复合式高速直升机的两桩心事

天涯孤旅刘元轩

一、引言

　　高速化是直升机发展的一个重要趋势。无论是解决固定翼飞机的最后一公里，或是去偏远地方执行任务，无论是军用，或者民用，毕竟速度为王。

将螺旋桨飞机与直升机进行适当组合，是提高直升机飞行速度的有效途径之一，所形成的飞行器称作复合式直升机。

下图的复合式直升机由美国西科斯基公司研制，代号S97（早期代号X2）。与普通直升机相比，S97多了机翼，多了尾部的推进螺旋桨，与飞机相比，则多了旋翼。普通直升机巡航飞行时，速度最快在每小时300公里左右，S97则可达到480公里。

S97飞行视频（75秒）

　　当然，不只美国人研制复合式直升机，欧洲也在研制Ⅹ3型复合式直升机，在不太远的将来，我们中国也会有自己的复合式直升机投入使用。

各国研制的复合式直升机，其旋翼、螺旋桨的数量以及在机上的布局，都各有风格，不尽相同。但它们有一个共同特点，那就是螺旋桨和旋翼均为连续驱动方式，在整个飞行过程中，一直由发动机驱动。这种连续驱动的弊端是：在一些特定的时候，螺旋桨或旋翼是在“帮倒忙”，降低了起飞重量，限制了飞行速度。

不能装得更多，也不能飞得更快，这成了复合式高速直升机的两桩心事。

下面，看看具体的情形吧。

二、没有睡意的夜晚

　　202X年的某一天。夜深了，可是，某海岸航空救援站的一架复合式直升机上，传来了旋翼和螺旋桨的说话声。这架直升机下午去320公里外的一个小岛执行了医疗救援任务。这么晚了，旋翼和螺旋桨还在聊天，莫非它们在下午碰到了什么放不下的事情？

三、谁让老人中风了？

　　旋翼：听说，今天的救援不是很成功，因为没有能够有效地进行溶栓治疗，那位老渔民中风了。

螺旋桨：是不是因为我们耽误了时间？路上，我听医生接了好几次电话，对方一直在问我们还要多久才到。

旋翼：对啊，回来后向救护车交接的时候，我听医生好像嘀咕了一句，说要是路上少花20分钟就好了。

螺旋桨：要是你老兄中途不那么卖力，说不定能做到。

旋翼：啥意思？我卖力还卖错了？

螺旋桨：是啊！去的路上，我听医生跟飞行员抱怨说，这直升机不是后面有螺旋桨吗？怎么不能像别的螺旋桨飞机一样飞得更快一些。

旋翼：我也听到了。

螺旋桨：那你应该也听到飞行员是怎么说的吧。他说，你看看头顶，旋翼还在那么卖力地转动，我们躲不过直升机的魔咒，再怎么快，也快不过0.5M（即0.5倍声速）。

旋翼：我是不想让别人说我起飞立了功后就摆谱，才继续与你一起卖力的。说是我不让飞得更快，不明白，晕！晕！

螺旋桨：我也晕，但当时听着头顶上你呼哧呼哧地喘气，我在心里怨你不该这样帮倒忙。

科普1：直升机的0.5M魔咒

　　现有直升机的旋翼都由动力驱动，在一周内都顺着旋转方向推动空气，从而产生升力。

这种旋翼在转动时外端的运动速度Vr大于直升机飞行速度Vh，以保证后行侧抵消直升机飞行速度后，相时空气的速度Vb仍然朝后，从而顺着旋转方向朝后推动空气产生升力。

由于旋翼外端运动速度快，在前行侧，加上直升机的飞行速度后，其相对空气朝前的速度Ⅴf就很快了，以致直升机不能飞得太快，再快也达不到0.5M。如果达到0.5M，则前行侧旋翼外端相对气流的速度就大于1M，因为声障，这做不到。

科普2：采用自转旋翼可突破0.5M

　 早在直升机出现之前的上世纪20年代，针对当时刚发明的飞机的不安全性，有人想到了在飞机上装上自转旋翼，当发动机出事时，借助旋翼的惯性，让飞机安全降落。

自转旋翼由气流驱动。其外端在转动中的运动速度Vr小于直升机飞行速度Ⅴh，在后行侧，外端相对空气的速度Vb朝前，空气推着它往后转动。由于自转旋翼外端运动速度小，在前行侧，与驱动型旋翼相比，它相对气流的速度Ⅴf不容易达到声速M，允许直升机飞得更快。

　　前面提到的S97，飞得最快时也就每小时480公里，可是，美国carter公司的cartercopter高速自转旋翼机，每小时能飞740公里，大大超过了0.5M。

　　cartercopter通过在起飞前由发动机驱动旋翼达到一定转速，可以实现跳跃起飞，效果类似于直升机垂直起飞。但是，飞行中，自转旋翼与发动机之间是脱开的，只能利用旋翼机的前飞速度通过气流来驱动。因此，cartercopter并不能进行悬停和垂直降低，这是它相对于直升机的劣势。上面参考文献中误将垂直起飞写成垂直起降了。

cartercopter跳跃起飞视频（47秒）

　　复合式直升机如果采用自转旋翼，达到cartercopter的飞行速度，则其使用效能将大大提升。前面提到的到320公里远处进行的医疗救援，按目前S97的飞行速度，一个往返要花80分钟，如果按cartercopter的飞行速度，只要52分钟，省出了将近半个小时，很可能就避免了病人中风。

四、谁差点搅黄了百岁寿宴？

　 　旋翼：你好像也帮过倒忙。

螺旋桨：是吗？

旋翼：还记得那次庆生的事吗？

螺旋桨：那个百岁老人的生日吗？记得，好精彩，好热闹。当时老人的后代从全国各地赶回来，是我们送他们回家的。

旋翼：是精彩，可是，本来还可更精彩。

螺旋桨：怎么说？

旋翼：当时，坐我们直升机的老人亲属有10个人。另外还有3个人，本来也要一起去的，但没去成。

螺旋桨：什么人？

旋翼：老人一个做喜剧演员的重孙的3个搭挡，特别能活跃气氛。

螺旋桨：怎么没去成呢？

旋翼：如果让他们一起去，那么连老人的10个亲属也去不了。

螺旋桨：怎么说？

旋翼：他们一上来，直升机会超重，起不了飞。

螺旋桨：哦。

旋翼：还“哦”呢，都是因为你。

螺旋桨：因为我？

旋翼：当时听飞行员说，要是起飞时螺旋桨不转就好了，功率全给我旋翼，那么，他们三个上来也没事。

螺旋桨：也是的啊，我一转，多少会消耗一些功率。

旋翼：那么早就摩拳擦掌，好像就你积极似的，白白浪费了功率。

螺旋桨：我不这样，说不定你就会说我磨磨蹭蹭了。

科普3：螺旋桨空转降低起飞重量

　　起飞时，直升机只需要升力，这时，又只有旋翼能提供升力，因此，螺旋桨可以不工作。可是，实际上螺旋桨却与旋翼一起工作，至少消耗了约6%的发动机功率。这6%的功率假如用来传动旋翼，直升机的起飞重量可增加6%。

可别小看这6%。很多情况下，直升机自身重量加上燃油及飞行员重量，占到了起飞重量的80%，有效载重只有20%。起飞重量增加6%，有效载重就增加了将近三分之一，很可观。如果这样的话，上面说的3个喜剧演员就不会缺席百岁寿宴了。

五、都是连体惹的祸

　　螺旋桨：要不是今晚咱们这么聊聊，还真不知道我们事与愿违地帮倒忙的事呢。

旋翼：是啊，我也不知道。话说回来，我们可真是不想这样啊，可为什么又会这样呢？

螺旋桨：我们可是身不由己啊！你没听上次两个机械师说，在这直升机上，用了很多齿轮，这些齿轮将我连着你，你连着我，将我们一起连着发动机。

旋翼：只要我工作，发动机就要工作，你就得工作。

螺旋桨：一样，一样，只要我工作，你就得工作。

旋翼：起飞时，想多装些人或东西，你拽着我，不让。

螺旋桨：赶时间想快点飞行时，你拽着我，也不让。

六、谁来破局？来圆梦？

　　旋翼：我们是连体了，但有时候就不能分开一下吗？比方说，飞行员想飞得更快的时候。

螺旋桨：是有人这么想过。听机械师们聊天时讲，我在S97上做事的远亲，开始，设计者想在起飞时让它与你的亲戚分开一下，好多装点东西，可你猜怎么着？

旋翼：试了，不行？

螺旋桨：都没等到试。他们细想了一下，起飞时将我亲戚分开不难，可想飞得快的时候，没法再连上。

旋翼：用离合器也不行吗？

螺旋桨：不行！想合的时候，你的亲戚呼呼地转着，我亲戚本来静静地在旁边看戏，突然将它们拢到一起，只怕是“轰”地一声之后，火星飞溅，就像在砂轮上磨零件。

旋翼：是挺吓人的啊！

螺旋桨：这也就算了，电闪雷鸣我们也不是没见过。更要命的是，只怕是我亲戚还没赶上你亲戚，它们先就会热得发软，至于后果吗，咱不必说了。

旋翼：听说过吗？不用齿轮，用电的话，我们就互不干涉了。

螺旋桨：小的直升机，不需要远飞，当然可以。

旋翼：我们这样大的直升机呢，不行吗？

螺旋桨：对，没有这么轻的电池。先用发动机发电，再用电动机带我们，也会好重的。

旋翼：可总得有人来解决吧，我们不能总这样互相拖后腿、帮倒忙啊！不知道的，还以为我俩关系不好，互相较劲，互相使绊呢。

螺旋桨、旋翼：让我们一起翘首以盼吧，盼有人来破局，让我们早日多拉快跑。这是我们的初心，我们的梦想啊！