为什么倾转旋翼机发展比复合式直升机更快？成败皆系刚性旋翼

　　无论从哪个方面看，倾转旋翼机都要比复合式直升机来得复杂得多——无论是从总体布局还是从机械传动机构抑或是飞行控制系统技术等方面来说——倾转旋翼都似乎更复杂一些。事实也的确如此，倾转旋翼的技术发展从诞生之初就比复合式直升机更具挑战，毕竟这种＂转换式飞行器＂的诞生是建立在许多新技术的开发之上的，其难度确实要高过复合式直升机。而复合式直升机无非就是常规直升机加装辅助机翼或者辅助推进系统或者两者皆而有之，不过无论是辅助机翼还是辅助推进系统，本质上也都是现有的技术。所以，对于直升机设计师而言，设计一架复合式直升机要考虑的无非就是如何把这些已有的元素集成到一架完成的＂新构型直升机＂身上而已。
　　▲提到复合式直升机，或许你脑海里会出现类似这样的图片（空客直升机的RACER复合式直升机概念）
　　那么，既然复合式直升机看起来技术难度并没有倾转旋翼机更高，为什么现如今美国倾转旋翼机技术都已经日趋成熟了，实际投入服役的复合式直升机却仍然连型号都没有呢？到底是复合式直升机根本比不上倾转旋翼机呢？还是说我们常规的认知本身是有问题的——也就是说莫非复合式直升机其实技术难度更大？——事实上，要回答这个问题，我们要考虑的不仅仅只有技术层面的东西，更有历史层面的东西。好了，话不多说——请看正文。倾转旋翼机的前世今身
　　关于复合式直升机的发展历史，我在上一篇文章中已经介绍得差不多了，现在咱们再来看看倾转旋翼机的前世今身。
　　倾转旋翼机是另一种克服传统直升机前飞速度限制的方法。其基本的原理是通过将位于机身两侧的旋翼倾转90°从而化作螺旋桨，并通过较长尺寸的机翼来提供本该由旋翼承担的升力。与复合式构型的直升机不同的是，倾转旋翼机的早期发展之路荆棘遍地，走得相当艰难。早在上世纪四十年代末，横空出世的Model 1-G型倾转旋翼机已经能够在飞行测试中做到几乎完全倾转到固定翼模式飞行，但是不幸的是，1955年，该机坠毁了。
　　▲倾转旋翼机的早期探索——Model 1-G
　　我之前提到过的美国陆军和空军的联合项目＂转换式飞机＂项目不仅赞助了XV-1复合式直升机，同时也赞助了贝尔公司的的XV-3倾转旋翼机方案。然而，显著的旋翼动力学和倾转旋翼回转颤振问题导致该机在地面试车和空中试飞事故频发，并在1957年发生了一起坠毁事件。
　　▲贝尔的XV-3倾转旋翼机正在进行首次飞行测试
　　为了解决问题，设计师们尝试将XV-3的三桨叶铰接式旋翼改装成双桨叶跷跷板旋翼。之后，贝尔公司在1958年完成了第一次真正意义上的全包线飞行测试，尽管当时该机的飞行品质实在不尽人意。飞行测试过程中，设计师们还发现了＂Rotor Limit Cycles＂气动弹性现象，后来直到1962年，设计师们才再次在风洞中再次复现并深入研究了该现象。
　　▲旋翼改装成贝尔经典两叶跷跷板式（半刚性）之后的XV-3
　　此后大量的关于倾转旋翼的动力学和回转颤振气动弹性问题的研究工作开始展开，其中值得一提的就是霍尔和艾登伯拉弗利用小尺寸的模型样机进行了试验，为理论模型方法的验证提供了测试数据基础。1966年，全尺寸的风洞测试正式启动，从而进一步评估了之前发展的一系列理论方法的置信度，并且也复现了此前飞行测试中给出现过的问题。
　　上述一系列前置工作的成功促使NASA／美国陆军和贝尔公司从1973年起开始启动了XV-15倾转旋翼试验机的项目。事实上贝尔公司并不是NASA和美国陆军的唯一伙伴，波音公司正是其竞争对手。两家公司针对倾转旋翼机构型进行了全尺寸的测试工作、半展长的倾转旋翼/短舱/机翼的设计工作被实施，相应的理论分析和设计方法也逐步走向成熟。最后，贝尔公司凭借XV-15概念验证原型机取得了竞赛的最终胜利。
　　▲XV-15在NASA的试飞场起飞进行飞行测试
　　该机的第一次悬停试飞于1977年进行，而其第一次完全变形到飞机模式的试飞则在1979年完成。此时，长期困扰直升机设计师的倾转旋翼回转颤振问题也得到了完美的解决，该机的在飞机模式下的高速飞行性能也达到了预期的目标——于1980年的平飞测试中达到了345mph（约555.224千米/时）的速度。可以说，XV-15的成功为贝尔公司的直升机设计师们打了一针强心剂，充分证实了倾转旋翼机作为一种同时兼具直升机和固定翼飞机性能的飞行器的可行性。
　　XV-15的成功直接促成了贝尔-波音公司联手打造的V-22鱼鹰倾转旋翼机的诞生，该机于1986年正式进入美国海军陆战队服役，而贝尔-奥古斯塔韦斯特兰联手打造的AW609商用版倾转旋翼机也算是走到了实用化的最后几步。
　　就近期来说，美国陆军的＂联合多任务＂技术验证项目中，贝尔给出了V-280的方案，卡瑞姆飞机公司则给出了TR36转速优化倾转旋翼机方案。目前，V-280已经走出＂联合多任务＂，走向了＂未来远程突击飞行器＂计划，由此成为了黑鹰通用直升机接任者中最有竞争力的一名选手。
　　▲贝尔的V-280倾转旋翼机近日完成了初步的无人化测试成败皆系于此——旋翼气动弹性问题
　　在讲旋翼气动弹性问题之前，首先值得回顾一番的就是无铰式旋翼（或者说＂刚性旋翼＂）的小历史。
　　在旋翼飞行器技术发展史上，无铰式和无轴承式旋翼技术的登场无疑是其中最具有重要革新意义的一章，而且就目前而言，该技术的发展也和未来先进旋翼飞行器的发展息息相关，其原因主要有两点：
　　①无铰式旋翼的技术发展历史告诉我们，新型旋翼概念的诞生总会伴随着气弹稳定性的风险；
　　②无铰式旋翼的基本构型为工作在高前进比状态下的旋翼提供了许多优势，也主要是因为这个原因，无铰式旋翼也成了复合式直升机的首选旋翼。
　　在最早的时候，直升机发明家和设计师们，考虑了几乎无数多种方法来将旋翼桨叶链接到旋翼桨毂上，并设计了各种桨叶变距机构。随后，全铰接式旋翼桨毂构造成为了其中最为通用、最为流行的一种旋翼构型，尽管这种旋翼系统的挥舞、摆振、变距这三个系统的铰链、轴承、阻尼器和限动件使得直升机旋翼的复杂性、重量、阻力和可维护性等问题大幅增大。
　　▲全铰接式旋翼桨毂系统
　　在上世纪六十年代，无铰式旋翼，也就是＂刚性旋翼＂登场了，这种旋翼系统的桨叶直接连接到旋翼的桨毂上，没有挥舞和摆振铰链，由此，这种旋翼也被称作＂无铰式＂旋翼系统。面内刚性和柔性是两种不同的无铰式旋翼构型，其区分方式就是通过一阶面内模态频率是否大于1/rev（一倍旋翼转速），如果更大，那么就是刚性；如果更小，那么就是柔性。面内刚性无铰式旋翼的好处是规避了地面共振和空中共振的不稳定性，同时也不需要挥舞阻尼器，但是这种旋翼桨毂系统的重量会比面内柔性的更大一些。采用面内柔性旋翼桨毂系统的直升机有MBB的BO-105直升机和韦斯特兰的WG-13山猫直升机，洛克希德公司的XH-51则是面内刚性的代表机型。
　　▲韦斯特兰的WG-13山猫直升机
　　而到了洛克希德的AH-56A夏延武装攻击直升机就充分利用了XH-51（及其前辈CL-475）的成功技术。不过由于夏延的旋翼尺寸相比XH-51有显著的增大，而且其又采用了不同的新式无铰式桨毂设计，这直接导致该机碰上了一系列复杂的气动弹性稳定性问题，更糟糕的是，这些气动问题从未出现在XH-51上。如前文所言，这种种原因最终促使了夏延项目的取消。Frontier飞机公司的A160直升机也采用了一种面内刚性的无铰式主旋翼系统，该机的旋翼系统可以算作当代较为成功的面内刚性无铰式旋翼的一个例子。
　　▲A160无人直升机后来被波音公司收购
　　有点讽刺的是，由无铰式旋翼进一步升级而来的无轴承旋翼并没有按照设计师们的预期成功成为一种＂简单可靠、高性能、低重量＂的终极直升机旋翼构型，这种构型的旋翼只出现在了很少的生产型直升机上。事实上，如今的无轴承旋翼往往还是包含了迎风面积比较大的扭矩管以及一套摆振阻尼器。而且采用这种旋翼桨毂设计的RAH-66科曼奇直升机还出现了相当棘手的＂Regressing Lag Mode＂（RLM）空中响应稳定性问题，这也从某个方面表明机械结构相对简单的无轴承旋翼却会伴有更为复杂的气动弹性问题。
　　▲采用无轴承旋翼设计的科曼奇隐身直升机
　　综合来说，在旋翼飞行器的发展历史上，有一点很明确的就是动力学和气动弹性都是关键推动者——早期倾转旋翼机所碰上的相关问题的解决为该构型飞行器的发展铺平了道路。但是同时，这两者也是风险区域——在夏延直升机项目过程中所碰上的问题最终导致了该项目的落马。可以很明确的说，在任何项目中，那些设计师们害怕出现的动力学和气动弹性问题代表了一种明显的潜在风险，尤其是对于先进的旋翼飞行器项目而言。由于新概念构型的推动力其最直接的来源往往是对飞行器气动性能提升的渴望，因此，气动弹性的潜在风险在很多情况下往往会被无视。事实上，从以往的所有历史来看，气弹问题从来不应该被遗忘。复合式直升机落败——到底发生了什么？
　　自从上世纪60年代AH-56A夏延直升机取得＂迟到的成功＂之后，复合式直升机在发展中碰上了数十年的＂空窗期＂，这就催生了一个问题：是谁，或者是，是什么杀死了复合式直升机构型？
　　▲AH-56A夏延并非最早的复合式直升机，但的确是早期复合式直升机集大成之作
　　其中一个答案可能就是复合式构型的直升机弊大于利；不过这个过于简化的答案当然不能让任何人满意。另一种更为合理的解释却不是那么明显：在一个巧合的历史时间，复合式构型和倾转旋翼构型同时在发展——尤其是洛克希德的夏延和贝尔的XV-15，可以说，它们的对决在某种程度上也就意味着未来高速旋翼飞行器的发展方向。
　　就像之前所说的那样，关于复合式直升机的早期的成功的研究工作在推动美国陆军的＂先进空中火力支援系统＂项目过程中起到了巨大的作用。但是与此同时，在夏延直升机项目过程中所遇到的一系列技术问题又反过来终结了这个项目，所以可以非常明显地看出，夏延直升机的失败对于复合式直升机概念的发展其本身是一种非常大的打击。
　　▲夏延直升机的设计草图
　　从另一方面来说，倾转旋翼机的发展路径则又是完全不同的另一副画面了。在发展的早期阶段，倾转旋翼机的设计师团队就碰上了一系列严重的气动弹性问题。然而，随着分析技术的发展和试验工作的进展，XV-3倾转旋翼机的技术问题一个一个都被克服了。这直接促成了NASA/美国陆军和贝尔合作的XV-15倾转旋翼机，因为几乎所有的问题都已经在XV-3中碰到过了，所以XV-15的研制工作一直都顺利推进，最终在美国航空业界取得了轰动性的成功。最最重要的是，XV-15的成功恰好发生在夏延直升机项目取消之后的不久。
　　XV-15倾转旋翼机的成功，和AH-56A夏延直升机的失败形成了鲜明的对比，直接＂逆转＂了复合式直升机的时代命运。美国陆军最终决定放弃其对高速型直升机的需求，重新修订了＂先进空中火力支援系统＂的指标要求，并将其改成了＂先进攻击直升机＂（AAH；Advanced Attack Helicopter）项目，坚定了其致力于发展常规的低速旋翼飞行器的打算，最终促成了AH-64阿帕奇武装直升机的诞生。
　　▲AH-64阿帕奇武装直升机之所以采用常规构型正是因为美国陆军在夏延复合式直升机项目上吃了大亏（图为阿帕奇早期原型机）
　　所有的这一切毫无疑问促使倾转旋翼机成为了高航速、高效率、高性能的旋翼飞行器的首选构型（如果不是唯一选项的话）。常规直升机则仍然停留在处理低速领域的任务应用之内，而复合式直升机则从美国直升机设计师的＂字典＂中被移除，再也不被作为先进旋翼飞行器的构想方案。而在随后的数十年内，这种观点随着时间的演变一点点固化在美国直升机航空史上， 从这个角度来说，高速型复合式概念直升机事实上＂死掉了＂。
　　所以说，目前倾转旋翼机高优先级的现状实际上是一种历史的＂巧合＂，而促成这种＂巧合＂的原因则很快就从人们的意识中消失，大部分人都只记住了结果——复合式直升机不行——至于复合式直升机为什么不行？没人说得清楚。更具讽刺意味的是，夏延直升机项目在推进的过程中碰上的问题，从本质上来说和其复合式构型并没有任何关系。
　　▲尽管复合式构型本身没有问题，但是夏延的失败的确让很多航空公司不敢在尝试复合式构型，数十年后的速度鹰算是为数不多的尝试之一
　　可笑的是，当时还一度有研究专家指出倾转旋翼机才是那个很快会消亡的构型。事实上，在1992年，R.R.Lynn所作的尼可斯基报告＂倾转旋翼机的重生＂就陈述过这种说辞，并介绍了倾转旋翼机最终如何在这种悲观言辞中实现了＂逆袭＂。
　　历史提醒我们，飞行器的发展从来不是一个＂完全理性＂的过程。在发展过程中，有很多机会可以创造出＂奇妙＂的发现，而今天的一切都很可能在某位设计师的奇思妙想中变得天差地别。试想一下，如果AH-56A夏延直升机没有碰上技术难题，那么375架复合式直升机很可能就会活跃在如今的美国各地。
　　所以说，为什么倾转旋翼机比复合式直升机发展得更快？这或许更应该归因于夏延直升机和XV-15倾转旋翼机在旋翼飞行器历史相当接近的小段时间内其命运的戏剧性逆转。如今，对于复合式直升机的兴趣重新被提起，对于其潜力的评估也再次开始。复合式直升机其可行性已经通过了历史的验证，但是其实际应用价值，也就是说复合式直升机是否能够带来足够有利的气动效能的提升，仍然需要投入更多的研究。
　　​▲现在复合式直升机又开始被大量考虑
　　到底复合式构型还有没有＂逆袭＂的机会，咱们拭目以待。