美国陆军正在进行“联合多用途直升机”(Joint Multi-Role,简称JMR)和“未来直升机”(Future Vertical Lift,简称FVL)计划,最终将取代UH-60“黑鹰”、AH-64“阿帕奇”和其他主流直升机,计划2017年首飞,自然引起贝尔、波音和西科斯基等主流直升机厂商的巨大兴趣。波音和西科斯基联手,以西科斯基X-2研究直升机为基础,采用共轴反转刚性旋翼和推进螺旋桨技术联手推出JMR/FVL方案。贝尔在命运多舛的V-22“鱼鹰”的基础上,推出第三代倾转旋翼技术,翼尖发动机不再整体倾转,而是通过伞齿轮组只倾转旋翼部分,降低了机械复杂性,在理论上甚至有可能用安装在机身内的发动机驱动两侧的倾转旋翼,半刚性旋翼也加大直径,降低翼盘载荷,避免了“鱼鹰”的很多问题,以此作为贝尔JMR/FVL方案的基础。就是欧洲直升机也以X-3研究直升机技术为基础,推出竞争方案。欧洲直升机X-3和西科斯基X-2没有任何关系,采用常规的单旋翼,左右推进螺旋桨,但没有尾桨。在高速平飞时,旋翼卸载到接近风车状态,反扭力基本消失,升力基本上靠短翼产生。在低速或者悬停时旋翼出力产生升力的情况下,用左右推进螺旋桨的不对称推力平衡旋翼的扭力。但现在正在半路杀出一个程咬金来,名不见经传的AVX公司推出一个新颖的方案,引起人们极大的兴趣。

美国陆军正在着手研究替换AH-64“阿帕奇”和UH-60“黑鹰”的问题,技术验证计划名为JMR

贝尔的方案基于倾转旋翼的MV-22“鱼鹰”

西科斯基(现在得到波音加盟)的方案基于X-2的共轴反转刚性双桨和推进螺旋桨技术

欧洲直升机的方案基于X-3技术

但AVX的方案才是真正的半路杀出来的程咬金
小小的AVX由一些前贝尔公司人员组成,包括贝尔的前总工,由于并没有现成的量产产品,严格来说只是一个皮包公司。但21世纪最重要的就是创意,AVX带来的正是创意。AVX的方案是一个独出心裁的成熟技术和新概念的混合体,采用俄罗斯卡莫夫直升机那样的传统共轴反转双桨旋翼,但也采用推进螺旋桨。两者都是成熟技术,但结合在一起则起到1+1>2的作用。AVX正是希望用成熟技术的全新包装达到高性能和低风险的效果。
直升机相比于垂直-短距起落飞机来说,最大的优点就是无与伦比的悬停性能。共轴反转双桨提供了比单桨高得多的悬停性能。悬停是最吃功率的时候,对于单桨-尾桨的传统布局来说,主旋翼这时出力最大,需要尾桨的反扭力也最大。也就是说,悬停状态一方面需要最大功率,另一方面也是反扭力造成的功率浪费最大的时候。共轴反转双桨则没有这个问题,全部动力都可以用于产生升力。俄罗斯海军即使放弃与陆军和空军的通用性也要坚持用共轴反转双桨的卡莫夫直升机,很大原因就是因为共轴反转双桨优异的悬停性能,这对直升机反潜十分重要。由于反转双桨可以抵消一部分旋翼的本质振动,平稳性也更好,更加容易操纵。俄罗斯海军的卡莫夫直升机在海上悬停这样的高危操作时,经常只需要一个飞行员在控制。

卡莫夫直升机是最典型的共轴反转双桨,以特别优异的外挂和悬停性能而得到俄罗斯海军的青睐

但卡莫夫那样的传统双桨不适合高机动动作,曾有双桨在高g转弯中打架的事情
共轴反转双桨不是没有缺点的。直升机在前飞时,前行桨叶迎着气流运动,后行桨叶则背对气流运动,相对速度之差使得前者产生更大的升力,这造成直升机左右的升力不平衡。为了恢复平衡,桨毂结构上有一块斜板,使得桨叶在圆周运动的同时,在前行阶段降低迎角,在后行阶段增加迎角。也就是说,从前面看过去,旋翼的转轴垂直向上,但叶尖路径平面是向一侧有所倾斜的,倾斜方向由旋翼是顺时针还是逆时针旋转而定。这样,从前面看过去,共轴反转的双桨必然一个向上台,另一个向下压,一侧间距比另一侧更小。在飞机急转弯时,离心力和气动压力可以使得有弹性的桨叶产生超常挥舞,向特定方向急转弯就可能在间距较小的一侧造成碰撞。因此,共轴反转双桨需要大大增加上下双桨的间距,不仅增加迎风阻力,也削弱了共轴反转的气动对称。

直升机的斜板控制旋翼旋翼叶片的迎角
另一方面,桨毂结构上同一块斜板也可以使叶尖路径平面向前有所倾斜,在产生升力的同时产生推力。为了加强推力的产生,有时机体都要有所前倾,以增加叶尖路径平面的前倾角度。但前倾(还有侧倾)造成桨叶的挥舞,引起强烈的周期性振动,在某种程度上限制了实用飞行速度。采用额外的推进螺旋桨可以为旋翼卸载,是提高直升机速度的常用作法。
AVX的组合不是简单地把集中不同的技术堆积在一起,而是富有创意地利用了各种技术的优点。
共轴反转双桨最大的优越性在于悬停和垂直起降性能,所以为悬停和垂直起降而优化。在平飞中,推进主要来自推进螺旋桨,而旋翼主要用于产生升力。从动力分配的角度来说,在230节(约426公里/小时)速度时,2/3的动力用于推进螺旋桨,1/3的动力用于旋翼。事实上,旋翼还是有所前倾的,但这是用来补偿机体在前飞时有所上仰的姿态,上仰的机体本身在前飞时还产生一点气动升力,民航客机为了省油也是这么做的。这与常规直升机截然相反,由于机体要有所前倾以增大叶尖路径平面的前倾角度,机体实际上是产生一点负升力的。不用旋翼前倾而产生推力使得全速前飞时桨叶负载降低50%以上,极大地降低了振动。
AVX的升力设计也有特色。在全速前飞时,旋翼只提供60%的升力,前机身的短翼和推进螺旋桨的涵道提供其余40%升力的主要部分。采用短翼提供辅助升力是常见的做法,问题在于短翼通常只能设在中机身,以便维持升力和重力的平衡。但短翼设在中机身恰好挡住了旋翼下洗气流的路径,造成升力损失。采用前置短翼在很大程度上缓解了这一困局,而升力平衡问题则由后置的涵道螺旋桨解决,涵道相当于环翼,不仅提高螺旋桨的推进效率和遮蔽噪声,还提供前飞时的升力。降低旋翼对升力的出力还有助于降低阻力,前行桨叶是造成额外阻力的,出力越大,阻力也越大。但高大的共轴反转双桨的阻力还是比单桨大,全速前进时,旋翼和桨轴系统占总阻力的一半,所以AVX在研究用整流罩减阻的措施。
