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[信息] 西科斯基的x2技术验证机

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发表于 2011-6-16 18:04:17 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 三足赤鸟 于 2011-6-16 20:07 编辑

2008年8月27日,西科斯基飞机公司,在位于纽约的快速原型工厂成功地完成了X2技术验证机的首次飞行。作为一种先进技术概念的验证平台,这架验证机充分利用了沉寂多年的预研成果,融合了当今直升机领域的多项先进技术,力求突破当前速度性能的限制,成为世界上飞得最快的直升机,为衍生发展出不同用途的直升机型号铺平道路。
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验证计划高调出场

"X2技术”的概念最早出现在2003年。当时,西科斯基公司总工程师韦奈组建了一个“新概念”团队,着手研究有助于本公司未来发展的一系列先进技术和相关的平台概念。次年8月,西科斯基公司收购了施韦策飞机公司后,建立了一个快速原型与军用衍生型整体中心,负责“黑鹰”和“海鹰”衍生型的出口,因此被称为“鹰工厂”(HAWK WORKS)。更重要的是,这里成为了“新概念”团队从事新一代直升机技术发展的创新基地。
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2005年6月1日,时任总经的史蒂文·菲格尔在美国国际直升机协会年度技术论坛上公开宣布,正式启动一项X2技术验证计划,目标是通过采用各项新技术,改进共轴式旋翼直升机性能,在保持和改善原有垂直起降能力的基础上,使其以463千米/小时的速度巡航飞行。与常规直升机相比,X2的飞行速度提高了60%。紧接着,西科斯基公司就在6月13日开幕的巴黎航展上为X2营造声势,大力宣传这种全新的技术验证平台,并初步透露了采用了X2技术的不同重量级别和构型的直升机方案。

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值得注意的是,西科斯基公司专门将“X2 Technofogy”一词注册为商标,并表达出两层意思:一是描述了这架验证机采用的共轴式旋翼设计;二是表明综合应用一系列关键技术后,将使直升机性能获得倍增的效果(2X或2倍)。其实,从首次公布的概念图上也可以更为直观地理解为:X2技术是将共轴式旋翼与推进式螺旋桨合二为一的一种设计理念。

西科斯基公司如此高调地推出X2技术验证计划,意在赢得军方青睐的同时,还要占领民用市场,从而在下一代直升机的发展中处于领先地位。

然而,该计划的研制进度一再推迟,直到今年2月24日,西科斯基公司才在休斯敦市举行的国际直升机展览会上首次公开展示了X2。在三天时间里,各界人士纷纷围绕这架验证机仔细端详,听取有关技术介绍,探讨未来应用前景,同时也注意到尾翼上的飞鹰标识,首次了解到“鹰工厂”的存在及其发展潜力。显然,该项目已经引起了潜在用户的极大兴趣,西科斯基公司对此十分欣然,自行投资的风险似乎已经开始得到回报。

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前行桨叶 趋利避害

X2验证机的横空出世并非西科斯基公司一时心血来潮,而是凭借着30多年前预研工作打下的坚实基础,并充分地利用了近年来不断成熟的关键技术。早在20世纪60年代中期,西科斯基公司率先开始研究一种“前行桨叶概念”(ABC)旋翼,旨在突破传统旋翼工作机理的限制,提高直升机的飞行速度。不久,这项研究引起了美国陆军的密切关注,并在几年后得以正式立项,验证该技术的可行性。

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自从直升机问世以来,旋翼的工作原理一直是利用周期变距的方法维持旋翼升力,并保持倾侧力矩的平衡。然而,这种工作方式由于存在前行桨叶的压缩性与后行桨叶的易失速性,大大限制了直升机的性能。ABC旋翼正是为避免这两种工作特性的影响,充分发挥前行桨叶的升力性能而被提出。

这种旋翼系统的设计特点是采用了共轴对转的两副刚性旋翼。在直升机前飞速度增加时,每副旋翼的后行桨叶卸载,升力移到前行桨叶一边,因前行桨叶动压较高,能更有效地产生升力,消除了后行桨叶的失速现象,由此提高了旋翼的升阻比。但是,共轴式旋翼要充分发挥前行桨叶的升力特性,必须采用刚性旋翼。

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刚性旋翼最早由洛克希德公司提出并试验,特点是桨叶根部弯曲刚度特别大,以至于桨叶基本上没有挥舞运动,与飞机螺旋桨相似。这样,桨毂的操纵力矩显著增大,明显改善了直升机的操纵品质,使直升机具有较好的稳定性、机动性和高速性,但同时对直升机的操纵系统也提出了更高的要求。

1972年2月,美国陆军空中机动研究与发展实验室授予了西科斯基公司研制两架XH-59A验证机的合同,用以验证ABC旋翼的性能、驾驶品质和机动能力。尽管第一架验证机因操纵系统的缺陷而坠毁,但经过大幅度修改的第二架验证机顺利完成了验证试飞工作。在第一阶段,XH-59A以纯直升机构型试飞,分别在平飞和俯冲中达到了296千米/小时和356千米/小时的速度,证明了共轴式旋翼系统的预期性能。第二阶段,该机在机身两侧分别加装了一台J60-P-3A涡喷发动机作为辅助动力,以复合直升机构型将平飞速度提高到487千米/小时,最大飞行高度达7620米。
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XH-59A的试验表明,直升机采用共轴式旋翼系统,并借助于辅助推进系统,完全可以实现高速飞行。在此基础上,西科斯基公司又为美国陆军设计了一种XH-59B方案,在尾部安装涵道式螺旋桨。然而,这个设计理念在当时过于超前,在振动控制、发动机功率和传动系统等方面还存在一些技术障碍,最终被束之高阁,直到21世纪初才梦想成真。

设计理念 传承发展

作为一个技术验证平台,技术验证机在梦幻般的气氛中闪亮登场,颇具前卫的外形设计令人感受到未来直升机的科幻风格。乍眼一看,X2的机身就如同一只海豚,从头到尾的流线型布局更像是一架小型飞机的设计,目的在于减小飞行中的气动阻力,尽可能地提高巡航速度。据介绍,X2验证机的最大速度490千米/小时,最大巡航速度460千米/小时,起飞重量约为2405千克.航程1300千米。
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最引人注目的是X2首次将共轴式旋翼和推进式螺旋桨集于一身,可谓“前无古人”的大胆尝试。其实,这种设计方案早在80年代初就曾经参与过美国陆军实验轻型直升机(LHX)计划的投标,但当时由于一些技术尚未完全成熟而被淘汰,此后一直停留在设计图纸上,尘封于技术档案中。时隔近20多年后,西科斯基公司在寻求创新的道路上重温旧梦,决定自行投资发展一个验证平台。
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与XH-59A验证机的设计理念如出一辙,X2验证机采用了两副刚性旋翼,下一步还将安装低阻的桨毂整流罩。然而,与昙花一现的XH-59B方案略有不同,X2验证机的尾部并未采用涵道式螺旋桨,而是采用了推进式螺旋桨作为辅助动力装置。在巡航飞行期间,发动机的大部分功率传输到螺旋桨上,成为高速飞行的关键。当然,这种推进式螺旋桨的方案也并非一成不变.西科斯基公司针对美国陆军“联合重型空运”(JHL)计划提出的方案中,就考虑将其安装在机身两侧,与传统的螺旋桨飞机基本一样。

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其实,在刚刚完成的首飞中,推进式螺旋桨还形同虚设,并未与传动系统连接,真正地传动工作还要等到第二阶段试飞中。8月27日,西科斯基公司的首席试飞员凯文·布里登贝克驾驶X2技术验证机升空,在30分钟里先后完成了盘旋、前飞和一次盘旋转弯。随后的试飞中,X2将充当一个“飞行风洞”来确定共轴式旋翼与推进式螺旋桨之间的气动干扰。

进一步仔细端详,X2实际上就是一个精心“拼凑”的飞行平台。除了复合材料机身外,它采用串列双座,并直接安装了现成的1000~1250千瓦的T800涡轴发动机,通过先进传动系统驱动共轴式旋翼和推进式螺旋桨。最为简陋的就数起落架了,临时加工的主起落架支臂承担着大部分结构重量,尾轮支柱则从垂尾内部直接穿过。

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考虑到验证机的机身长度相对有限,设计人员对垂直安定面的位置和数量进行了优化设计。为避免妨碍共轴式旋翼的正常工作,垂尾向下倒置,并设计有方向舵,能够改善直升机的稳定性和操纵性;大翼展的水平尾翼顺势将翼尖下弯,形成了两个辅助垂尾,用于缓解机身气流对垂尾的不利影响,避免降低推进式螺旋桨的工作效率。

关键技术 厚积薄发

正如前面所提到,XH-59A验证计划尽管达到了预期目标,但也暴露出振动较大、机械控制系统复杂和发动机功率控制烦琐等问题,基于当时的技术水平还无法彻底解决。时至今日,西科斯基公司在30多年的型号研制和改进中,借助于美国国防部在一些军事项目合同上的投资,已经逐步突破了一些关键技术,陆续寻找到解决这些问题的技术途径。

首先,X2在很大程度上利用了已经下马的“科曼奇”项目的一些相关技术和系统。除了涡轴发动机外,该机还借鉴了RAH-66的复合材料旋翼系统和先进传动系统的设计。特别是后者,具有较大的单位重量飞行功率传输能力,可以将发动机功率从主旋翼平稳地传输给推进式螺旋桨,实现由低速向高速飞行的无缝切换。同时,研制人员在传动系统中采用了一种在振源“短路”振动的主动控制技术,以明显降低振动水平。

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X2的电传操纵系统更是多个研究与发展项目的结晶。从20世纪80年代中期的S-76飞行模拟器到90年代的“科曼奇”和“零”涵道式无人机,西科斯基公司经过多年的潜心研究,完全掌握了直升机电传操纵系统的核心技术,对于今天的X2项目来说受益匪浅。

X2的电传操纵系统采用了三余度设计,在保持验证机的垂直起降、空中悬停和低速机动等原有性能的基础上,它可以控制发动机功率的平稳传输,使验证机从悬停飞行状态进入高速向前平飞状态。为测试新型电传操纵系统的可靠性,西科斯基公司专门将一架施韦策333直升机改装为一个验证平台,于2005年11月3日首飞。在90分钟的飞行中,该机验证了X2电传飞控系统的基本性能,整个试飞过程完美无缺,显示出远比预期更好的稳定性。


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最值得注意的是,X2还承担着使电传操纵系统不断发展和成熟的重要任务,以便推广应用到今后生产的直升机改进未来直升机的安全和效能。西科斯基公司已经公开表示希望最早在2011年实现一架“黑鹰”验证机的首飞,其主要特点是可以选择“一名飞行员”、“两名飞行员”或“没有飞行员”。毫无疑问,这种“黑鹰”将是一种可以自主飞行的直升机,不仅熟悉飞行员的驾驶技艺,清楚执行任务时目标方向,还具备了解自身作战损伤的能力。据介绍,这种“黑鹰”衍生型一旦投入使用,最可能的军事任务可能是战场补给,飞行员可以驾驶一架“黑鹰”,同时伴随着5架无人驾驶的“黑鹰”,大大减轻了飞行员的任务负荷。

衍生发展 未雨绸缪

按照计划,西科斯基公司将在两年时间里分4个阶段完成X2的飞行测试。在“鹰工厂”顺利实现首飞后,该机已经开始了第一阶段的试飞,主要验证同轴主旋翼的盘旋性能,并不使用推进式螺旋桨,飞行速度初步达到74千米/小时。随后的试验将在位于佛罗里达州西棕榈海滩的工厂进行,X2逐步增加推进式螺旋桨的功率,其中最大飞行速度在第二阶段将达到222千米/小时,在第三阶段达到333千米/小时,第四阶段达到463千米/小时。
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如果该项目的飞行测试达到预期目标,西科斯基公司计划发展一个基于“X2技术”和模块化设计的直升机家族,全面覆盖军用和民用领域。目前,该公司已经针对不同任务需要,设想了一些应用X2技术的直升机方案。其中,轻型和中型民用直升机的潜在市场包括近海石油开采、海上搜索救援和紧急医疗救护等方面,而逐渐浮出水面的军用直升机方案有可能率先应用于三个任务领域:为V-22武装护航、舰载反潜战和为特种作战部队的城市作战支援。

目前,武装直升机、轻型军用直升机和无人直升机等设计方案已经初露端倪,其中采用X2技术的武装直升机方案似乎仍然可以看到“科曼奇”的身影。它采用前后串列座舱和可收放式起落架,机头装有前视红外探测系统,前机身下安装了雷达,机身中部的挂架上携带有“响尾蛇”导弹或者火箭发射巢。出于隐身性能考虑,该方案还在机身两侧设计有内部武器舱。

在今年的范堡罗航展上,西科斯基公司首次展示了一种轻型战术直升机(LTH)的模型,多样的武器配备在此吸引了众多目光,似乎预示着良好的军事应用前景。然而,X2技术验证项目经理吉米·凯迪斯仍然客观地表示,X2技术真正投入到未来的军用直升机市场至少还需要10年以上。

作为潜在的军方用户,美国陆军航空部的官员非常关注X2技术验证项目的发展进度,并希望X2验证机不仅达到设计巡航速度,还要保持着传统直升机的良好机动性能。美国陆军还十分关注X2的燃油消耗指标和有效载荷能力,作为今后是否立项发展X2技术的新型直升机的重要依据。目前,美国陆军正在推JHL计划的前期评估,已经将X2技术列为中、低速段的候选技术方案之一。

由此看出,西科斯基公司正在凭借着X2技术,打破传统直升机的性能限制,创新发展出一系列先进的直升机平台。仅从技术而言,X2验证机达到预期设计目标似乎指日可待,然而能否顺利解决型号发展中面临的一些工程技术问题,正在成为西科斯基公司在21世纪发展壮大的关键。
发表于 2011-6-16 19:57:29 | 显示全部楼层
有新意!平稳性将会提高
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