新研究显示同轴尾桨概念在悬停效率方面实现了显著提升

（来源：中国航空报）

米-28N直升机的“剪刀”尾桨。

同轴尾桨概念示意。

NH90直升机的四叶尾桨。

AH-64直升机的“剪刀”尾桨。

苏联TsAGI 1-EA试验机。　　直升机的尾桨是大多数乘客从未留意，而大多数飞行员则希望永远不出问题的部件之一。然而，正是位于尾梁末端的这个小型旋转组件，通过抵消主旋翼产生的扭矩，防止了直升机失控自旋。同时，它也存在一种危险的失效模式——“尾桨失效”（Loss of Tail Rotor Effectiveness，简称LTE）；在旋翼飞行器数十年的发展史上，这一现象已导致了多起事故。如今，一项新的数值模拟研究表明，一种源自直升机工程早期阶段的设计理念有望大幅提升这一关键部件的效率；与当今主流的常规尾桨相比，采用该设计的直升机在悬停时的功耗可降低近10%。　　这项研究发表在《航空航天系统》（Aerospace Systems）期刊上，由莫斯科航空学院航空工程系的帕维尔·马基耶夫主持完成。该研究重新审视并现代化了一项最初体现于TsAGI 1-EA尾桨方案中的概念——TsAGI 1-EA是苏联于20世纪30年代制造的一款试验型直升机。这一理念看似简单：不同于在尾梁一侧安装单个多叶片尾桨，同轴尾桨设计将一对双叶片尾桨安装在同一旋转轴线上，但分别位于尾梁的两侧（一左一右）。这种布局使两个尾桨在旋转轴向上保持了显著的间距；研究发现，正是这种间距释放出了一种空气动力学优势——这种优势在同轴主旋翼系统中已广为人知。　　为了评估这一概念，马基耶夫采用了“自由尾迹模型”（free-wake model）。这是一种计算方法，它通过追踪每个叶片在空气中运动时产生的涡流尾迹来模拟气流，而不是预先设定尾迹的几何形状。对于同轴布局而言，自由尾迹法尤为重要，因为在这种布局中，一个旋翼产生的尾迹会直接进入另一个旋翼的运动路径，由此产生的“叶片—涡流相互作用”会对飞行器的性能和载荷产生重大影响。这些模拟重点关注悬停飞行——这是一种对气动性能要求极高的工况，要求旋翼以尽可能低的功率产生最大动力；同时，分析过程将旋翼作为独立对象进行考察，排除了主旋翼尾流或直升机机身等复杂因素的干扰。　　研究人员将同轴尾桨与两种成熟的替代方案进行了对比：一种是量产直升机上常用的传统四叶尾桨；另一种是所谓的“剪刀”尾桨（scissors tail rotor）——这是一种极具潜力的新型设计，其桨叶成对安装在同一轮毂上，且各桨叶之间呈一定角度。同轴桨叶对旋转面之间的基准轴向间距设定为0.8倍旋翼半径（R）；之所以选择这一数值，是因为它大致相当于传统尾桨相对于直升机纵轴的侧向间距的两倍。研究考察了同轴桨叶对的同向旋转和反向旋转两种模式，并对比了两种不同的控制策略：一种是两个旋翼采用相同的桨距角，另一种则是通过调节使两个旋翼产生相等的推力。　　最主要的研究结果涉及悬停效率。悬停效率通常用“品质因数”（Figure of Merit）来衡量，这是一个无量纲比值，用于比较产生特定推力所需的理想功率与实际消耗功率。对于采用0.8R轴向间距、反向旋转配置并实施“等推力”控制策略的同轴尾桨而言，其品质因数较传统四叶尾桨提升了高达12.2%，同时功耗降低了约9%。对于这样一个气动损失直接影响燃油消耗和有效载荷能力的部件来说，这一性能提升相当显著。结果显示，“等推力”控制策略的表现始终优于“等桨距”控制策略；这表明，允许同轴桨叶对中的每个旋翼在匹配推力输出的同时各自调整桨距，能够更充分地发挥其气动优势。　　旋转方向也至关重要。反向旋转的旋翼对（即上、下旋翼向相反方向旋转）比同向旋转的旋翼对表现更佳。这一发现与同轴主旋翼的既有特性相吻合：反向旋转使得一个旋翼产生的旋转尾流能够部分抵消另一个旋翼的旋转气流，从而减少滑流中的旋转损失，并改善旋翼盘面上的诱导速度分布。该研究还记录了旋翼尾流的形态、详细的流场特征以及分布和整体气动特性，揭示了相互分离的旋翼面如何通过各自的涡系产生相互作用的物理机制。　　也许最引人注目的结果在于两个旋翼之间的轴向间距如何影响这种性能增益。马基耶夫将分析范围扩展至0.6R到2.0R的间距区间，发现品质因数的最大增幅（达15.8% ~16.2%）出现在1.4R到1.8R的间距范围内；一旦超出该范围，这种积极效应便开始减弱。这种非单调变化的特性表明存在一个最佳间距区间：在此区间内，一个旋翼的尾流既与另一个旋翼保持足够距离以避免破坏性干扰，又足够接近以实现两个涡系之间的有利相互作用。从实际应用角度看，同轴尾桨布局固有的轴向间距特性，使得最大化这种气动增益成为可能——这种增益效应在同轴主旋翼研究中早已为人熟知，且早在20世纪90年代就有文献记录了其在悬停状态下的高品质因数表现。　　其意义远不止于单纯的效率提升。由于同轴布局将旋翼置于尾梁两侧，它有望提供更强的偏航控制能力，而这直接关系到飞行安全。尾桨失效（无论是由主旋翼尾流干扰、侧风环境还是低速机动引起的）始终是一项重大隐患；若能在相同输出功率下实现更高的气动效率和更大的推力，这种尾桨便能在传统设计最薄弱的飞行工况下扩大安全裕度。这一概念也契合了更广泛的研究方向——涵盖变速尾桨、先进桨尖形状及优化扭转分布等技术以进一步挖掘这一关键部件的性能潜力。　　马基耶夫谨慎地将这些研究结果定性为初步成果。所有结果均基于孤立尾桨模型得出，而实际直升机面临的气动环境要复杂得多：主旋翼尾流会扫过尾部，机身会产生自身涡流，且在向前飞行时，尾桨处于斜向气流中，而非悬停时那种理想的轴向气流环境。目前仍有两项关键任务亟待完成：一是量化主旋翼尾流和机身对同轴尾桨性能的影响；二是评估同轴桨毂组件在向前飞行时产生的阻力代价，因为两套桨毂及其连杆机构不可避免地会比单套传统桨毂产生更大的寄生阻力。研究总结指出，最终参数的选择必须结合具体应用该概念的直升机机型特性来考量。　　尽管存在上述局限，该研究仍有力地证明，这一诞生近百年的设计理念值得利用现代计算工具重新审视。对于一个亟需降低油耗与排放的行业而言，若能采用一种悬停效率提升超过12%、功耗降低9%，且具备更强偏航控制能力与更高安全性的尾桨，无疑将是一项重大进步。随着eVTOL飞行器和下一代直升机推动同轴布局重回主流视野，同轴尾桨或许将从20世纪30年代的一项“新奇尝试”，演变为未来旋翼飞行器的标配。 （航柯）