主题:【原创】像鸟儿一样腾飞(一) -- 晨枫
老铁怕就是这种思维:敢想敢干,一个想法一冒头,抄起鼠标、键盘就干,改起版来绝不惜力,就是版面总~~~改不成熟:)
我快闪:)
现在网上又在炒美国的“曙光”飞机,这么高的速度,怎么解决机体过热?如果电离层包裹着机身,怎么实现雷达侦查的功能?
好久不见,窗台上的安全档装好了吗?
7倍音速的研究机绝对是可能的,但是作为可以长时间持续飞行的实用型飞机,还有太多的技术难题尚未解决。热障是一个问题,更大的问题是可以保持M7的发动机还没有解决,NASA刚试飞成功用scramjet的M6的X43,只持续了10秒钟。更多的讨论请见《比声音还快》。
旋翼也好,螺旋桨也好,产生推力的原理都是一样的。如果把螺旋桨用涵道包覆起来,变成涵道螺旋桨(ducted fan),初看和普通螺旋桨没有太大两样,但是涵道内外的气流有速度差,在贝努力原理的作用下,涵道内的高度气流可以拖动涵道外的低速气流,可以产生比涵道内气流流动多至50%的额外推力。涵道本身在平飞状态也产生升力,这时圆形的涵道实际上就构成了环形机翼。平直翼、后掠翼、三角翼甚至前掠翼是人们所熟悉的,但环形翼也是产生升力的一个有效方法。环形翼可以想象成翼梢小翼的一个极端,由于制造和分析上不如平面翼简单,一直没有得到重视,在涵道风扇上的应用可算是歪打正着。涵道风扇也可以倾转,除了涵道本身也产生升力外,倾转涵道风扇(tilt ducted fan)具有和倾转螺旋桨一样的优缺点,不过在涵道风扇在倾转过程中,唇部的迎角不断变化,倾转到一定程度时会引起失速,改变飞机的升力分布,带来一定的飞行控制上的困难,同时造成风扇进气的紊乱,和很大的嗡嗡声。Doak VZ-4是倾转涵道风扇的先驱,但最重要的倾转涵道风扇飞机应该是贝尔X-22。尽管美国海军这是三军联合的项目的一员,但海军更中意短小的倾转涵道风扇方案,以便由航母升降机容纳,也免除折叠机翼的必要。涵道风扇也对甲板人员比较安全。于是海军在参加XC-142的同时,推动贝尔X-22计划。贝尔X-22采用四台涡轴发动机,两两布置在垂尾两侧,通过交联的同步轴,驱动所有四副涵道风扇,每个涵道出口的一个气动控制面提供垂直起落和平飞中的飞行控制。巨大的垂尾实际上没有舵面,只是起方向稳定作用。X-22的涵道风扇的有35%的剩余功率,只要三个涵道风扇就能够实现垂直起落,只剩两个了还能正常平飞,在跑道降落只需要一个涵道风扇就够了。海军对X-22的试飞成果相当满意,责成负责研制X-22飞行控制的Cornell Aeronautical Laboratory(后称Calspan公司)继续完善自动飞行增稳控制系统。到80年Calspan完成项目,军方已经对垂直起落飞机失去耐心,X-22计划无疾而终。
Doak VZ-4是采用倾转涵道风扇的先驱
水平的涵道本身可以产生升力,但倾转过程中,涵道唇部会出现失速
Doak VZ-4从起飞到平飞的转换过程
贝尔X-22是又一个三军联合的项目
由于采用涵道风扇,没有不对称升力和后行桨叶失速的问题,可以放心采用刚性桨叶
四个大水桶一样的涵道风扇在空中翻转,也是一景
法国的Nord(后并入Aerospatiale)也研制了Nord 500 Cadet,发动机推力和涵道出口的菱形导流片提供悬停状态下的姿态控制
如果不倾转涵道风扇,而是把涵道风扇固定在机翼或机身内重心附近,用于在垂直起落时提供升力,在平飞的时候覆盖起来,减少阻力,这就是升力风扇的方案了。升力风扇方案并不新颖,二战后期纳粹德国热衷于一剑定乾坤的秘密武器,垂直起落战斗机是其中的一部分,升力风扇就是以研制号称二战中德国最优秀战斗机FW-190战斗机著名的Focke-Wulf的方案。但首先实现这个概念的,还是Vanguard Omniplane。Vanguard是由Piasecki分出来的一些人建立的,Omniplane时运不佳,完成系留试验后,机械可靠性的问题就早早终止了Omniplane的生涯。不久,制造航空发动机出生的通用电气希望涉足垂直起落领域,和Ryan合作,研制了XV-5研究机。XV-5比Omniplane要接近实用化多了,胜利风扇依然埋在机翼里,但在平飞的时候,可以由盖板盖起来,减小阻力。上盖板是背对背打开的两个半圆形,下盖板是百叶窗形,打开时用作悬停状态下的偏航控制。机首有一个由百叶窗遮盖的小型升力风扇,用于俯仰控制。XV-5的升力风扇有31%的剩余功率。XV-5暴露了升力风扇的一些问题:升力风扇占用体积过大,载油和机载设备很受限制。另外飞行控制响应不灵敏,悬停到平飞的转换只有很小的操作窗口,越界的话,容易失事。由于机翼内的风扇使机翼很厚,XV-5遇到很大的阻力问题,尽管是喷气式飞机,实际平飞速度不比二战时的螺旋桨飞机快。XV-5在70年代头上就下马了。不过升力风扇在90年代再现辉煌,入选的洛克希德F-35采用的就是升力风扇。F-35的故事容后再述。
Focke-Wulf的升力风扇方案
二战后期,德国秘密武器研制计划中,Focke-Wulf就有用升力风扇实现垂直起落的想法,但真正实现这一概念的,还是Vanguard Omniplane
其机翼中巨大的胜利风扇提供垂直起落时的升力,机尾的推进涵道螺旋桨提供推力,涵道后的气动控制面提供飞行控制
机翼实际上还是符合气动升力的要求的,就是特别肥厚了一点
通用电气是制造航空发动机的公司,但在50-60年代的垂直起落大潮中,也来赶了一回时髦,和Ryan联手,研制了XV-5垂直起落研究机,机翼上的盖板可以打开,暴露出机翼内的升力风扇
XV-5在悬停中,可以看到机翼上向上折起的风扇盖板,机翼下表面另有百叶窗式的盖板
这张图可以看到一点机翼下表面百叶窗
这里可以清楚地看到打开盖板后机翼里的升力风扇,注意机首还有一个关闭的“百叶窗”,下面是另一个较小的升力风扇,用于控制俯仰
平飞时,机翼上下表面的风扇盖板板关闭,减小机翼阻力
XV-5的风扇有点创意,是通过对翼尖吹气驱动的,即所谓tip turbine
F-35的故事容后再述。
能够想到倾转机翼或发动机不稀奇,能够想到倾转前机身就不容易了。老兄的第三只眼名不虚传哪。
比升力风扇上更“优美”的是所谓引射增升(ejector)。引射是贝努力原理的一个应用,如果对文丘里管(背对背的喇叭口)吹入高速气流,在文丘里管的喉部会产生低压,这个低压会拉动文丘里管外上游的空气,和吹入气流混合,一起喷出文丘里管,最后文丘里管出口的气流流量大于吹入的气流。工业上常用这个原理,将大型容器内的气体抽吸出来。理论和实验证明,拉动气流和吹入气流之比可以达到1.5-2:1,如果在机身或机翼上安装引射装置,就可以用较少的喷气发动机引出高压气流,产生较大的直接升力,这就是引射增升的基本道理。和直接采用旋翼/螺旋桨/风扇的方案相比,引射增升容易和机体气动外形实现保形,减小正常飞行时的气动阻力;引射装置的布置比较灵活;引射的排气和周围的冷空气混合,温度、速度大大降低,对跑道或甲板的烧蚀较小,发动机吸入肺气的影响也小一些。70年代时,由于越南战争的拖累,加上传统的大甲板航母的采购和运行实在太贵,在时任海军作战部长Elmo Zumwalt海军上将(最新的“21世纪驱逐舰”DDG21就是用他的名字命名的)的倡导下,美国开始研究“海上控制舰”(Sea Control Ship)概念,意图用较小的(一到两万吨)的直通甲板小型航母,运载较少但仍有足够战斗力的垂直/段距起落飞机,补充大甲板航母的作战,美国海军开始对垂直起落战斗机认真起来。美国海军和工业界研究了众多方案,(十四)里的变形金刚也是当时的一个方案,目的是结合当时在阿波罗飞船上获得成功的空中对接技术,用重型吊车把垂直起落飞机吊到舷侧,然后点燃发动机,炽热的喷气流直接射向海面,不损伤甲板,着陆时把顺序反过来。类似的还有在“鹞”式战斗机背上吊挂的方案,但最后选定的是采用引射增升的罗克韦尔XFV-12方案。
XFV-12采用美国战斗机中不常见的鸭式布局,鸭翼低置,主翼为上单翼,翼尖设垂尾,总体布局比较前卫,但最前卫的当然是在机翼内和鸭翼内的引射增升装置。发动机为F401,这是本打算用于F-14B的海军型的F100发动机,F-14A的TF-30发动机发动机一直有动力不足和可靠性低下的问题,海军一直就是把F-14A作为过渡型战斗机,采用和F-15的F100发动机大量共享的F401发动机的F-14B才是海军心目中的理想战斗机,但F100和F-15的发动机进气道匹配问题及F100本身的可靠性问题,在F-15复议的前几年,差不多使任何时候至少有一半的F-15“永久性”地趴窝,海军的F-14A也就变成“永久性”的,直到装F110的F-14D的出现,但那已经为时太晚,不过这扯远了。对于XFV-12来说,F401的可靠性还没有成为问题,自身的基本设计已经问题多多。XFV-12的前后左右的引射增升装置控制俯仰和横滚,引射增升装置下方下洗气流中的控制面控制偏航。考虑到实际气动损失和不完全混合,实验室规模的XFV-12引射系统可以达到55%的增升率,也就是说,1份吹气可以拉动0.55份环境空气,但实际试飞时,主翼的引射装置只达到可怜的19%的增升率,鸭翼只达到几乎可以忽略不计的6%,远远没有达到设计要求。在计划大大超时超支后,海军的战略也转为“向大甲板航母一边倒”,XFV-12就此下马了。
洛克希德XV-4A“蜂鸟”是首先探索引射增升概念的研究机,XV-4A已经开始显现引射用于增升在理论效益和实际效果上的差异
平飞中的XV-4A,引射装置关闭,以减小阻力
在JSF之前,罗克韦尔XFV-12是美国最接近实用的垂直/短距起落战斗机
罗克韦尔XFV-12本来是准备成为海军的主力垂直起落战斗机的
机翼和鸭翼上的百叶窗打开后,引射增生装置就可以工作了,前后左右的引射装置及下面的导流片控制俯仰、横滚和偏航
两架XFV-12样机在装配中
这是已经装配好的两架样机
鸭翼上打开的百叶窗和喷气导管清晰可见
机尾的“塞”式喷管,在垂直起落状态下,主喷管关闭,喷气流通过导管导向机翼和鸭翼内的引射增升装置
XFV-12完成了系留状态下的悬停试验,但还没有进入到自由飞状态下的悬停试验,就下马了
XFV-12正在准备系留试验