机中最简单的，只需在直升机上加装固定的升力机翼和辅助推进装置即可。这种直升机在前飞时，由于机翼和辅助推进装置产生的升力和推进力可减小旋翼上的载荷，从而可以降低旋翼转速，于是推迟了后行桨叶的失速和减轻了前行桨叶上的压缩性效应。这种复合式直升机的速度可提高到445公里/小时，实用升限达6096米，而且航程也有所增大。另外，还能降低旋翼振动和疲劳载荷，大大减少直升机使用费用。
1957年，英国费尔雷公司研制出了“罗托达因”民用复合式直升机。该机巡航速度为370公里/小时，最大航程为1127公里。该机曾引起英国民用航空公司、英国空军和美国空军的极大兴趣。但由于桨尖喷气噪音太大，加之进入市场的时机不对，以及费尔雷公司体制改变而没有继续进行改进和投入生产。
1967年，研制成功的AH－56“夏安”武装直升机，也是复合式直升机。该机最大平飞速度393公里/小时，最大航程为1730公里。但由于该机设计要求过高，研制过程中有许多技术问题需要解决，致使研制费用大幅度增加，加上美国陆军战术思想的改变，所以研制计划于1969年撤销，最终未能投入生产。
虽然复合式直升机至今没有投入生产和实际使用，但人们一直没有放弃对这种直升机的探索。随着重量轻的复合材料、较高效率的推力换向涵道尾桨和现代飞行操纵装置的出现，为复合式直升机的研制成功提供了更坚实的基础。几十年来，一直从事复合式直升机研究的美国皮亚塞基公司，在60年代试飞了它的第一种轴传动“涵道尾桨”复合式直升机验证机，目前该机已被用于美国海军先进技术验证计划的研究。这项计划的目的是，用推力换向涵道尾桨和升力机翼把西科斯基公司的CH－60直升机改装成复合式直升机。
根据计划进度安排，该机大量的飞行试验工作将在2003年进行。研制所用的推力换向涵道尾桨属第二代涵道尾桨，它可提供反扭矩、偏航控制和推力矢量。风洞试验证实，在直升机作悬停飞行时，这种推力换向涵道尾桨的效率，比第一代涵道尾桨要高46％。
美国海军实施此项计划的目的，是为提高CH－60扫雷直升机的升力，以使该机在拖曳扫雷筏执行任务中，具有拖曳2700公斤的能力。美国海军还打算用机翼和推力换向道尾桨对SH－60海上巡逻直升机和HH－60搜索与救援直升机进行复合式直升机修改，以提高飞行速度，缩短救援运送时间。而且，修改成功后，还可增加机翼油箱，从而增长直升机巡逻、搜救的留空时间。
对美国海军陆战队的AH－1W攻击直升机，皮亚塞基公司也在作复合式修改。推力换向涵道尾桨除了可提高AH－1W直升机的飞行速度和改善其贴地飞行的操纵性外，还可使AH－1W具有独特的俯仰能力。因为，常规直升机前飞，完全是由旋翼桨盘前倾所形成的升力分量来驱动飞行的，所以直升机俯仰姿态对飞行速度有直接影响：机头下俯越大，升力的前飞分量也越大，速度就快。经过复合式修改的AH－1W直升机则消除了俯仰姿态对空速的影响。这样，AH－1W就可以在长时间内，在不必低头的情况下，保持较高的前飞速度，这对空战或飞越山顶作战是十分有利的。
英国和意大利也在合作研究EH101直升机的复合式改型，其目的是用来满足英国海军对未来预警直升机的要求。这种预警直升机需要有较高的升限，以便扩大预警雷达的探测范围。为验证此项改型工作的可行性，目前，正在将装有RTM322大功率发动机的“山猫”直升机，按照复合式直升机方案进行改装。
由于复合式直升机在低速飞行时需要的功率比常规直升机大，所以复合式直升机的优点，只有在执行速度较高和航程较远的任务中才能体现出来。
组合式直升机
组合式直升机在起飞、着陆及悬停时，以直升机飞行方式飞行，即靠旋翼升力飞行。而在前飞时则完全以固定翼飞机的飞行方式飞行，这时旋翼被固定在某一位置，或收藏到机身内部。有的旋翼则可转向，以便作为产生拉力的螺旋桨，在推进装置的驱动下依靠机翼以固定翼飞机的飞行方式飞行。组合式直升机的前飞速度一般在600公里/小时至800公里/小时，甚至可以超音速。
组合式直升机形式很多，大致可以分为3类：旋翼收藏组合式、旋翼停转组合式和旋翼转向组合式。
旋翼收藏组合式
旋翼收藏组合式直升机在前飞时，旋翼被折叠收藏在机身凹槽内或折叠收放在机身上，仅在垂直起降和悬停飞行时旋翼才展开，并通过旋转提供升力。这种方案，旋翼折叠与展开时的空气动力学问题也难以解决，因此，这种方案自60年代提出来以后没有取得什么进展。
旋翼停转组合式
旋翼停转组合式直升机在前飞时，旋翼停转并锁住在特定位置上，此时桨叶作为机翼产生升力，前飞推力则由喷气发动机提供。60年代人们提出的三角形旋翼和X形旋翼直升机方案属于旋翼停转组合式直升机。它们前飞时，三角形旋翼在一角朝前的位置锁定，另两个角在机体上方两侧，整个旋翼即可形成机翼；X形旋翼有4片桨叶，使桨叶与机身成45度角停转锁定，4片桨叶均可作为机翼提供升力。由于这两种方案存在气动学方面的问题，且操纵困难，所以一直处于方案研究阶段。
为了解决旋翼停转时从直升机飞行方式向固定翼飞机飞行方式平稳过渡的问题，美国提出了一种“鸭式机翼”方案。这种方案采用两片大弦长桨叶的旋翼，无尾桨，在前机身两侧装有鸭式机翼，后机身上的水平尾翼翼展较大，动力装置为一台涡轮风扇发动机。
这种组合式直升机在以直升机方式飞行时，发动机风扇排气和喷气热排气的混合气体，经过桨叶中的管道引导到桨尖的喷口喷出，从而驱动旋翼旋转。同时，气流也被引导到尾部两侧的喷嘴喷出，以控制飞行方向。随着飞行速度的增加，旋翼上的升力逐渐被转移到鸭式机翼和水平尾翼上。这时鸭式机翼上的襟翼被放出以增加升力。当飞行时速达到185至220公里时，发动机混合气流就被导向直升机尾部，并由喷口排出，从而产生前飞推力。此时，即可将旋翼转速减慢，然后停转与机身成90度角锁定，这样它们就会成为一副机翼。由于在飞行中它可为直升机提供部分升力，因此，鸭式机翼放出的襟翼便可收回，最后达到能够以固定翼飞机的方式飞行。这种旋翼直升机其最大速度可达到700公里/小时。
鸭式机翼旋翼直升机的优点是，两种飞行方式转换过渡平稳，没有减速器、方向操纵机构和尾桨，结构简单，重轻，效率高。对这种方案，美国军方有很大兴趣，发展前景看好。
1988年3月，美国国防部国防预研计划局和波音公司签订了一项合同，***同投资试验和验证这种方案。按计划，波音公司将在3年之内制造2架称作“蜻蜓”的技术验证机，以用于飞行试验。“蜻蜓”验证机是一种无人驾驶飞机，机长5.83米，旋翼直径3.65米，重590公斤，采用F112巡航导弹用的涡扇发动机。预计，该机将于2001年初作首次飞行，如果进展顺利，然后就将用于验证整个方案的可行性。
美国海军陆战队希望将这种直升机设计制造成9吨级的有人驾驶直升机，并能装备导弹和其它武器，目的是用于为MV－22倾转旋翼运输机作武装护航。
旋翼转向组合式
旋翼转向组合式直升机有两种形式：一种是倾转机翼机，一种是倾转旋翼机。
1.倾转机翼机
倾转机翼机外形与固定翼飞机相似。它在水平飞行时与固定翼飞机没有差别，旋翼就象螺旋桨一样驱动飞机飞行；在悬停与垂直飞行时，整个机翼，包括安装在它上面的发动机和旋翼会一起向上倾转90度，处于垂直位置，此时，旋翼升力垂直向上，直升机即可作悬停和垂直起降飞行。这种倾转机翼机速度可达到600公里/小时至700公里/小时，航程达600至1000公里。
60年代，加拿大研制了CL－84，美国研制了XC－142倾转机翼机。这两种都是方案验证机，后因技术等原因都没有发展成生产型。90年代，日本公司提出了TW－68倾转机翼机方案，它装4台发动机和2副旋翼，现仍处于方案研制阶段。
早期的倾转机翼机，如XC－142，在低速时会遇到尾部失速，为了解决这种横向操纵问题，就需要安装尾桨。对此，美国波音公司提出了一种改进方案，即“无尾高级战术运输机”方案，该机又叫“超级蛙”。实际上，在这种飞行器上体现出的直升机和旋翼机特点都不明显了，可以说是新概念直升机的远亲。该机采用左右侧反向旋转的旋翼和分裂式襟翼/副翼来进行横向操纵，不需要尾翼和尾桨，是一种无尾倾转机翼机。但该机不像加拿大的CL－84那样，能真正做90度垂直起飞和着陆，而是一种能运载30吨重物的超级短距起落运输机，它能在简易机场的180米长非永久性跑道上起降。“超级蛙”在起飞降落时，机翼只向上倾转42度，以增加起降时的升力。
“超级蛙”装有4台大功率涡轮螺桨发动机，它们通过交叉轴与旋翼相连，可以增加飞行的安全性，因为任何一台发动机均可通过交叉轴驱动旋翼旋转。在一台发动机发生故障时，该机还能从340米长的跑道上起飞，并飞越23米高障碍物。在满载时，航程可达到3300公里。波音公司正在飞行试验该机7％的比例模型，如果经费充足，有望在2011年研制成功。
2.倾转旋翼机
倾转旋翼机在类似于固定翼飞机机翼的两翼尖处，各装有一副可在水平位置与垂直位置之间来回转动的旋翼。当旋翼处于垂直位置时，倾转旋翼机就相当于双旋翼横列式直升机；当旋翼处于水平位置时，倾转旋翼机就相当于固定翼飞机。倾转旋翼机能作高速远距飞行，巡航速度可达600公里/小时。在新概念直升机中，倾转旋翼机是发展最为成熟的，现在不仅已有几种设计方案，而且美国贝尔直升机公司研制的V－22“鱼鹰”倾转旋翼机已经进入部队服役。
40年代末期，美国贝尔直升机公司就开始了对倾转旋翼机技术的研究。1995年第一架XV－3倾转旋翼实验机首次飞行。1973年，根据美国航空航天局和陆军的要求，该公司又研制了2架XV－15研究机，以用于验证倾转旋翼机方案，并于1977年首次飞行。1981年，美国提出“多军种先进垂直起落飞机”（JVX）计划，要求在XV－15的基础上研制三军***用的V－22倾转旋翼机，并于1983年正式将这种飞行器命名为V－22“鱼鹰”。1988年第一架原型机出厂，1989年首次飞行。该机的最大起飞重量24947公斤，最大飞行速度达到510公里/小时，航程达1400公里，有的性能大约是常规直升机的2倍。
V－22一***研制了10架原型机，并进行了各种试验。V－22的研制过程并不是一帆风顺的，到2000年年底，它已出现过4次坠毁事故，总***死亡30人。从前3次事故原因的调查分析来看，事故原因不是出在倾转旋翼机的基本原理上，也就是说方案是可行的，但还有待进一步完善。第四次事故发生在2000年12月11日，事故原因还在调查分析中，据估计，也不大可能是这种方案本身的问题。由于事故原因不明，该机已被全部停飞，中止了正在进行中的作战评定工作。
有理由相信，在事故原因彻底查明后，将会继续进行该机的作战评定试飞工作，并在达标以后转入全速生产。不过，美国海军陆战队原来装备该机的计划将会受到影响。根据原计划，海军将在2000年内接收11架V－22，并于2001年1月建立第一支拥有12架V－22倾转旋翼机作战中队，即VMMT－204作战中队。
美国贝尔直升机公司在军用V－22成熟技术的基础上，还与意大利阿古斯塔公司合作研制了民用的BA609倾转旋机，预计在2002年投入使用。在研制中，由于采用了V－22没有使用过的快速与廉价的制造工艺，所以制造时间减少了一半，制造费用也大幅度降低。为此，这种6至9座的7吨级民用倾转旋翼机，是具有很强的市场竞争力的，现在已有来自18个国家的80多架订货。
由于V－22研制的成功，并具有良好的市场前景，贝尔直升机公司又在研制大型四旋翼的倾转旋翼机（题图为四旋翼复合直升机使用飞行想象图），以满足军民用的要求。这种四旋翼倾转旋翼机采用前后2副机翼，前后机翼的两翼尖均各装有一台发动机和一副旋翼。前翼翼展为15.7米，后翼翼展为22.9米。前后机翼翼展不同，是为了避免前旋翼尾流对后旋翼的影响。机身宽3.66米，这与C－130运输机的机身宽度差不多，它能装运90名士兵或8个标准集装箱。它的有效载荷为19000公斤，这是V－22的2倍，内部容积是V－22的8倍。以短距起落方式起落时，可载重13600公斤飞行1800公里。为了降低研制费用和减小风险，它将采用与V－22相同的航空电子设备、传动装置、发动机短舱和T406发动机。
为了提高倾转旋翼机悬停和巡航飞行时的效率，美国波音公司正在研究在倾转旋翼机桨叶中采用新器件和“智能”材料，如压电作动器和形状记忆合金，以使桨叶能根据不同飞行方式，达到扭转最佳化。据估计，在V－22旋翼桨叶中采用形状记忆合金后，可以使该机有效载荷增加400公斤或航程增加130公里。美国西科斯基公司还在为倾转旋翼机研制可变直径旋翼，其旋翼桨叶可以伸缩，以使旋翼适应不同的飞行方式。旋翼机悬停时桨叶伸长，旋翼直径变大；前飞时桨叶缩短，旋翼直径变小。研究表明，如果V－22的每片桨叶伸长50％，则有效载荷可提高35％，把它换算成燃油载量，则其航程可增加70％至100％。
美国在倾转旋翼机方面的成功极大地激励了欧洲的同行们。他们最初提出了一个“尤洛法”（Eurofar）倾转旋翼机计划，后又提出“欧洲倾转旋翼机”（Eurotilt）计划。这两个计划提出的设计方案，与美国的V－22和BA609那种采用发动机与旋翼全部倾转的方案不同。它们由垂直飞行过渡到水平飞行，或由水平飞行过渡到垂直飞行时，只转动发动机短舱前面的旋翼部分，而发动机仍保留在水平位置不动。这样，发动机不必为自身的倾转运动而进行修改，机翼结构设计也简单。“欧洲倾转旋翼机”为19座10吨级，巡航速度556公里/小时，航程约1500公里。
一个以意大利阿古斯塔公司为主的欧洲联合研究小组，提出了一种称作“埃里卡”（Erica）的20座倾转旋翼机方案。其特点是机翼外段随发动机短舱和旋翼一起倾转。悬停与垂直飞行时，旋翼下洗气流不会打击在固定的水平机翼上，升力效率可提高约12％。这样，在设计时，便可减小旋翼尺寸，或者使巡航速度增加到650公里/小时。这种旋翼机又能按固定翼飞机滑跑方式起降，不过机翼外段要向上倾转7度，以增加桨尖离地高度。
各有用武之地
新概念直升机是直升机发展的必然趋势，是直升机技术的革命性变革。实际上，有的“新概念直升机”，如倾转机翼机、倾转旋翼机已经步出了直升机的范畴，更多地体现了垂直起落飞机的特征。
不难看出，新概念直升机克服了常规直升机速度慢的缺点，兼有常规直升机和固定翼飞机的优点，必将得到广泛的应用。但新概念直升机在低速飞行时效率不如常规直升机，因此不能取代常规直升机，也就是说，各类直升机有其最佳的适用速度范围。一般认为，常规直升机的适用速度范围为200公里/小时至370公里/小时，复合式直升机的速度范围是400公里/小时至510公里/小时，组合式直升机则为600公里/小时至800公里/小时，有的方案甚至还可使其作超音速飞行。
从新概念直升机的优越性看，将来很可能会有走红的一天。
责任编辑：边友