縱列式直升機概談

來自專欄旋翼飛行器：理論、設計、未來

引言

提起直升機，或者大多數人首先所能想到的就是單旋翼帶尾槳構型的直升機，這也確實是目前世界上應用最廣，技術最成熟的一種直升機構型。

但是這種構型的直升機並不能滿足直升機所需面對的種種任務需求，因而，直升機行業發展至今，業內也無法判定哪種構型是直升機的最佳構型。

多年來，業內已經對多種直升機構型進行了廣泛的測試和研製，包括縱列式、橫列式、共軸式以及多旋翼式（三個以上旋翼），甚至還有不少槳尖噴氣式構型。

但是綜合所有的試驗和試飛數據，可以說，縱列式直升機是最有可能直接和單旋翼帶尾槳構型的直升機進行一爭長短的選手。

縱列式直升機的構型/布局

構型/布局是談論一切優勢/劣勢的前提，我首先總結一下縱列式直升機的構型特徵（下面的縱列式布局示意圖乃是Boeing Vertol Chinook 支奴乾的布局示意圖）：

• 雙旋翼前後縱列，由同一組發動機驅動（以保證轉速相同，免得擊打到對方），反向旋轉（抵消反扭矩）
• 通過總距桿操縱雙旋翼的升力變化
• 通過縱向周期變距的配平來抵消縱向揮舞角，使得縱向揮舞的旋翼不至於打到機身（保持合適的槳盤平面和機身間距），同時也可以盡量減小槳轂振動傳遞到機身上
• 通過橫向變距實現同向橫向揮舞來使得直升機滾轉，實現反向的橫向揮舞來使得直升機偏航
• 縱列式直升機前飛既可以通過增大後旋翼的拉力使其低頭以獲得水平力分量，也可以通過縱向周期變距導致的縱向揮舞角來使槳盤前傾

縱列式直升機的優勢

在了解了構型的基礎上，很直觀就能感受到縱列式的一系列優勢：

• 單旋翼帶尾槳的構型中，尾槳不提供升力卻需要消耗大約10%~20%的發動機功率，現在這部分功率完全變為提供雙旋翼的拉力；
• 與產生同樣拉力的單旋翼直升機相比，縱列式直升機的槳葉半徑更小，轉速會更大，旋翼轉速更接近發動機轉速，這有利於減輕傳動系統的重量
• 對於單旋翼帶尾槳直升機而言，其重心範圍往往就只能在主旋翼軸附近很小的範圍內變化，而縱列式直升機則有著相對來說極大的重心變化範圍（通過改變雙旋翼拉力來實現力矩平衡即可）
• 對直升機工程師來說，縱列式直升機的設計中只需設計一副旋翼就行了（這是美國著名直升機技術專家Prouty所言，限於他說這句話時的直升機製造水平可以認為這是完全沒錯的，不過按照現代化的設計理念，顯然擁有不同氣動布局的雙旋翼往往在效率和性能上更有利，當然這只是理論想法，非常需要試驗的支撐【我沒有??】），而單旋翼帶尾槳的直升機則需單獨設計主旋翼和尾槳

縱列式直升機的劣勢

說完了優點，咱們該說說缺點了：

• 單旋翼帶尾槳直升機的尾槳能夠良好地保持其航向穩定性，並且一般來說單旋翼構型還會裝備有垂直安定面（垂尾），同樣提升了航向穩定性，縱列式直升機則不存在這樣的航向增穩部件；
• 縱列式直升機的重量集中在機身中部，因而其航向操縱的滯後性也比較明顯；
• 由於上述兩點原因，縱列式直升機對風向的變化不夠敏感，這對於艦艇著陸和能見度較低的接近障礙物機動飛行而言很不利；
• 相對大尺寸的單旋翼而言，縱列式雙旋翼誘導流經槳盤的空氣流量較少，因而需要更大的功率輸出才能產生同等大小的拉力。但是側飛的縱列式直升機則相對來說能誘導更大的空氣流量，因而需要較小的功率輸出，從而有著更佳的爬升性能；
• 縱列式直升機的縱向穩定性也存在一些問題，比如它要低頭時，一般會選擇增大後旋翼的功率輸出，從而使其拉力增大，但與此同時，低頭的前旋翼槳盤迎角會變大，拉力因而也會變大，從而阻礙其低頭——針對這種情況的一般處理措施是讓全機重心前移，使得後旋翼的操縱力臂大一些；
• 最後就是振動問題，這也是所有直升機都存在的「缺點」，雙旋翼可能更顯著一些，從下面一副振動模態圖可以看出縱列式直升機的一些典型振動問題

總體而言，縱列式直升機重心大、效率高，在貨運等方面，比之常規直升機有著天然的優勢，所謂物盡其用，後續我們應該做的更多還是揚長避短，在縱列式直升機的研製中，突出其優勢，規避其缺點。

最後就是展望——一種能結合縱列式和單旋翼帶尾槳直升機優勢的新構型飛行器也值得考慮！

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