一、引言 <p> 高速化是直升機(jī)發(fā)展的一個重要趨勢。無論是解決固定翼飛機(jī)的最后一公里，或是去偏遠(yuǎn)地方執(zhí)行任務(wù)，無論是軍用，或者民用，畢竟速度為王。</p><p> 將螺旋槳飛機(jī)與直升機(jī)進(jìn)行適當(dāng)組合，是提高直升機(jī)飛行速度的有效途徑之一，所形成的飛行器稱作復(fù)合式直升機(jī)。</p><p> 下圖的復(fù)合式直升機(jī)由美國西科斯基公司研制，代號S97（早期代號X2）。與普通直升機(jī)相比，S97多了機(jī)翼，多了尾部的推進(jìn)螺旋槳，與飛機(jī)相比，則多了旋翼。普通直升機(jī)巡航飛行時，速度最快在每小時300公里左右，S97則可達(dá)到480公里。</p><p><span style="background-color: rgb(255, 255, 255);"> </span><a href="https://mr.baidu.com/r/bSHUlwvIuA?f=cp&u=e0d12298b26a3ef1" rel="noopener noreferrer" target="_blank" style="background-color: rgb(255, 255, 255);">S97飛行視頻（75秒）</a></p> <p> 當(dāng)然，不只美國人研制復(fù)合式直升機(jī)，歐洲也在研制Ⅹ3型復(fù)合式直升機(jī)，在不太遠(yuǎn)的將來，我們中國也會有自己的復(fù)合式直升機(jī)投入使用。</p><p> 各國研制的復(fù)合式直升機(jī)，其旋翼、螺旋槳的數(shù)量以及在機(jī)上的布局，都各有風(fēng)格，不盡相同。但它們有一個共同特點(diǎn)，那就是螺旋槳和旋翼均為連續(xù)驅(qū)動方式，在整個飛行過程中，一直由發(fā)動機(jī)驅(qū)動。這種連續(xù)驅(qū)動的弊端是：在一些特定的時候，螺旋槳或旋翼是在“幫倒忙”，降低了起飛重量，限制了飛行速度。</p><p> 不能裝得更多，也不能飛得更快，這成了復(fù)合式高速直升機(jī)的兩樁心事。</p><p> 下面，看看具體的情形吧。</p> 二、沒有睡意的夜晚 <p> 202X年的某一天。夜深了，可是，某海岸航空救援站的一架復(fù)合式直升機(jī)上，傳來了旋翼和螺旋槳的說話聲。這架直升機(jī)下午去320公里外的一個小島執(zhí)行了醫(yī)療救援任務(wù)。這么晚了，旋翼和螺旋槳還在聊天，莫非它們在下午碰到了什么放不下的事情？</p> 三、誰讓老人中風(fēng)了？ <p> 旋翼：聽說，今天的救援不是很成功，因?yàn)闆]有能夠有效地進(jìn)行溶栓治療，那位老漁民中風(fēng)了。</p><p> 螺旋槳：是不是因?yàn)槲覀兊⒄`了時間？路上，我聽醫(yī)生接了好幾次電話，對方一直在問我們還要多久才到。</p><p> 旋翼：對啊，回來后向救護(hù)車交接的時候，我聽醫(yī)生好像嘀咕了一句，說要是路上少花20分鐘就好了。</p><p> 螺旋槳：要是你老兄中途不那么賣力，說不定能做到。</p><p> 旋翼：啥意思？我賣力還賣錯了？</p><p> 螺旋槳：是??！去的路上，我聽醫(yī)生跟飛行員抱怨說，這直升機(jī)不是后面有螺旋槳嗎？怎么不能像別的螺旋槳飛機(jī)一樣飛得更快一些。</p><p> 旋翼：我也聽到了。</p><p> 螺旋槳：那你應(yīng)該也聽到飛行員是怎么說的吧。他說，你看看頭頂，旋翼還在那么賣力地轉(zhuǎn)動，我們躲不過直升機(jī)的魔咒，再怎么快，也快不過0.5M（即0.5倍聲速）。</p><p> 旋翼：我是不想讓別人說我起飛立了功后就擺譜，才繼續(xù)與你一起賣力的。說是我不讓飛得更快，不明白，暈！暈！</p><p> 螺旋槳：我也暈，但當(dāng)時聽著頭頂上你呼哧呼哧地喘氣，我在心里怨你不該這樣幫倒忙。</p> 科普1：直升機(jī)的0.5M魔咒 <p> 現(xiàn)有直升機(jī)的旋翼都由動力驅(qū)動，在一周內(nèi)都順著旋轉(zhuǎn)方向推動空氣，從而產(chǎn)生升力。</p><p> 這種旋翼在轉(zhuǎn)動時外端的運(yùn)動速度Vr大于直升機(jī)飛行速度Vh，以保證后行側(cè)抵消直升機(jī)飛行速度后，相時空氣的速度Vb仍然朝后，從而順著旋轉(zhuǎn)方向朝后推動空氣產(chǎn)生升力。</p><p> 由于旋翼外端運(yùn)動速度快，在前行側(cè)，加上直升機(jī)的飛行速度后，其相對空氣朝前的速度Ⅴf就很快了，以致直升機(jī)不能飛得太快，再快也達(dá)不到0.5M。如果達(dá)到0.5M，則前行側(cè)旋翼外端相對氣流的速度就大于1M，因?yàn)槁曊希@做不到。</p> 科普2：采用自轉(zhuǎn)旋翼可突破0.5M <p> 早在直升機(jī)出現(xiàn)之前的上世紀(jì)20年代，針對當(dāng)時剛發(fā)明的飛機(jī)的不安全性，有人想到了在飛機(jī)上裝上自轉(zhuǎn)旋翼，當(dāng)發(fā)動機(jī)出事時，借助旋翼的慣性，讓飛機(jī)安全降落。</p><p> 自轉(zhuǎn)旋翼由氣流驅(qū)動。其外端在轉(zhuǎn)動中的運(yùn)動速度Vr小于直升機(jī)飛行速度Ⅴh，在后行側(cè)，外端相對空氣的速度Vb朝前，空氣推著它往后轉(zhuǎn)動。由于自轉(zhuǎn)旋翼外端運(yùn)動速度小，在前行側(cè)，與驅(qū)動型旋翼相比，它相對氣流的速度Ⅴf不容易達(dá)到聲速M(fèi)，允許直升機(jī)飛得更快。</p> <p> 前面提到的S97，飛得最快時也就每小時480公里，可是，美國carter公司的cartercopter高速自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)，每小時能飛740公里，大大超過了0.5M。</p> <p> cartercopter通過在起飛前由發(fā)動機(jī)驅(qū)動旋翼達(dá)到一定轉(zhuǎn)速，可以實(shí)現(xiàn)跳躍起飛，效果類似于直升機(jī)垂直起飛。但是，飛行中，自轉(zhuǎn)旋翼與發(fā)動機(jī)之間是脫開的，只能利用旋翼機(jī)的前飛速度通過氣流來驅(qū)動。因此，cartercopter并不能進(jìn)行懸停和垂直降低，這是它相對于直升機(jī)的劣勢。上面參考文獻(xiàn)中誤將垂直起飛寫成垂直起降了。</p><p> <a href="http://m.le.com/vplay_20355919.html" target="_blank" style="background-color: rgb(255, 255, 255);">cartercopter跳躍起飛視頻（47秒）</a></p> <p> 復(fù)合式直升機(jī)如果采用自轉(zhuǎn)旋翼，達(dá)到cartercopter的飛行速度，則其使用效能將大大提升。前面提到的到320公里遠(yuǎn)處進(jìn)行的醫(yī)療救援，按目前S97的飛行速度，一個往返要花80分鐘，如果按cartercopter的飛行速度，只要52分鐘，省出了將近半個小時，很可能就避免了病人中風(fēng)。</p> 四、誰差點(diǎn)攪黃了百歲壽宴？ <p> 旋翼：你好像也幫過倒忙。</p><p> 螺旋槳：是嗎？</p><p> 旋翼：還記得那次慶生的事嗎？</p><p> 螺旋槳：那個百歲老人的生日嗎？記得，好精彩，好熱鬧。當(dāng)時老人的后代從全國各地趕回來，是我們送他們回家的。</p><p> 旋翼：是精彩，可是，本來還可更精彩。</p><p> 螺旋槳：怎么說？</p><p> 旋翼：當(dāng)時，坐我們直升機(jī)的老人親屬有10個人。另外還有3個人，本來也要一起去的，但沒去成。</p><p> 螺旋槳：什么人？</p><p> 旋翼：老人一個做喜劇演員的重孫的3個搭擋，特別能活躍氣氛。</p><p> 螺旋槳：怎么沒去成呢？</p><p> 旋翼：如果讓他們一起去，那么連老人的10個親屬也去不了。</p><p> 螺旋槳：怎么說？</p><p> 旋翼：他們一上來，直升機(jī)會超重，起不了飛。</p><p> 螺旋槳：哦。</p><p> 旋翼：還“哦”呢，都是因?yàn)槟恪?lt;/p><p> 螺旋槳：因?yàn)槲遥?lt;/p><p> 旋翼：當(dāng)時聽飛行員說，要是起飛時螺旋槳不轉(zhuǎn)就好了，功率全給我旋翼，那么，他們?nèi)齻€上來也沒事。</p><p> 螺旋槳：也是的啊，我一轉(zhuǎn)，多少會消耗一些功率。</p><p> 旋翼：那么早就摩拳擦掌，好像就你積極似的，白白浪費(fèi)了功率。</p><p> 螺旋槳：我不這樣，說不定你就會說我磨磨蹭蹭了。</p> 科普3：螺旋槳空轉(zhuǎn)降低起飛重量 <p> 起飛時，直升機(jī)只需要升力，這時，又只有旋翼能提供升力，因此，螺旋槳可以不工作?？墒?，實(shí)際上螺旋槳卻與旋翼一起工作，至少消耗了約6%的發(fā)動機(jī)功率。這6%的功率假如用來傳動旋翼，直升機(jī)的起飛重量可增加6%。</p><p> 可別小看這6%。很多情況下，直升機(jī)自身重量加上燃油及飛行員重量，占到了起飛重量的80%，有效載重只有20%。起飛重量增加6%，有效載重就增加了將近三分之一，很可觀。如果這樣的話，上面說的3個喜劇演員就不會缺席百歲壽宴了。</p> 五、都是連體惹的禍 <p> 螺旋槳：要不是今晚咱們這么聊聊，還真不知道我們事與愿違地幫倒忙的事呢。</p><p> 旋翼：是啊，我也不知道。話說回來，我們可真是不想這樣啊，可為什么又會這樣呢？</p><p> 螺旋槳：我們可是身不由己??！你沒聽上次兩個機(jī)械師說，在這直升機(jī)上，用了很多齒輪，這些齒輪將我連著你，你連著我，將我們一起連著發(fā)動機(jī)。</p><p> 旋翼：只要我工作，發(fā)動機(jī)就要工作，你就得工作。</p><p> 螺旋槳：一樣，一樣，只要我工作，你就得工作。</p><p> 旋翼：起飛時，想多裝些人或東西，你拽著我，不讓。</p><p> 螺旋槳：趕時間想快點(diǎn)飛行時，你拽著我，也不讓。</p> 六、誰來破局？來圓夢？ <p> 旋翼：我們是連體了，但有時候就不能分開一下嗎？比方說，飛行員想飛得更快的時候。</p><p> 螺旋槳：是有人這么想過。聽機(jī)械師們聊天時講，我在S97上做事的遠(yuǎn)親，開始，設(shè)計(jì)者想在起飛時讓它與你的親戚分開一下，好多裝點(diǎn)東西，可你猜怎么著？</p><p> 旋翼：試了，不行？</p><p> 螺旋槳：都沒等到試。他們細(xì)想了一下，起飛時將我親戚分開不難，可想飛得快的時候，沒法再連上。</p><p> 旋翼：用離合器也不行嗎？</p><p> 螺旋槳：不行！想合的時候，你的親戚呼呼地轉(zhuǎn)著，我親戚本來靜靜地在旁邊看戲，突然將它們攏到一起，只怕是“轟”地一聲之后，火星飛濺，就像在砂輪上磨零件。</p><p> 旋翼：是挺嚇人的啊！</p><p> 螺旋槳：這也就算了，電閃雷鳴我們也不是沒見過。更要命的是，只怕是我親戚還沒趕上你親戚，它們先就會熱得發(fā)軟，至于后果嗎，咱不必說了。</p><p> 旋翼：聽說過嗎？不用齒輪，用電的話，我們就互不干涉了。</p><p> 螺旋槳：小的直升機(jī)，不需要遠(yuǎn)飛，當(dāng)然可以。</p><p> 旋翼：我們這樣大的直升機(jī)呢，不行嗎？</p><p> 螺旋槳：對，沒有這么輕的電池。先用發(fā)動機(jī)發(fā)電，再用電動機(jī)帶我們，也會好重的。</p><p> 旋翼：可總得有人來解決吧，我們不能總這樣互相拖后腿、幫倒忙?。〔恢赖?，還以為我倆關(guān)系不好，互相較勁，互相使絆呢。</p><p> 螺旋槳、旋翼：讓我們一起翹首以盼吧，盼有人來破局，讓我們早日多拉快跑。這是我們的初心，我們的夢想??！</p>