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中国应该大力研发直升机电动尾桨

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常规直升机大多为主旋翼-尾桨布局,其中主旋翼以提供升力和推力为主,尾桨以提供反扭力为主。离开了正常工作的尾桨,直升机还有可能在打转转中垂直起飞、降落,但正常飞行就免谈了。


常规直升机大多为主旋翼-尾桨布局

传统上,尾桨动力来自主旋翼分出来的功率,通过伞齿轮和传动轴,传递到尾桨。与主旋翼引自同一动力轴也有利于保持同步,这是在垂直起落中确保尾桨正常工作的关键。但很长的传动轴不仅重量大、制造质量要求高,支撑的轴承和改变动力传递方向的伞齿轮还有可观的功率损耗,需要滑油冷却,维修工作量大。为了保持良好的气动外形,传动轴和支撑结构由尾撑围护结构包起来,这又是额外的重量。由于重心关系,尾撑里的空间还不大好利用,否则就前轻后重了。对于舰载直升机来说,很长的尾撑应该能折叠起来,缩短总长。但传动轴使得折叠机构更加复杂,可靠性挑战更加巨大。

尾桨在使用中还有另外的问题。在地面热机待命时,主旋翼低速转动,提供的升力微不足道,但发动机在怠速运转,可以随时升空。这在战时很重要,可以最大限度地缩短再次起飞所需的时间。由于主旋翼实际上不出力,尾桨也不需要出力。但由于与主旋翼的机械联动,还是在转动中。这对在直升机周围走动的人很危险。主旋翼的高度较高,下洗气流是一个困扰,但不大可能出现主旋翼打到人的问题。尾桨是竖立起来的,人员从尾桨附近走过,非常可能发生危险。这对使用尾门进出的直升机特别重要,尤其是通过尾门装卸担架等较长物件的时候,因为转动的尾桨恰好在最方便的进出路线上。要是这时能在主旋翼保持怠速转动的时候但尾桨停转就好了。


地面热机待命时,转动的尾桨对在直升机周围走动的人是很大的危险,这是从侧面进出,问题还不大,要是从尾门进出,就要特别小心

另一个情况是高速平飞。这时垂尾在气动作用下产生足够的控制力矩,其实不需要尾桨出多少力,但全速运转的主旋翼通过机械联动,使得尾桨也全速运转。要么用额外的变速器来调节转速,进一步增加系统重量、复杂性和可靠性挑战,还吃功率;要么用桨叶变距补偿,而承受高速空转的磨耗和功率损失。在理想情况下,这时也需要尾桨转速能与主旋翼脱锁。


现代直升机的尾桨机械其实已经很复杂了

事实上,现在的尾桨只是缩小的主旋翼,也具有全套的桨距调节,不仅系统重量、复杂性和可靠性挑战增加,滑油是另一个问题。漏油或者战损导致滑油流失,会导致轴承过热抱死或者直接烧毁,通常也在尾桨首先发生。一旦尾桨失效,哪怕主旋翼还在出力,直升机也将失控。

几十年来,人们一直在研究取消尾桨的办法。串列、并列双桨互相抵消反扭力,不需要尾桨,但联动的传动轴的问题更大,系统重量和迎风阻力更大,占地投影面积更大,还有其他操控特性问题,使用限制较多。同轴反转双桨的机械复杂性更高,还有上下旋翼在高机动飞行中的打架问题。使用喷气引流的NOTAR也有独特问题,涵道风扇则只是关进笼子的尾桨,气动效率还降低了。弄到最后,常规尾桨依然是主流技术。电动尾桨可能是保持传统尾桨气动效率但同时解决诸多传统痼疾的好办法。




串列双桨、同轴反转双桨、NOTAR都能取消尾桨,但各有各的问题


涵道尾桨只是把尾桨包进笼子里,不会打人打物,但效率降低了


绕了一圈,最后还是回到常规的开放尾桨

电动尾桨不需要传动轴,盘式电动机安装在可转动支架上的话,也可能使得尾桨的斜盘不再必要,结构大大简化,振动大大降低,可靠性大大加强。电动尾桨需要涡轴发动机带动更大的发电机,但这是成熟的技术。大电流输电和轻重量、大功率的盘式电动机也没有不可克服的技术障碍。

采用电动尾桨后,尾桨与主旋翼不再机械联动。在地面可以完全停止尾桨的转动,增加上下机人员的安全;在高速飞行时可以降低尾桨出力,由常规垂尾的气动作用提供方向安定性和偏航控制,甚至让尾桨进入风车状态,大大降低尾桨噪声。滑油要求也极大降低,无滑油运转时间极大延长,大大提高了故障安全性。

电动尾桨容易迅速增大或者减小出力,帮助直升机的“扭力转向”。这样的原地迅速指向能力是直升机的特有功能。

电动尾桨还为某种程度的混动化铺平道路。混动技术从火车开始,现在汽车上的应用最为风行。全电汽车与混动汽车的优劣不在这里的讨论范围,但混动汽车的设计理念不仅从最初的回收制动能量发展到现在的插电混动,还从以电代油演变到电力助动。

对于汽车来说,以电代油依然重要,部分甚至全部行程用电力驱动依然是降低油耗的重要途径。但电力助动是正在悄悄兴起的新理念。对于汽车来说,内燃机动力的行程和加油的快捷依然不可替代,保留内燃机动力依然重要。电动动力可以用电池能量帮助加速,以大大降低发动机最大功率的要求。对于全内燃机动力的汽车来说,即使在高速巡航中,发动机的出力依然很低,可能只有最大功率的20-30%。真正需要最大出力的是加速。但加速的时间很短,为了这短短的加速而极大增加发动机的最大功率,这是可观的浪费。电力助动正是解决了这样的问题,使发动机功率降低到只比巡航要求略高,以便于有余力充电。较小的发动机天然具有较低的油耗,体积、重量、复杂性、磨损也都相应降低。

同样的理念也可用于飞机,涡电推进是最新的热点。对于直升机来说,电力助动可以应用于主旋翼和尾桨,但从电动尾桨开始是最容易的,可以暂不考虑主旋翼机械驱动与电力驱动的耦合问题。事实上,汽车上的电力助动也有这样做的,前轮由内燃机动力直接驱动,后轮由电动驱动,只在加速或者需要四轮驱动的时候工作。

混动尾桨可以在起飞与加速期间从电池吸取功率,而让发动机功率全部用于主旋翼,增加有效出力。混动尾桨还提高安全性。一旦发动机故障,直升机可以通过主旋翼的自旋而产生一点升力,降低下降的速度。问题是发动机功率丧失后,通常尾桨的反扭力作用也消失了,而尾桨的风车状态常常不足以抵消反扭力,这还不说操作反向的问题。因此,尽管直升机在理论上可以自旋着陆,但常常由于尾桨失效而失控,导致自旋着陆失败。尾桨混动化后,尾桨在自旋着陆期间依然保持反扭力作用,有利于改善自旋着陆的安全性。


莱奥纳多正在用常规的AW189试验电动尾桨,这只是技术验证机,是在现有飞机上直接用电动代替机械传动,所以外观上基本没有变化,设计上也没有把电动的优点最大化


倾斜尾桨的优点众所周知,但不仅机械实现要复杂一点,还需要与飞控紧密配合。电动与数字飞控相结合,可以使得机械传动时代需要大动干戈的垂直尾桨改为倾斜尾桨相对简单

更进一步的话,主旋翼也采用电传动,那就是另外一个境界了。但从渐进的角度来看,首先实现电动尾桨是最稳妥而又见效快的方法,取消尾桨传动轴和解开机械联锁已经是一个很大的进步。下一步应该攻克的是可转动支架的电动尾桨,然后过渡到反扭力-推进复合尾桨,再下一步才考虑主旋翼的电动化。在这一技术演变的途径中,根据技术成熟程度,适时适度整合进混动技术。


如果电动尾桨采用可转动支架,在反扭力尾桨和推力尾桨之间无缝转换,可以把西科斯基SB-1这样的复杂设计大大简化,采用常规的单旋翼,在直升机和旋翼机之间无缝转换,既保持直升机的特有机动能力,又可高速飞行

电动机体积小、重量轻、可靠性高、可控性好,电动尾桨使得很多新布局的可能。除了上述可转向尾桨,还可以实现多尾桨。比如说大大缩短但加粗的尾撑里安置多个小型涵道尾桨,以替代传统的单一大型尾桨,不仅增加尾桨的可靠性,还大大缩短机长、缩小整个直升机的占地,这对上舰特别重要。

直升机技术是中国航空科技的短板,电动是弯道超车的切入口,值得中国航空业界特别重视。


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