美军JHL“联合通用重型直升机”设计方案

形形色色的JHL“联合通用重型直升机”设计方案

分享家:Addthis中文版 无疑,五角大楼正在谋求的新一化“联合通用重型直升机” (JHL)将是未来的新星。

JHL的主要用户是已经将“未来作战系统”(FCS)与“斯崔克”轻型轮式装甲车族作为未来发展方向的美国陆军,所以JHL运送的将是携带FCS系统的士兵和他们的“斯崔克”轮式装甲车族。这需要JHL起码具备20吨以上的有效载荷运输能力,而且海基部署的特点还将要求JHL是一种垂直起降的飞行器。

要实现垂直起飞的JHL最基本的性能指标——20吨以上的有效载荷,并不是一件容易的事情。现有最大的起重直升机——俄罗斯的米-26尽管可以携带20吨的最大有效载荷,但在真正的作战使用条件下,该机最大有效载荷也只有13吨。对于JHL,美国军方规划的性能指标是悬停升限约3000米,携带一个3.4米宽,2.8米高,15.2米长的集装箱,最大自持航程3900千米。不过,JHL的性能指标还存在着太多的不确定性。

从目前已通过初选的JHL五种方案看,没有一种是传统的单旋翼直升机方案,其间最大的区别是使用飞行速度的不同。依据飞行速度可划为三档:波音公司的先进纵列旋翼布局直升机(ATRH)以及西科斯基公司的X2技术吊车(代号X2C)共轴双旋翼式直升机属于296~370千米/小时一档;西科斯基的X2 高速版(X2HS)共轴双旋翼复合动力直升机独居370~462千米 /小时一档;贝尔一波音公司提出的QTR倾转旋翼机、卡曼直升机公司提出的最佳速度倾转旋翼机(OSTR)共同竞争462~555千米/小时的速度档。

波音公司ATRH方案

波音公司的先进纵列旋翼布局直升机(ATRH)方案被认为是目前最有可能实现,而且是最有可能控制研发成本的一款JHL候选方案。作用在该机型上的货物拉力和扭矩可以分配给两台或几台尺寸较小的发动机来承担。兰德公司的报告认为纵列旋翼布局直升机方案的单副旋翼直径,将达到CH-53EK型的水平。波音公司早在上个世纪70年代曾经设计和制造过能在高温和高海拔使用条件下,起重达20吨的XCH-62型纵列旋翼布局直升机。当时仅制造了一架原型机,还没来得及试飞就接到了下马的命令。现在看来,XCH-62是一种纯粹的“天空起重机”,只能在己方空军掌握全部制空权的空域范围内执行任务。新的ATRH方案将具备比XCH-62更高的飞行高度,以及更远的作战航程。

看来,波音公司设想ATRH将沿着一条不断改进与发展的螺旋上升之路加以研制,在项目启动时尽可能地立足现有先进技术并广泛展开同行间的交流合作,在研制过程中不断进行修改。例如在初期,它可以设计采用已有的发动机型号(兰德公司建议采用4台在MV-22“鱼鹰”倾转旋冀机上使用的发动机),待时机成熟时再考虑换装新型发动机。

西科斯基公司X2系列方案

2005年5月,西科斯基公司首次正式对外公布了X2型号的设计资料,并建造了一架小比例的技术验证机。样机采用T800涡轴发动机,有两副四叶桨以及一台推力发动机。预计该机能在2006年内实现首飞。有一些观点认为,X2是西科斯基公司1973年的XH-59A“先进桨叶概念”技术验证机(ABC)的浴火重生,当然也加入了当前最新的航空科技元素和活力。X2采用电传操纵,桨叶质量更轻,强度更高,机身也作了减重优化处理,外形采用低阻设计。此外,该机还特别设计了流线型的桨轴整流罩。

JHL方案采用共轴式布局的最大好处是省去了尾桨。兰德公司的报告称此为“两部6000千瓦功率的传动机构通过共轴布局被有机地紧凑到了一起”。没有尾桨的布局也使得该方案的地面投影面积小于纵列式旋翼布局以及大尺寸旋翼的普通直升机方案。无论是当初的ABC还是现在的X2,其飞行姿态控制方式与普通的共轴直升机一致。

在X2C起重型直升机方案中,西科斯基公司为了强调起重能力而加大了旋翼直径,使预计有效载荷达到36吨,物资将通过四点悬挂系统挂载于机身外部的下侧。

X2HS高速型在机身两侧加装了涵道式的推力风扇,在飞行时直接提供推力以供直升机快速水平加速。当然紧凑必然会带来机构复杂的问题,X2系列方案一个潜在的难点和隐患在于传动机构的重量和复杂性,兰德公司的报告曾对XH-59A技术验证机较重且复杂的传动机构提出过批评。

贝尔和波音公司的QTR方案

贝尔和波音公司的QTR倾转旋翼机方案从原先规划的MV-22改型变成了一种全新的因应JHL技术要求的型号。贝尔公司称它们当前规划的QTR方案尺寸大于C-130运输机,其货舱长度超过了C-130J-30,旋翼直径远大于当前“鱼鹰”的14.6米,预计最大起飞重量超过70吨。

QTR将装4台新发动机,拥有比MV-22 现有发动机更强大的输出功率,四副旋翼间将互有重叠,以保证某台发动机故障时飞机仍可保持机体的平衡以实施迫降。该机采用复合式短翼布局,机舱全增压。MV-22的机舱并不是全增压的,这使该机在搭载士兵时不能飞到最省油的巡航高度。

尽管尚处于起步状态,QTR项目组更希望能赋予该机相对宽松的短距起降能力,而不仅仅是垂直起降能力。期望能将QTR的滑跑距离放宽到500米以内。因为借助滑跑时气动力的帮助,QTR的有效载荷将有希望由20~25 吨提升到30~35吨,而且QTR将能像超级短距起降运输机一样起飞,并能在半油状态实施垂直起降。现有的QTR方案采用了无尾式气动布局,采用前后机翼后段布置的襟翼和副翼控制俯仰和偏航机动,倾转式旋翼能提供姿态变化的直接力控制,项目将采用美国航空发动机和工程材料界最新的科研成果和新技术。当完成项目预研和评估阶段的工作以后,项目组希望能够在MV-22的基础上建造首架QTR验证机。他们计划将C-130的机身段和V- 22的动力段通过新设计的结构进行融合,创造出这种新式飞行器。

OSTR方案

OSTR方案是卡姆(Abe Karem)众多新概念飞行器设计中的一个,他是美国空军“掠夺者”无人机的总设计师,还直接参与了波音A160“蜂鸟”长航时无人直升机的研制。

卡姆在2001年为他的OSTR方案申请了首份专利。他注意到MV-22的旋翼在不同的飞行状态时主轴的转速不同,但过于接近,影响了MV-22旋翼的设计。在平飞状态时该机旋翼的转速过高,阻力大;在悬停飞行时巨大而厚重的旋翼转动动量矩直接影响到了机体的稳定。OSTR的旋翼转速调节范围被设计得较大,桨叶可以选用质量轻、强度高的材料,且尺寸可以做大,在提供相同升力的同时降低桨尖的速度。相应的,因为主轴转速降低,OSTR的固定机翼可以在面积得到拓展的同时不必担心发生共振,机翼结构也因此得到优化和减重。

卡姆在研究后认为,采用OSTR技术制造的一架垂直起降飞行器将具备22吨有效载荷以及洲际/跨洋飞行能力。波音公司的A160目前正处于验证和评估阶段,它也被评价为一种布局紧凑、高效的无人机系统。OSTR方案和技术前景广阔,但是这种飞行器存在横向尺寸方面的问题,这或许会直接限制该机型未来可能的海基部署能力。

“罗托达因”复活版

 

说到这里,许多资深航空爱好者自然会想到一个已经尘封于历史的机型——罗托达因(Rotodyne)。

没错,这种1957年11月6日首飞成功的试验型垂直起降运输机如今再一次得到了人们的关注。“罗托达因”是英国威士兰一费尔雷公司研制的世界上第一种垂直起降客机。在飞行中该机的发动机通过离合器带动辅助压气机,压气机将空气送到桨尖压力喷气装置,并在该装置中喷油混合点燃产生旋转推力。在桨尖装置内燃烧而推进时,“罗托达因”可以像纯直升机一样飞行。也可以将发动机功率全传到朝前的螺旋桨,而让旋翼自转。在JHL项目竞选的初期,有一项落选方案得到了兰德公司的注意,且被认为是最具潜力的一匹“黑马”,该方案就是一种“罗托达因”的复活版。

2005年11月,美国国防先进研究计划委员会(DARPA)与戈隆飞机集团签订了一份为时15个月、总金额达640万美元的合同,研究高速复合动力研究机——“哲罗达因”(本意为旋翼式螺旋桨飞机)。为此,美国人特别将Helicopter(直升机)和 Plane (飞机)两个单词合并,拼出了Heliplane(直升飞机)这个专有名词。该机的推进系统计划采用FJ33涡扇发动机,预计能使该机达到648千米/小时的速度,并能在2008~2009年间实现首飞。

尽管此项方案未能通过JHL初选,但戈隆集团正计划在C-130J机体的基础上加以改造,制造出一架尺寸和性能基本符合JHL计划的旋翼式螺旋桨飞机。不过,前景如何只能拭目以待了。

2008年3月,美国军方和国家航空航天局(NASA)于2005年宣布启动陆军领导的联合重型运输机计划(JHL),同时签署了垂直起降联合重型运输旋翼机概念设计和分析(CDA)相关的5份合同。按照设想,这种未来的飞行器将具有与C-130“大力神”运输机相同的20吨载重量,同时还能像直升机一样垂直起降。目前美国军方现役的各种直升机中没有一种具备类似的能力,为此参与该项目竞争的各研制厂商都在各自的设计方案中积极采用新技术以满足性能需求。鉴于目前所装备的CH-53E“超级种马”中重型运输直升机的机体开始老化,美国海军陆战队还提出了重型运输机替代计划(Heavy Lift Replacement,HLR),希望于2013-2015年间开始制造全新的CH-53K直升机。与此同时,美国空军也提出实施其“先进联合空战系统(AJACS)”计划,争取从2020年起开始制造C-130运输机的后继机。但从目前的情况看来,由于美国众多防务项目的费用急剧增加、作战需求变化以及社会政治方面的原因将导致部分项目预算被压缩并有可能相互合并。因此前面所述的3个项目的前景并不乐观,JHL项目甚至有可能被常规直升机和固定翼飞机方案所取代。

空军世界

·空军世界首页  ·博客  ·中国作战飞机  ·上一页:UH-60 ·下一页:CH-47