在2022年的安多诺夫机场争夺战,俄罗斯军方使用的卡-52武装直升机从真正意义上在大家的眼中“闪亮登场”。紧接着,2023年6月近期的一次战场行动中,参与作战的卡-52武装直升机更是以“尾部断裂后拖着要掉不掉的尾巴依然坚持返航,并且成功地撑回了基地完成安全降落”
自俄乌冲突爆发以来,瞬息万变的战场局势便一直吸引着全球各国的视线。而对于军武爱好者而言,能够引起战场上任何一丝转变的武器也格外地让他们移不开眼。
第一种是这架武装直升机本身在操作抛下副油箱,结果因为机动动作不规范就导致副油箱在下落过程中被气流所推撞向了飞机尾部;
第二种猜测则是这架武装直升机是被乌克兰军方的单兵防空导弹所击中的,因为敌方下手狠,所以才出现了尾部右边消失,垂尾被直接切断,甚至飞机前端也有些许的损坏。
但无论是哪一种情况,卡-52武装直升机在遭遇如此意外之后不仅没再次出现坠机事故,甚至还能拖着“残体”坚持飞回基地,都值得人们大赞一声飞行员的“艺高人胆大”“运气开了挂”了!
为什么这么说呢?因为众所周知,对于普通的武装直升机而言,尾旋翼就是它们的致命命门。
尾翼大体上分为水平尾翼和垂直尾翼,也就是我们常见到的直升机机体上方呈水平面旋转的大旋翼和尾部后面呈垂直面旋转的小旋翼这两个部分,当然也有一些直升机的尾翼采用的不是旋翼而是V型。
尾翼的存在能控制飞机的俯仰、偏航和倾斜以改变其飞行姿态,虽然尾翼在尾巴上,但要说它是直升机大脑直接指令的控制部分也没有一点问题。
而且最重要的是,一旦直升机的尾翼被突然袭击或炸断,不管它是旋翼还是V型翼,只要被击中整个机体就一定会转着圈地往下掉,专业点说叫自旋坠落。而导致这样的一种情况的原因很简单,因为直升机机体上方的大旋翼与尾翼的旋转方向是相反的、不同向的,只有这样才可以消除产生的反扭矩力。
比如说,大旋翼是顺时针旋转的,那尾旋翼就一定是逆时针旋转。直升机在飞行过程中,旋桨转动会产生扭矩和反扭矩力,就像作用力和反作用力一样,大小相等、方向相反。如果反扭矩力没法被对等消除的话,那直升机的上升和平稳飞行状态就会被破坏。
而尾翼的作用就在于此——配平抵消反扭矩力。这也正是为什么许多直升机一旦被击中尾翼就基本只能喊“完蛋”了的原因。因为尾翼被袭击就从另一方面代表着直升机的扭矩平衡失衡,面临的状况堪忧:顺利的话是在可控范围内坠毁,不顺利的话则是在不可控范围内坠毁。有统计显示,尾翼受损是战场上直升机坠毁的最常见因素。
可俄军这次的卡-52尾翼武装直升机为何在被击掉尾翼之后仍能坚持飞行回到基地呢?因为它走的完全是另一条“几乎从未被人设想过的道路”(后文会详细解释为何几乎未被人设想过)——卡-52尾翼武装直升机使用的是共轴双旋翼!
首先有单旋翼就必然有双旋翼和多旋翼,我们今天着重讨论的双旋翼大体上分为共轴双旋翼、纵列双旋翼、横列双旋翼三种布局形式,其轴双旋翼又是重中之重。
顾名思义,共轴双旋翼就是两个大旋翼使用同一根主心轴,即机体上方由两根轴带着两个发动机,带动上、下两个旋翼按不同方向旋转的双旋翼螺旋桨,从造型上来看也可以叫做“两层双旋翼”。
这两根轴粗细不同,一根套在另一根之上,相当于共用同轴,再加上桨叶的安装相邻但旋转的方向相反,就等同于单旋翼直升机上的尾旋翼功能,可以使扭矩的作用力互相抵消。这样的情况下,双旋翼直升机既能完成飞行,又能消除反扭矩力,似乎就没有了设置尾旋翼的必要。
实际上,纵列双旋翼和横列双旋翼布局的直升机,除了共轴双旋翼外,无需设置尾旋翼。还可以省略尾翼,直接缩短机身长度,在舰载或车辆运输时增加有效载荷。这种布局不仅仅可以减少动力需求,还能降低尾桨带来的袭击风险。
但是!没这个必要并不代表不可以增设。出于对操作性能加持的考虑,许多双旋翼直升机也会选择在尾部加上个助推尾桨,用于推进作用。而卡-52之所以保留机尾,主要也还是为了方便转向。也就是说,双旋翼直升机最主要的功能并非和单旋翼一样由尾旋翼完成,甚至相反,尾旋翼担任的仅只是一个“锦上添花”的加持作用。
也正是基于此,卡-52尾翼武装直升机在遭遇了尾翼被袭的事故后,才还能有控地继续飞行、安然降落。要换成一副主旋翼搭配尾旋翼的常规布局直升机遭遇这样的意外的话,怕是已经摔了。
许多直升机爱好者觉得最正统的直升机布局就应该是单旋翼带尾桨,比如大名鼎鼎的海陆空三军通用的uh-60“黑鹰”直升机,那简直就是人类军事工艺的巅峰之作。但同时,也有部分人认为共轴双旋翼直升机似乎在性能表现上会更为优秀,比如它受尾旋翼的影响就要小一些。
那今天在这里,我们就有必要详细地讨论一下单旋翼与共轴双旋翼直升机的优劣之处了。
现代直升机之父——伊戈尔·西科斯基发明了尾桨,同时也是单旋翼带尾桨直升机的提出者,以他为首的支持者们一致认为,用尾桨来平衡主旋翼转动时所产生的扭矩是最实用、方便,也经济的。这一点上,也已经说明了单旋翼直升机的一大优势——结构相对比较简单、控制管理系统设计难度低,维护成本少,适用于高机动性的飞行情况。
此外,根据旋翼的工程化升力公式——旋翼桨叶直径越大就越能产生更大的升力,带动更重的重量的推算,单旋翼直升机只有一副主旋翼但直径为了匹配机体而足够大就成为了一种优势,这样一来,它的载荷能力也足够的优秀。
尤其是在海军舰载使用中,单旋翼直升机的应用极为广泛。比如,美国的MQ-8火力侦察兵无人机就是一款经典的单旋翼无人机。但是这一点相较于多旋翼直升机而言是优势,与双旋翼相比也不算多大优势了。
最后,构造简单的单旋翼直升机同时也拥有不可避免的缺点:首先就是我们前文中所提到的对尾翼的依赖度太高,一旦尾翼受袭就全部完蛋;其次就是由于不论是抵消单旋翼的扭矩力还是调整倾向方向都需要操作控制尾桨,所以很一部分发动机的功率都会浪费在尾桨上,这一部分消耗能占到直升机总功率的5%左右,可以说得上使用效能比较低了。
最后则是单旋翼直升机的噪音极其的大,因为为了配合主旋翼的升力,尾翼要么是增大直径要么是加快转速,但考虑到升降过程中尾翼过大会缠绕树枝等杂物,就只能加快转速。那转速一加快,不就跟在耳边安了个发动机一样吗?
说过了单旋翼直升机,我们的目光再换到双旋翼上。就像单旋翼有代言人西科斯基老爷子一样,提到双旋翼我们很难绕开的一个人物就是尼古拉·卡莫夫。卡莫夫是苏联第一家旋翼飞行器专门生产厂的总设计师,也是后来卡莫夫设计局的第一代负责人。
这个老爷子的毕生爱好就是设计两层旋翼直升机,他的所有直升机设计图都是这个布局,直到1947年世界首款共轴双旋翼直升机卡-8成功试飞,共轴双旋翼直升机的时代正式到来。
双旋翼直升机最明显的优点就是受尾翼影响小,这一点可以衍生出多个优势:一个是因为受影响小,所以能直接省掉尾翼部分,机体设计结构紧密相连,占用机库面积减小,适合在舰上部署,比如一些狭小的军舰或者航母;
另一个则是提高了动力利用率,没有尾翼就不需要耗费发动机功率,据实验卡-50型号的直升机要比同等旋翼直径的单旋翼直升机升力大 12%;当然,没有尾翼也就直接没有了尾翼会导致出现的噪音。
其次,双旋翼的安全性更高,它能保证两个旋翼在动力控制学上是对称的,也就压根不可能会出现扭矩力与反扭矩力不等造成的偏航,更加有助于悬停,还可以说在悬停时基本不受风向的影响,能使得双旋翼直升机在恶劣气候情况下着陆登舰的的难度降低。相较于此,常规的单旋翼带尾桨直升机着舰时就非常容易出现受海况对尾部力矩的影响导致偏航降落失败的情况。
当然,双旋翼直升机也有缺点,第一个也是最经常被其反对者拿出来说的就是打桨问题。打桨问题说白了就是共轴的两副桨叶“打”起来。根据空气动力学的分析,在相同功率下共轴的上旋翼的升力会大于下旋翼,所以一旦遇到悬停和低速飞行的情况时,就会出现相对细长一些的上旋翼轴弯扭组合力大于下旋翼轴,再一遇上高强度快速机动情况或者强气流、强烈突变风的话,就会造成上下旋翼旋转面重合打桨浆的危险。
针对打桨这一情况,卡莫夫设计局提出了一种叫做全差动航向的操纵方案,目前由卡莫夫设计局推出的共轴双旋翼武装直升机都是使用这种方案,美国的高速直升机也大多都采用了这种方案,还是有大部分的问题能获得解决的。
除了打桨以外,双旋翼直升机的还有一个缺点在于太高了,两个叠加的、有一定空间高度差的旋翼组合就决定了双旋翼直升机的高度矮不了。卡-52和卡-28的高度都达到了5.4m,我国海军为了能装载卡-28,把054/054A护卫舰的高度都提高了不少。
俄罗斯海军为了能收入卡-27,甚至使用了世界唯一的半沉降式机库设计——入库时,直升机一定要通过斜坡下到机库里。
当然,每种旋翼直升机有优缺点都是正常的。起码当下双旋翼直升机就很是饱受青睐,2019年美国波音公司和西科斯基两家航空业巨头就合作推出了sb-1共轴双旋翼直升机。
但同时,人们也产生了疑问:既然共轴式双旋翼直升机存在比普通直升机更优越的点,为什么我国新设计的直升机不采用共轴式双旋翼呢?
其实我国现役的直升机以及武装直升机中有不少都是共轴双旋翼,比如2023年在第二届长三角国际应急减灾和救援博览会上展出的TD220多功能应急救援型无人直升机就是一款口碑不错的双旋翼直升机。
中国的共轴双旋翼多用于民用无人机领域,包括农业植保、应急减灾、海关缉私、公安维稳、地质勘探、地形测绘等等领域。但在中国公开公布的已完成的自研直升机,尤其是军事直升机里,的确少有共轴双旋翼的身影。
是受技术所限?依旧是觉得没有必要?个人觉得或许这是因我们更脚踏实地,更重视当下业已成熟的技术,共轴双旋翼的设计固然精巧且别具一格,但并非能满足大部分国家对直升机的种种要求,也更为考验当下的技术。君不见,除了卡莫夫设计局以外,其他多国都没有直接大量用这种设计吗?
不可否认的是,共轴双旋翼在算法操纵、垂直起降、空中悬停、自转下滑等方面有着高效率且无法被替代的优点,而我们也相信,未来技术储备成熟之后,谁能说这不是我们的下一个目标呢?
参考资料:1.滕泽宇:飞向中国的“角鲨” 俄罗斯卡-52K舰载武装直升机的起源与发展(上)(中)(下),坦克装甲车辆. 2021(20)2.刘星亮、徐国华、史勇杰:共轴刚性旋翼直升机与单旋翼直升机操稳特性对比研究,飞行力学. 2022,40(02)3.李海、贾宏光、陈在斌:共轴双旋翼系统的气动特性分析及试验,光学精密工程. 2021,29(09)4.王强、陈铭、王保兵、苏兵兵:旋翼几何参数对共轴双旋翼悬停性能的影响,航空动力学报. 2014,29(06)5.陈铭:共轴双旋翼直升机的技术特点及发展,航空制造技术. 2009(17)
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