独立控制刚性旋翼，可变形尾桨，美国未来攻击侦察直升机新黑马

　　当我们谈论下一代直升机的时候，我们更关注的是它的速度、航程、机动性，而在直升机设计师的眼中，他们更在乎的总体设计/布局方案、旋翼系统技术和动力传动系统技术等关键技术的革新和应用，这方面对那些小公司的设计师们来说尤为重要，如果他们不能给出一种同时具有创造性、实用性和可靠性的优秀方案，那么他们在大公司面前，将毫无竞争力。
　　▲客户关注的是直升机性能，而这些则体现在每一个系统的协调配合和设计师的折中调整上（图为空客的RACER复合式直升机概念）
　　在同时参与到美国陆军未来攻击侦察直升机（FARA；Future Attack Reconnaissance Aircraft）项目竞赛中的波音、西科斯基（洛克希德·马丁子公司）、贝尔直升机（德事隆集团子公司）等航空巨头面前，卡瑞姆飞机（Karem Aircraft）公司绝对只能算一家小小公司，如果他们的未来直升机方案不够新颖、不够实用、不够可靠的话，那么，美军绝对只会乐于从那些关系密切的合作伙伴中挑选一家来完成他们的航空装备现代化大目标，毕竟波音为其打造了阿帕奇、支奴干，西科斯基为其打造黑鹰、超级种马，而贝尔直升机则以其眼镜蛇武装直升机和鱼鹰倾转旋翼机闻名于世，这三家公司每一家和美国陆军的合作历史都相当悠久，其成熟的生产线足以弥补在其他方面的轻微不足。
　　所以，卡瑞姆公司若想要在这种堪称＂险恶＂的竞争环境中脱颖而出，其设计方案势必要有独到的＂过人之处＂，藉此来与巨头们一争长短，那么，卡瑞姆公司到底为＂下一代直升机＂的设计带来了什么惊喜呢？下面——请看正文。
　　▲卡瑞姆公司的FARA概念方案，被其称作AR-40（A：Attack/攻击，R-Reconnaissance/侦察），它的主旋翼系统由气动外形经过特别优化的桨毂上刚性连接了三片超轻质复合材料刚性桨叶
　　为了满足美国陆军对下一代新型攻击侦察直升机的需求，卡瑞姆飞机公司最终给出了一种激进的旋翼飞行器设计方案，之所以将其直接叫作＂旋翼飞行器＂，而非＂直升机＂，主要是因为这种以配以长机翼、可变形尾桨和刚性独立桨叶控制主旋翼的飞行器，实在已经脱离了常规直升机的定义范畴，即便是将其称作＂复合式直升机＂也嫌不够。
　　这时候，难免会有不少读者朋友们会提出质疑：就从首图上来看，这种所谓的＂新构型旋翼飞行器＂难道不正是一架＂复合式直升机＂吗？上世纪60年代，美国的AH-56夏延不就是类似的概念，唯一的不同也就是夏延武装直升机采用了＂尾推+尾桨＂的双尾旋翼布局，而非倾转式尾桨布局罢了？正所谓＂外行看热闹，内行看门道＂，卡瑞姆和常规的＂复合式直升机＂到底有哪些不同，还得听我慢慢道来。
　　▲上世纪60年代的美国陆军的先进空中火力支援系统项目的获胜者，洛克希德的AH-56A夏延直升机，遗憾的是该机激进的设计碰上了巨大的技术问题，兼且碰上了当时美国空军和陆航之间激烈的军种之争，最后未能投产卡瑞姆公司？没听过这家公司
　　如果你没听过卡瑞姆飞机公司的话，我相信作为一名合格的军迷，你至少应该听过MQ-1 捕食者无人机。现在你应该猜到了，卡瑞姆公司的创始人亚伯拉罕·卡瑞姆先生正是MQ-1无人机的主要设计师之一，除此之外，卡瑞姆先生还有一些特殊身份，比如说前以色列空军首席设计师、A160蜂鸟转速优化旋翼（＂Optimum Speed Unmanned Helicopter＂）无人直升机机总设计师（这一型号现已被波音收购）。
　　▲A160蜂鸟转速优化无人直升机可以说是第一种在＂转速优化旋翼＂领域深耕的具体直升机型号
　　尽管将A160蜂鸟无人机项目转手卖给了波音公司，但卡瑞姆先生从来没有放弃过对＂转速优化旋翼＂技术的研究，2008年初，卡瑞姆飞机公司和洛克希德·马丁公司合作，共提供开发卡瑞姆公司提出的转速优化倾转旋翼机（OSTR；Optimum Speed Tilt-Rotor）方案，该方案是美国国防部针对其＂联合重型升力项目＂（JHL；Joint Heavy Lift program）所选定的三种方案之一。
　　▲卡瑞姆转速优化倾转旋翼专利图
　　卡瑞姆飞机公司现在在加利福尼亚州的森林湖市和德克萨斯州的沃斯堡设有办事处，致力于先进的转速优化旋翼技术和倾转旋翼运输机技术研究。在亚伯拉罕·卡瑞姆先生的领导下，该公司以高效、创新和快速产品周期闻名，这些优点或多或少弥补了该公司体量较小的劣势。从＂转速优化倾转旋翼机＂到＂转速优化复合式飞行器＂
　　在美国陆军加紧其航空装备现代化计划之后，美国国防部的＂联合重型升力项目＂顺势就化成了美国陆军的＂未来垂直升力＂（FVL；Future Vertical Lift）计划的一部分，而作为未来垂直升力计划的先导项目，美国陆军的＂联合多任务技术验证＂（JMR-TD；Juint Multirole Technology Demonstration）项目自然也少不了卡瑞姆的身影。不过那时候，卡瑞姆公司是采取＂转速优化倾转旋翼机＂参与竞赛的。
　　▲卡瑞姆公司的转速优化倾转旋翼机方案概念
　　之后才轮到＂未来攻击侦察直升机项目＂，在该项目的初期阶段，卡瑞姆公司只透露会采用＂转速优化旋翼＂技术参与FARA项目竞标。随着该项目的推进，西科斯基公司、贝尔直升机公司、AVX公司的竞赛方案都逐步出炉，唯有卡瑞姆公司和波音公司的方案仍未公示。到7月初，《DefenseNews》透露消息称卡瑞姆公司和诺斯洛普以及雷神公司组队参与FARA项目竞赛的时候，还有很多军事评论家猜测卡瑞姆的方案多半还是会用倾转旋翼机方案参与此项竞争。
　　然而，随着美国陆军对FARA计划的指标要求逐渐明确，军事评论家开始意识到如果说卡瑞姆公司仍然坚持要采用这种体型硕大的倾转旋翼机方案来满足美国陆军对FARA原型机提出的尺寸不超过＂40英尺×40英尺＂的指标要求显然是不合理的。摒弃了这种站不住脚的想法之后，卡瑞姆公司也终于揭开了其用于参与FARA计划的特制旋翼飞行器的神秘面纱，也就是上文所提到的AR-40复合式旋翼飞行器。AR-40黑科技之一——转速优化旋翼
　　▲AR-40模型的主旋翼俯视图
　　对于常规直升机来说，其转速一般都只会在很小的幅度范围内变化，从宏观上来说，也就是＂不可变转速＂的，其原因有很多，最关键的就是下述几个点：
　　①通过传动系统变转速：旋翼在高速旋转的过程中会产生巨大的转动惯量，在这种情况下，如果要在较大范围内改变旋翼的转速，势必会将巨大的扭矩传递到动力传动系统上，这就要求旋翼轴、传动轴和主减速器等部件及其子部件的刚度达到相当高的程度，且不说材料制造工艺的问题，这种系统重量势必会非常大，从而导致直升机空重比大增，重量性能大幅降低，显然是不划算的；
　　②振动问题：众所周知，在机械系统中，当结构的自然频率和强迫振动的频率相吻合，就会有共振的发生，对于直升机来说，其旋翼系统的振动水平直接与旋翼转速相关，一般旋翼转速的设计都会避开共振转速，而如果让旋翼变转速的话，针对于控制振动水平来说，又是一大难题；
　　③通过发动机变转速：就如今的涡轴发动机而言，其经济转速一般不会跨越较大的范围，如果希望通过发动机变转速来实现，那么在很多飞行状态下直升机将会处于非经济转速状态下，很难控制直升机的作业成本，也可能会增加发动机的维护量。
　　综合种种原因来说，常规直升机旋翼系统的设计中一般不会考虑变转速的问题，所有的飞行操纵和机动动作需求都通过总距和周期变距操纵来完成，可是到了＂下一代旋翼飞行器＂研制工作中，这个问题就变得不这么简单了。
　　这是因为高速飞行已经成为了下一代旋翼飞行器的基本要求，也就意味着这些旋翼飞行器势必要同时具备垂直起降/悬停/低速飞行和高速飞行等多种能力，而低速飞行和高速飞行对旋翼转速提出的要求显然是不同的，或者这样说，随着旋翼飞行器飞行速度的增加，若要保持其性能最优，其旋翼转速势必是要变化的。
　　西科斯基在其共轴刚性双旋翼/前行桨叶概念旋翼的设计中就引入了可变旋翼转速的设计思路，不过他们的设计理念相对还比较保守，只为旋翼设计了两套转速——一套用于低速飞行，一套用于高速飞行。
　　▲西科斯基很早就启动了可变旋翼转速的研究，并申请了专利
　　相比之下，卡瑞姆的设计思路则更激进，他们的目标可不只是给旋翼设计两套转速，而是要让旋翼的转速随着飞行状态的变化而变化，从而实现在任何飞行状态下，旋翼飞行器的性能都能保持最优，是为＂转速优化旋翼＂。AR-40的超轻质复合材料刚性旋翼系统对于实现转速优化旋翼有着重要作用，而卡瑞姆先生及其团队的许多成员，此前都曾经参与过空客公司的H160直升机项目，而这型直升机就是一种刚性旋翼常规布局直升机，想必该项目的经验对于卡瑞姆先生在FARA项目推进方面有着重要意义。
　　▲空客直升机/Airbus Inc. 公司的H160直升机
　　值得一提的是，卡瑞姆的三桨叶刚性旋翼还引入了独立桨叶控制技术/Inpidual Blade Control，也就是说，该机摒弃了常规直升机的自动倾斜器机构，而是采用了三片桨叶桨距各自独立的伺服系统，其操纵效率和品质势必能有更进一步的提升。目前，在美国陆军的资助下，卡瑞姆已经开始着手相关的风洞试验等内容，后续进展值得关注。
　　AR-40黑科技之二——复合式长机翼
　　如果你希望一架＂复合式旋翼飞行器＂在高速飞行过程中有着如同固定翼飞机一般的效率和性能，你就必须要给这架旋翼飞行器设计一副长机翼。我们在之前的复合式直升机中所能看到的两侧机翼大都数都是短机翼，而卡瑞姆公司的设计师认为那种短而且粗壮的机翼几乎是没有任何效率可言的。
　　▲米-6重型直升机就有辅助短机翼的设计，这种短机翼分担了主旋翼的升力，使得主旋翼拉力能够卸载，从而延缓了其后行侧失速的来临
　　他们希望得到一种真正高效的机翼，所以他们把该机的辅助升力机翼设计成了一副与主旋翼直径相当（40英尺）的长机翼，这也是FARA竞争对手中所出现的最长的辅助机翼，简直可和固定翼飞机一拼。
　　▲AR-40模型的机翼长度和旋翼尺寸相当
　　长机翼意味着更大的空机重量，可能会降低全机的重量性能，不过卡瑞姆公司似乎对其超轻质复合材料的制造能力颇具信心，所以并不担心这个问题会对AR-40带来较大的影响。而且，其设计师认为更大的机翼具备提供更大升力的潜力，甚至在中速飞行的时候，机翼就能获得足够的升力，使得主旋翼拉力卸载。而长机翼的副翼操纵品质将更高，从而为该机提供更多的机动动作可能。AR-40黑科技之三——倾转式尾旋翼
　　▲AR-40模型的尾旋翼处于尾推螺旋桨状态
　　AR-40的独到之处还在它的尾桨设计上，这是一种倾转式尾桨设计——也即是说，在悬停/低速飞行状态下，这种尾桨位于尾梁侧方，就和传统直升机尾桨一样，而随着该机过渡到高速前飞状态，该尾桨就会向后倾转90°，从而变成一副尾推螺旋桨，从而为直升机前飞提供推进动力。
　　这种概念当然不是卡瑞姆公司首先提出的，至少在上世纪60年代，卡瑞姆公司在FARA项目中的竞争对手西科斯基公司就已经提出了这种倾转尾桨的设计方案，当时西科斯基公司正希望夺得＂先进空中火力支援系统＂的订单，为了提高直升机的飞行速度，他们就在S-66型直升机上提出了这种可倾转尾桨的设计方案，并在S-61A型直升机上演示了这一概念。
　　▲西科斯基公司在其S-61A直升机上演示尾桨倾转设计
　　这种结构相比于AH-56夏延直升机的尾桨+尾推螺旋桨双尾旋翼设计来说，最大的优势就是减少了一副旋翼系统，在某种程度上减轻了传动系统的复杂性，除此之外，单个旋翼还避免了两个旋翼之间可能会出现的复杂气动干扰问题。但是尾桨＂倾转系统＂本身的机械复杂性，却又变相增加了传动系统的实现难度，也带来了更多的结构动力学方面的问题，只能说两种设计各有优劣吧。
　　就目前来说，卡瑞姆公司还没有为AR-40打造一架全尺寸的金属模型机，也没有听说已经进行过相应的缩比模型的风洞试验，不过其电子样机和数字化建模分析据称已经全部完成，而且，卡瑞姆公司的采购部门近期也在购买和储备飞行器制造材料和零部件，从而确保在赢得竞赛的情况下能够随时投入到生产制造中去。
　　​到明年3月份，美国陆军将会从5家承包商重选出两家进入到最终PK阶段，这两家公司将获得资助来打造真正的原型机，并在2023年进行飞行测试竞赛。卡瑞姆公司的设计方案出炉时间虽然要落后3家公司，但是该方案中那些诱人的的闪光点如果能在模型试验/试飞中得到验证的话，确实能有一战之力。