關於10噸直升機構型的選擇:直20是不是山寨黑鷹?_風聞
TSQ-2019-10-10 17:52
(注:直博會開了,直20正式大量公開,這裏轉一篇以前的舊文章,裏面有些內容沒有調整)
隨着直20的問世,關於直20山寨黑鷹的説法一直很多,但直20到底是不是山寨?是不是看外形佈局結構類似就認為是山寨?在這方面,個人認為還是應該從設計角度聊聊,或許能把事情看得更清楚。
首先來看10噸級別直升機構型的種類,目前看,基本就是黑鷹和NH-90兩種選擇,搞清楚這兩種構型的特點,那麼就能更清楚為何直20做當前的選擇。
從直升機整個構型選擇來看,2噸以下大多數選擇雪橇式起落架,載客數量少,油箱、發動機圍繞旋翼轉軸佈置,座艙位於旋翼轉軸前方,這是因為這種小直升機載荷能力小,座艙體積小,發動機和油箱佔據總體重量比例大,座艙載荷能力小,所以選擇了這種佈局(圖1)。

隨着噸位的增加,座艙載荷能力提升,發動機和燃油佔據總體重量的比例降低,座艙就要佔據旋翼下方空間,因為座艙裏面載荷是在變化,變化的載荷造成重心變動,座艙位於旋翼下方對於重心變動影響最小,這個時候發動機位置就移動到座艙頂部,而油箱位置的安排,就有了多種方案。
油箱的燃油也是變化的重量,對重心也會造成影響,而且燃油的密度比座艙平均密度大(座艙裝載重量除以座艙總容積),目前主流的燃油布置有以下幾個:一個是位於座艙下面(絕大多數直升機是這個選擇)、一個是位於座艙後面(黑鷹的佈置),還有是位於座艙兩側(西科斯基公司的S-92、種馬和超種馬)。説白了就是讓開地方給座艙,只是讓開的地方不同,由於油箱的位置不同,對直升機的設計也帶來影響。
大多數直升機選擇將油箱放在座艙下面,這樣做的好處是燃油重心和旋翼轉軸基本重合,燃油消耗時對直升機的重心變化影響小,這對直升機重心控制非常有利。油箱放在座艙下面後,座艙向前和向後都容易擴展,座艙大小限制較少,而且油箱不阻礙直升機尾門的設計,側門設計也可以在旋翼轉軸下方,進行飛行救援時也比較方便。正是由於這個佈局優點較多,所以大多數直升機都選擇是這樣的油箱佈置。但是這個佈局也不是沒有缺點:油箱、座艙、發動機、旋翼都是沿着垂直方向佈置,直升機的高度會比較高,所以在對高度有要求情況下,選擇這個佈局就不太合適。由於高度較高,直升機的起落架選擇多數是前三點(也就是主起落架在後的佈局)而不是後三點,因為機身高通常尾梁距離地面也高,如果是後三點的話那麼尾輪支撐杆就太長了。尾梁高是有原因,大型直升機因為有尾門所以尾梁高,而即便不設置尾門,尾梁也不能太低,原因是:較大型直升機尾槳轉軸一般與旋翼槳轂同樣高度,這樣在氣動上是有利的,由於槳轂高所以尾槳頂部就要高,如果尾梁低的話,垂尾梁就要長,這也增加重量。綜合考慮後,還是選擇前三點起落架更為合適。前三點起落架有利於設置尾門,但是設置側門就會存在門與起落架干擾問題,這方面有兩種解決辦法,一種是側門靠後設置,側門往前推(圖2:NH-90),這樣做的好處是主起落架和機身主框架做成一體(圖3),但這樣艙門大小就受到限制,因為往前推是飛行員艙門,不能把飛行員艙門堵住。一種是側門往後推,為了不讓側門和主起落架打架,主起落架支撐點靠外設置(圖4 意大利AW-145),但這樣明顯不利於傳力給機框機構,需要橫向強度很高的梁去實現傳力。這樣佈局的另外一個缺點是座艙地板都比較高,畢竟地板下面有油箱,而直升機抗墜毀時必須要靠主起落架來緩衝,主起落架行程壓縮完畢時開始機身接觸地面,為了讓主起落架緩衝距離足夠長,那麼機身距離地面就要足夠大,這樣就難以讓地板距離地面較低。



為了能夠壓縮高度並讓油箱重心還在旋翼轉軸下面,西科斯基的S-92(圖5)、種馬和超種馬油箱佈置或許更合適,因為其油箱分佈在機身左右兩側,綜合後油箱的重心位於旋翼轉軸下面,只是油箱消耗時候需要考慮左右油箱等量消耗。這個佈局有利於降低高度,也不影響設置尾門,油箱還可以設置成翼型剖面,在直升機前飛時讓油箱產生升力。但是油箱位於機身兩側使得側面大小受到限制,而且側門並不在旋翼轉軸下方,所以這樣油箱佈局的直升機也不多,除了西科斯基外其它公司採用的並不多,波音支奴幹算是一個,不過支奴乾的佈局本身不是單個旋翼。這種油箱佈置通常將主起落架設置在油箱後面的整流罩中,靠近機身,主起落架很容易連接到機身主框架上。如果不在乎側面有多大,這種設計也有可取之處。這種佈局有利於讓地板距離地面較近,所以象超種馬這樣的重型機從尾門進入時坡度都不大(圖6)。而且超種馬可以用C-5運輸機運輸,當然是要拆掉旋翼和槳轂,也能放到兩棲攻擊艦上,高度低還是有其好處的。


很顯然,油箱位於座艙後面時油箱重心不在旋翼轉軸下面,這樣燃油消耗時會造成重心變化,座艙載荷變化時也造成重心變化,不做特殊處理,對直升機平衡是很不利的。這方面黑鷹直升機設計了傾斜尾槳,是讓尾槳提供一定升力,從而讓重心變化範圍更廣。由於傾斜尾槳可以擴大單旋翼直升機的重心範圍,所以西科斯基後來的直升機中很多都採用了傾斜尾槳,而歐洲的意大利和歐洲直升機公司也開始採用傾斜尾槳設計。油箱在座艙後面是沒法設計尾門,座艙在長度方向上也受限制(油箱重量大不能離旋翼轉軸太遠)。這個油箱佈置的好處是,直升機的整體高度可以降低(畢竟油箱不在下面)。這種佈局原則上可以選擇前三點,但是更適合選擇後三點,因為機身高度低,槳轂高度低,尾槳轉軸也就低,尾梁高度低有利於設置尾輪,而前三點起落架為了防止尾梁觸地也得設置防撞尾撐,所以設置後三點起落架是最合理的。這樣艙門往後滑動完全不會與起落架衝突,設置大艙門就很容易。另外由於地板下沒有油箱,所以地板距離地面可以較低,機身下部距離地面可以有較大的距離,起落架緩衝行程就可以設置較長,從而有利於抗墜毀設計。目前黑鷹直升機(圖7)是運輸直升機中抗墜毀能力最強的,可以在11.5m/s的墜落速度下保證95%的生存能力。而NH-90和AW-149都沒有這樣的抗墜毀能力,他們能夠達到的能力是9-10m/s,按照動能來看,同樣重量11.5m/s是10m/s的1.32倍,是9m/s的1.6倍,換句話説在高度上可以從1.3倍或者1.6倍高度墜落,抗墜毀能力的優異性還是很突出的。

當了解了上述佈局的各自優缺點,我們再來看國內直升機選擇什麼構型。很顯然,10噸級直升機的艙內容積有限,主要還是以運送人員為主。典型的在NH-90之前的美洲豹和超美洲豹直升機(圖8、9),就沒有設置尾門(NH-90可以看做是美洲豹的後繼機),所以,是不是一定需要尾門就值得商榷了。


在不是很有必要要尾門的情況下,對於我們國家,更為看中的的是什麼?我們都知道,黑鷹直升機的引進是因為青藏高原急需直升機,而即便是黑鷹引進三十多年後仍然缺乏高原直升機。這裏有個典型的抗墜毀事件:
“1988年5月27日,某團邱光華機組駕駛一架“黑鷹”直升機執行運輸任務,在飛越林芝至墨脱間多雄拉山口時,直升機由於氣象原因撞毀在低於山口100米的緩坡上,機上人員全部僥倖生還。然而不幸的是,大難不死的邱光華在20年後的汶川抗震救災中,突遇低雲大霧和強氣流,駕駛的米-171直升機不幸撞山墜毀,邱光華獻出了寶貴的生命。”
對於高原來講,高原能力並不僅僅是發動機功率大就可以的,發動機功率再大也不能保證發動機不出問題,不能保證惡劣氣象的影響,而高原的典型特點是空氣稀薄,在典型旋翼自旋墜落時,由於空氣密度稀薄造成旋翼升力小,從而使得下墜速度快,如果抗墜毀能力不行,生存能力就堪憂。另外,高原載荷能力降低,大座艙並不能裝滿,而座艙較小能降低結構重量,降低惡劣氣象造成的氣流對機身吹動的影響。還有我們國家國土廣袤,東西、南北跨度大,依靠直升機自身機動速度慢,在Y-20服役情況下用Y-20運輸直-20,採訪直升機研究所的設計師時該設計師就談到直-20可以用運輸機運輸。綜合這些,可以説國內的特殊要求使得10噸直升機選擇了類似黑鷹的構型,並不是説國內沒有能力造出類似NH-90構型,國內1986年就購買了超美洲豹,只比黑鷹晚1年多,而直八的仿製已經瞭解直升機尾門怎樣設計。1995年昌河直升機公司參與研製S-92的斜尾梁,説國內沒有類似NH-90的直升機所以無法山寨NH-90就有點扯了,山寨超美豹然後加個尾門難度很大麼?直升機的總體佈局的可選項其實不多,除了上面我提出的三種油箱佈置和起落架佈置外,還有什麼更新穎的佈置?在有限的可選情況下,無論選擇哪種佈置,都會有人説類似某某某個機型,從而説出山寨的話來。

真正看是不是山寨要看的是關鍵的零部件設計是不是照抄。對於直升機來説,關鍵的有旋翼系統方面直20和黑鷹是不同的,不可能套用黑鷹的旋翼系統。在機身材料上,我們也選擇了更多複合材料,這和黑鷹的鋁合金機身為主是不同的,你不可能按照鋁合金結構來設計複合材料機身,這是完全不同的東西,抄會抄出麻煩的。而座艙上的變化很多,我們在使用黑鷹中發現油箱偏小,座艙尺寸偏小,目前直20的機身明顯比黑鷹大一圈。尾梁和斜尾梁設計、尾輪設計都有所不同。而在飛行控制上,國內採用了電傳操縱,黑鷹在八十年代引進時可沒有這些東西。難道僅僅因為個人喜好和樣子像黑鷹就認為直20山寨了黑鷹?實際上,在航空領域,包括運輸機和直升機,隨着佈局的持續進化,能夠優化選擇的構型逐步會集中在幾個構型上,後來者很難在已經集中的構型上在創造什麼新的構型,而真正要看是不是新設計,更多是深入到具體實現上是否相同,而不是看總體是否相似。如果看總體相似,那麼波音運輸機和空客運輸機外形上有多大不同?現代的武裝直升機總體佈局為何都比較相似?