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晨枫小苑

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晨枫  

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再谈直-10   

2013-10-20 02:23:27|  分类: 鹰击长空 |  标签: |举报 |字号 订阅

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直-10采取了常见的单旋翼、尾撑-尾桨、后三点起落架和短翼布局,貌似寻常,但恶魔就在细节之中。


直-10的基本外观和主流武直很相像,但恶魔就在细节之中

除了卡-50/-52之外,所有武直都采用单旋翼,这是有道理的。共轴反转双桨是卡莫夫的特色。这不仅取消了尾桨,发动机的所有出力都可以用于产生升力, 还有诸多额外的好处。旋翼集中了直升机最大的奥妙,这不仅是产生升力的装置,也是推力的主要来源。在前飞中,旋翼不是水平旋转的,而是略带前倾。其垂直分 量产生升力,水平分量自然就产生推力。前倾是由斜板(swash plate)控制的,也叫周期距。旋翼的桨叶通过铰链与主轴连接,所以不光可以水皮转动,还可以上下挥舞。斜板实际上是一个圆环,通过连杆迫使桨叶在水平 转动的同时,还上下挥舞,这使得桨叶叶尖路径划出一个倾斜的盘面。桨叶在转动同时的挥舞造成了很大的周期性振动,现在采用各种减震方法,但这种本质振动是 不可能完全消除的。另一方面,如果有上下两副转速相同、相位相反的旋翼,振动在相当程度上可以对消。因此,卡莫夫直升机以飞行平稳著称。


卡-50/52是世界上唯一的共轴双桨武直


共轴双桨特别适合悬停和低速精确操作,旋翼桨盘也被同级直升机为小


由于特别出色的瞬时转向能力,卡-50甚至放弃了可转动的炮塔,而采用事实上是固定的航炮(在右侧,图中看不见)


但传统共轴双桨的技术局限使得上下双桨间距较大,饶是如此,还是有高g机动是旋翼打架的危险

共轴双桨的另一个优点是悬停性能好。这依然是由于发动机的所有出力都可以用于产生升力的原因。相比之下,重载悬停的时候,单旋翼直升机的相当一部分功率要 用于尾桨的反扭力。由于没有了前飞中气动舵面的辅助作用,尾桨需要的出力更大,吃功率更多。另外,优秀的减震使得卡莫夫直升机可以由一个飞行员单手控制悬 停,这对没有先进电传飞控的传统直升机来说是难以做到的。

共轴双桨的另一个特点是可以在保持飞行速度和姿态的同时,用选择性“制动”,借助反扭力来实现快速偏转。上下反转的双桨产生大小相同、方向相反的反扭力, 选择性地降低其中一个旋翼的出力,并同步增加另一个旋翼的出力,不光可以维持相同的升力,还可以利用反扭力的差来实现几乎是瞬时的偏转。单旋翼直升机就比 较难做到这样的特殊机动,很难在改变反扭力的同时不影响飞行姿态。

共轴双桨有上下两个旋翼产生升力,尽管效率有损失,并不等于两个独立的旋翼的升力简单叠加,旋翼直径依然大有降低,适合在狭窄空间使用,比如林地、建筑物 之间等。共轴双桨直升机的尾撑在理论上可以完全取消,在实际上只需要考虑上下旋翼因为故障而不同步时的应急气动补偿,所以可以较短。总的来说,共轴双桨的 尺寸紧凑,比同等吨位的单旋翼直升机要短小。飞行平稳有助于提高航炮射击精度,瞬时转向能力可以补偿固定式航炮的火力敏捷性不足的问题,取消转动炮塔不仅 节约了重量,也简化了设计,所以卡莫夫在设计卡-50/52时,采用了独树一帜的共轴双桨布局,并采用了实际上是固定的航炮设计。

但共轴双桨的缺点也是显著的。不光机械结构复杂、重量大,阻力也大。上下挥舞必然造成桨叶的疲劳。为了推迟疲劳损坏,桨叶只能采用柔性结构,所以停放中的 直升机的桨叶都是“耷拉”着的。在旋转中,桨叶叶尖的实际位置还偏离斜板的简单延长线,而是有更大的挥舞。为了避免上下旋翼在高g机动中打架,上下旋翼必 须有相当的间距。这不光增加了系统重量,也增加了阻力。尽管如此,卡-50依然有在高g机动中上下旋翼打架而造成失事的记录。另外,共轴双桨的高度很大, 不易隐蔽;安装桅顶雷达的难度比单旋翼更大。这也是不利的地方。

直-10尽管委托卡莫夫进行总体设计,但没有采用卡莫夫的招牌技术,正是出于这样的考虑。




阿帕奇、虎、石茶隼等主流武直都是4叶主旋翼


米-28N是5叶,但米-28要大得多,空重就超过直-10的最大起飞重量


A129“猫鼬”最初也是4叶,后来改成5叶,但尾桨依然是双叶


西方与直-10重量级相当的武直中,只有RAH-66“科曼奇”采用5叶


就现役量产武直而言,直-10的5叶旋翼是引领风气之先的


典型旋翼翼根结构。容易看见,桨叶数增加将显著提高机械复杂性和维修工作量

直-10采用了5叶主旋翼,这在重型武直中是仅有的。在现有的西方武直中,AH-64“阿帕奇”、欧洲“虎”式、南非“石茶隼”、AH-1Z“大毒蛇”都 采用4叶旋翼,只有轻型的A-129“猫鼬”和米-28采用5叶,其实早期A-129“猫鼬”也是4叶。事实上,最早的AH-1只有双叶。直升机旋翼的桨 叶数是一个有意思的问题。桨叶数越少,构造越简单,重量越轻,也越可靠,成本、维修统统相应降低。理论上,旋翼只要一片桨叶就可以了,像大砍刀一样回转, 照样产生升力。在实际上,这样的构造在力学上不平衡,反而不好,所以旋翼最少也是双叶。早期直升机常采用双叶旋翼,现在的低成本轻型直升机也有很多采用双 叶的。贝尔在设计UH-1和AH-1的时候,创造性地把双叶旋翼设计成跷跷板的构造,在前行桨叶下压的同时,自然地迫使后行桨叶上抬。这个巧妙的设计很难 扩展到更多的桨叶,但随着直升机重量的增加,更多的桨叶是必要的。更多的桨叶意味着更大的升力,或者更小的直径,或者更低的转速。旋翼直径减小不仅有利于 在狭窄空间起飞、着陆,还可以降低阻力。较低的转速则可以降低噪声和振动,或者为增速留有空间。但更多的桨叶也意味着更复杂的结构、更大的重量、更高的成 本和更多的维修。

米-28是世界上最重的武直,空重就超过了直-10的最大起飞重量,采用5叶旋翼不奇怪。下马的RAH-66“科曼奇”也是5叶,此外只有中期改进后的 A-129“猫鼬”采用5叶。在这一点上,直-10是开风气之先的。不过直-10的桨毂还是很“啰嗦”,不仅阻力大,也破坏隐身,如果像RAH-66“科 曼奇”那样用整流罩遮起来就好了。


不同时期的RAH-66“科曼奇”的桨毂结构不一样,这时已经有整流罩了,对散热和维修不利,但有助于降低阻力和改善隐身

与米-28的5叶旋翼相比,直-10的似乎更加先进一点。在地面停放状态下,米-28的桨叶有很显著的下垂,说明桨叶材料较软。柔性较大的桨叶抗疲劳特性 较好,但形变大,挥舞大,不仅振动大,升力损失大,阻力也大。俄罗斯直升机采用5叶旋翼很普遍,米-8/17、米-24也是5叶,而西方同级直升机通常采 用4叶,这可能和俄罗斯旋翼柔性较大、升力损失较大有关。同样在停放状态,直-10桨叶的下垂就较小,基本是西方直升机的水平。相比之下,A-129的5 叶旋翼或许是原型A109的4叶旋翼在增重之后性能不足,在不增加旋翼直径的情况下,4叶换5叶是最快捷的办法。应该指出的是,A-129“猫鼬”的尾桨 依然是简陋的双叶。


米-28的桨叶下垂显著,旋翼直径也必须相应加大。这是俄罗斯(特别是米尔)直升机的传统,或许代表了俄罗斯的桨叶材料和设计技术


相比之下,直-10桨叶比较“硬挺”,说明直-10不需要用过度的柔性来换取疲劳寿命,代表了较高的材料和设计技术

直-10的尾桨则是先进的“剪刀”式。换句话说,4叶尾桨不是十字形,而是像两个背对背的V形。这是为了降低尾桨的噪声。武直的战斗空间主要在一树之高。 由于各种自然和人工屏障,雷达和红外特征远并不容易被捕捉到,但噪声就很难掩盖,而且主要噪声威胁在于侧向。主旋翼的噪声虽然很可观,但是没有方向性。尾 桨则不然,具有较强的方向性,在侧向尤其容易被探测到。剪刀形尾桨并不能直接降噪,但把均匀的有规律的噪声打乱,形成忽高忽低的噪声,相对容易伪装成自然 噪声。AH-64“阿帕奇”、米-28也是剪刀形尾桨。在这方面,RAH-66“科曼奇”也更加领先,不仅采用涵道尾桨,进一步降低噪声,而且不易挂上电 线、树枝等。更加特别的是,涵道尾桨略微倾斜,在产生反扭力的同时,还产生一点升力。这样,在增加发动机出力(或者说增加总距)的时候,涵道尾桨不仅平衡 掉反扭力,还通过额外升力使直升机在不需要改变周期距的同时就自然增加前倾姿态,增加推力,提高速度。噪声的峰值方向也略微偏转一点,降低了侧向的噪声特 征。这是一个很巧妙的设计,但对设计和飞控的要求也很高,否则会弄巧成拙。直-10还是很传统的垂直尾桨,没有额外升力作用。


直-10尾桨是很典型的剪刀形


但基本是垂直的


这和阿帕奇等主流武直是一致的


虎式是3叶尾桨,降噪效果不如4叶剪刀式,但重量轻,结构简单


AH-1Z“大毒蛇”采用4叶等间距尾桨,这是从早期型号的双叶尾桨改进过来的。等间距的改动最小


A129“猫鼬”还是双叶尾桨


RAH-66“科曼奇”的涵道尾桨最为先进,不仅噪声低,而利用适度侧倾,为周期距减载,也降低了噪声向正侧面的传输

直-10的起落架是典型的后三点,并排的主起落架在前,单一的尾轮在后。在固定翼飞机上,后三点曾经很流行,这是因为后三点容易通过增加主起落架长度,在 地面就形成自然的抬头姿态。这样在起飞滑跑时,自然增加机翼迎角,增加升力,有助于缩短滑跑距离,在发动机推力不足的过去尤其重要。但后三点在起飞时尾轮 首先在升力作用下离地,然后才是主起落架离地;在着陆时主起落架首先着地,然后才是尾轮着地。这样,操作不当的话,容易发生前滚翻,对技术要求较高。另外 一个问题是在地面机头抬起,飞行员无法看到跑道,只有不断走S形。在起飞前最后对准跑道中线时,只能凭经验。前三点正好相反,起飞、着陆的动作自然、稳 定,但无法利用机头上抬的自然增升作用。

对于直升机来说,通常没有滑跑起飞、着陆的问题,但依然有前三点和后三点的不同,只是考虑的出发点不同了。由于主起落架需要靠近重心,机身比较短而尾撑比 较高的直升机(如卡莫夫共轴双桨)采用前三点比较有利,但通常以后三点为多。由于尾撑较长,后三点的轮距较大,停放比较稳定。前置的主起落架与机身直接连 接,可以比较粗壮,尤其适合粗暴着陆,抗坠毁性较好。直-10也是后三点布局。应该指出的是,武直大多采用固定起落架,也就是说,在飞行中不收回机内。这 增加了阻力,但有利于极大地增强结构,提高抗坠毁能力。相对于武直的速度而言,这点阻力代价是可以接受的。


直-10采用常见的后三点起落架


这和阿帕奇等主流武直是一致的,当然这架阿帕奇的“着陆”比较拧


主流武直中,只有卡-50/52使用前三点,这是因为机身较短,尾撑很高,不利于采用后三点

由于武直的速度相对不高,从气动角度来说,机体的流线型要求不高,所以大部分武直的外形都是七凹八凸的,并不流线,而是主要有功能需要决定。短翼也是平直 翼,受力好,挂载多。但直-10的流线型设计很明显,只不过这不是为了速度,而是为了隐身。武直的最大速度当然越高越好,但通常使用的战术速度并不高,反 而是在“阴暗角落”里悬停待命或者隐蔽移动的时候居多,最高速度只是偶尔冲刺的时候采用。但流线设计避免了不必要的凹进和凸出,显著提高了隐身性能。同样 道理,直-10采用了梯形短翼,而不是平直短翼,避免了与前进方向垂直的边缘,改善了隐身性能。另外,旋翼桨盘越接近转轴(圆心)的地方,下洗气流越小, 梯形短翼对下洗气流的干扰也比平直短翼为小,降低升力损失。在侧面,机身和尾撑呈平底菱形截面,这是和F-22一样的外形隐身原理。饱满的尾撑在功能上并 不必要,但多出来的空间或许可以用于安装更多的电子系统。

但饱满的菱形截面尾撑也提供了另一个可能,这里RAH-66再次成为参照。RAH-66“科曼奇”的发动机位置很常规,但喷气口不同寻常,不仔细寻找根本 看不见。其实喷气口不是一个常见的圆形或者矩形的喷口,而是沿尾撑棱边“腋下”而面向下的长条栅口。发动机喷气排入尾撑内部的宽大流道,然后导入长条栅 口。这样不仅极大地强化了与环境空气的混合,降温减噪,还在侧向和后向有效地屏蔽了喷口。旋翼下洗气流进一步吹散排气,红外特征极大地弱化。除非在直升机 的正下方,基本不能直视喷口,极大地增加了红外制导导弹锁定的困难。不过这样的红外隐身是有代价的。直升机的涡轴发动机的喷气基本不产生推力,但依然需要 顺畅的排气通道。曲折漫长的喷管和喷口的格栅提高背压,而涡轮的出力取决于燃烧室压力与喷口背压之差。换句话说,RAH-66“科曼奇”这样不顺畅的喷口 是要有相当的推力损失的。直-10现在的发动机本来就功率不足,不可能接受这样的推力损失。但是功率增加50%的WZ10发动机一旦研制成功,这样的改装 就具备了条件。届时,直-10的技术水平就更进一步,真正跨入世界领先的行列了。现行设计的喷口侧转向外,在旋翼下洗气流的吹散作用下,也有较好的红外隐 身效果,但和RAH-66“科曼奇”那样的长条栅口相比,还是有很大差距。


直-10的气动外形不同寻常地流线,但这不是出于减阻考虑,而是隐身考虑


直-10的发动机排气处理很常规,但宽大的菱形截面尾撑提供了像RAH-66“科曼奇”那样 的可能性


科曼奇的发动机喷气口不仔细找根本看不到,就隐藏在侧棱阴影里面


这张结构图更好地显示了喷管-喷口细节(57、59)

总的来说,直-10是一个很出色的设计。在发动机功率大大增加后,还可以玩出更多的花样,有望成为具有真正先进水平的武直。
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