融合了旋翼機(jī)、直升機(jī)和固定翼飛機(jī)的黑科技 Fairey Rotodyne飛機(jī)

英國(guó)費(fèi)爾雷航空公司一戰(zhàn)以來(lái)一直是英國(guó)艦載機(jī)的主要生產(chǎn)商，二戰(zhàn)結(jié)束時(shí)準(zhǔn)備重新發(fā)明一種復(fù)合式的飛行器并徹底改變短途航空業(yè)，它就是Fairey Rotodyne【飛而雷-駱駝大音 】，該飛行器身上融合了旋翼機(jī)、直升機(jī)和固定翼飛機(jī)的特點(diǎn)，是一款結(jié)構(gòu)復(fù)雜但已經(jīng)初具實(shí)用價(jià)值的飛機(jī)，經(jīng)過(guò) 15 年的努力，其獨(dú)特的項(xiàng)目 Rotodyne【駱駝大音】 離實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)僅一步之遙。

對(duì)短途航空業(yè)來(lái)說(shuō)，不僅要求安全性，垂直起降的能力也是很重要的因素。早在動(dòng)力飛行真正實(shí)現(xiàn)之前，發(fā)明家和飛機(jī)設(shè)計(jì)師就試圖將水平飛行的速度與垂直起降的能力結(jié)合起來(lái)。旋翼飛機(jī)的發(fā)展是該問(wèn)題的第一個(gè)實(shí)際解決方案。第一個(gè)成功的飛行器是旋翼飛行器，由胡安·德拉謝爾瓦于 1923 年在西班牙首次開(kāi)發(fā)。

20世紀(jì)，飛機(jī)升降時(shí)常因故障而失速，導(dǎo)致多人喪生。謝巴于是發(fā)明了自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)試圖解決這一問(wèn)題。旋翼靠飛機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的氣流而轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生升力，使飛機(jī)失速時(shí)不會(huì)下墜，旋翼可以不需要?jiǎng)恿︱?qū)動(dòng)，當(dāng)時(shí)，他的這個(gè)發(fā)明被新聞界稱(chēng)之為“風(fēng)車(chē)飛機(jī)”，與后來(lái)的直升機(jī)不同，旋翼飛行器前進(jìn)推進(jìn)力靠傳統(tǒng)方式來(lái)自螺旋槳，旋翼靠螺旋槳的氣流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)時(shí)提供了升力。控制是通過(guò)升降舵、方向舵和副翼來(lái)實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)然也可以通過(guò)改變旋翼頭的角度來(lái)保持一定程度的側(cè)傾控制。旋翼飛行器可以實(shí)現(xiàn)短距起飛和著陸。

直升機(jī)螺旋槳也是一類(lèi)旋翼，只是旋翼是有動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，而不是旋翼飛行器無(wú)動(dòng)力自轉(zhuǎn)，“旋翼機(jī)”這一名稱(chēng)，在直升機(jī)之前，已經(jīng)特指了無(wú)動(dòng)力的自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)。所以有動(dòng)力旋翼飛行器不叫旋翼機(jī)，只能叫直升機(jī)。直升機(jī)的動(dòng)力旋翼同時(shí)生成向前推進(jìn)和向上升力，融合了固定翼螺旋槳的向前推進(jìn)大和旋翼產(chǎn)生向上升力大的優(yōu)點(diǎn)。到二戰(zhàn)末期，直升飛機(jī)顯示出相當(dāng)大的發(fā)展?jié)摿?，而無(wú)動(dòng)力旋翼飛行器則成了既生瑜何生亮。

然而，直升機(jī)概念本身遠(yuǎn)非完美。其內(nèi)在缺點(diǎn)中最重要的一點(diǎn)是其最大速度有限。這是因?yàn)橹鄙龣C(jī)隨著空速的增加有失速的趨勢(shì)，導(dǎo)致過(guò)度振動(dòng)。由于旋翼前傾，直升機(jī)在速度增加時(shí)也增加了阻力。

費(fèi)爾雷航空公司于 1946 年開(kāi)始研制新型旋翼飛機(jī)，旨在結(jié)合旋翼機(jī)、直升機(jī)和飛機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。該公司為這樣一個(gè)雄心勃勃的項(xiàng)目做好了準(zhǔn)備。領(lǐng)導(dǎo)開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)的 是JAJ Bennett 博士，二戰(zhàn)期間，Bennett 博士還曾在HSD特區(qū)的英國(guó)空軍委員會(huì)擔(dān)任首席技術(shù)官，研究美國(guó)旋翼飛機(jī)的開(kāi)發(fā)。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)還包括首批獲得旋翼飛機(jī)資格的英國(guó)飛行員。

費(fèi)爾雷公司復(fù)合飛行器開(kāi)始構(gòu)造設(shè)想是，飛機(jī)將使用電動(dòng)旋翼垂直起飛和降落，就像直升機(jī)一樣，使用可控螺旋槳進(jìn)行偏航控制。一旦升空，所有的推進(jìn)力都將傳遞給螺旋槳，升力由當(dāng)時(shí)的自轉(zhuǎn)旋翼和一對(duì)小型傳統(tǒng)機(jī)翼產(chǎn)生。從理論上講，機(jī)翼升力和自轉(zhuǎn)旋翼減少阻力的結(jié)合將生產(chǎn)出比傳統(tǒng)直升機(jī)效率更高的飛機(jī)。

復(fù)合型飛行器的飛行控制，控制升力的旋翼總俯仰角隨著油門(mén)的開(kāi)閉而自動(dòng)改變。通過(guò)傾斜旋翼頭來(lái)控制橫滾和俯仰。右舷翼尖中螺旋槳控制方向，提供向前推力。雙舵的傳統(tǒng)尾翼，保持飛機(jī)水平飛行中的姿態(tài)，并在發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)控制飛機(jī)。

Gyrodyne【基羅大音】

原型中的第一架，稱(chēng)為 Gyrodyne【基羅大音】

【基羅大音】的特征是右側(cè)短翼翼尖處安裝了一副拉進(jìn)式螺旋槳，由520馬力的“利奧尼達(dá)斯”活塞發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，用以平衡旋翼扭矩并提供前進(jìn)推力。除這幅螺旋槳外，“利奧尼達(dá)斯”發(fā)動(dòng)機(jī)還要驅(qū)動(dòng)主旋翼。所以該機(jī)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，有多套變速箱和減速齒輪，與發(fā)動(dòng)機(jī)一起占了直升機(jī)一半的重量。

但【基羅大音】的速度比普通直升機(jī)快，于 1947 年 12 月 7 日首飛。1948 年 6 月 28 日公司首席直升機(jī)試飛員巴茲爾·阿克爾少校駕駛原型機(jī)創(chuàng)造了新的直升機(jī)速度世界紀(jì)錄——200公里/時(shí)。不幸的是，它在 10 個(gè)月后因致命事故墜毀，當(dāng)時(shí)它的旋翼頭在半空中解體，事后發(fā)現(xiàn)是金屬疲勞所致。

由于這場(chǎng)悲慘的事故，費(fèi)爾雷公司修改了其復(fù)合飛行器的設(shè)計(jì)。研究團(tuán)隊(duì)找到了奧格斯特·斯捷潘工程碩士。他曾在1943年研制出世界上第一架?chē)姎鈩?dòng)力直升機(jī)。

Jet Gyrodyne【皆特-基羅大音】

四年后，第二個(gè)原型機(jī)，即 Jet Gyrodyne【皆特-基羅大音】 出現(xiàn)了。

那架飛機(jī)的特點(diǎn)是一個(gè)全新的傳動(dòng)系統(tǒng)，旋翼采用槳尖噴氣在升降時(shí)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。單螺旋槳改成了兩個(gè)安裝在短翼翼尖處的對(duì)稱(chēng)推進(jìn)式螺旋槳，螺旋槳由“利奧尼達(dá)斯”發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。但旋翼不再用螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械連接驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)就簡(jiǎn)單了。旋翼由往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)加壓空氣和燃料，泵入位于轉(zhuǎn)子葉片尖端的微型噴嘴燃燒器，讓旋翼旋轉(zhuǎn)。利奧尼達(dá)斯”發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)壓氣機(jī)，用于向安裝在兩片旋翼葉片尖端的噴嘴供氣。在噴嘴中，高壓空氣和通過(guò)旋翼葉片油路輸送來(lái)的煤油混合后點(diǎn)燃，推動(dòng)旋翼旋轉(zhuǎn)。整套系統(tǒng)是開(kāi)創(chuàng)性發(fā)明，被當(dāng)時(shí)的人們稱(chēng)為“奇葩的活塞噴氣式直升機(jī)”。

【皆特-基羅大音】不容易駕馭，從直升機(jī)模式的垂直起降到旋翼機(jī)模式的平飛之間的轉(zhuǎn)換涉及棘手的給接通/切斷旋翼動(dòng)力操作，飛行員稍有不慎就會(huì)大幅損失高度。1954 年 1 月首次飛行，事實(shí)證明它的動(dòng)力有些不足，只能攜帶足夠的燃料進(jìn)行 15 分鐘的飛行。試飛員約翰·丹尼斯終于在1955年3月掌握了轉(zhuǎn)換飛行的技巧，在當(dāng)年的范堡羅航展上進(jìn)行首次完整飛行循環(huán)表演。這屆航展的一個(gè)大趨勢(shì)就是禁止飛機(jī)產(chǎn)生超音速音爆，結(jié)果【皆特-基羅大音】的噪音如同超音速音爆?！窘蕴?基羅大音】生不逢時(shí)，觀眾們稱(chēng)它發(fā)出的噪音很是反感。不過(guò)【皆特-基羅大音】的成功為正處于研制后期的【駱駝大音】打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)?！窘蕴?基羅大音】最終完成了190次轉(zhuǎn)換飛行，使設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)充分了解其中的奧妙。使團(tuán)隊(duì)對(duì)【駱駝大音】項(xiàng)目建立起足夠的信心，認(rèn)為該機(jī)的設(shè)計(jì)性能安全水平可以接受?！?/p>

費(fèi)爾雷航空公司同時(shí)在開(kāi)發(fā)的一個(gè)更大、更雄心勃勃的項(xiàng)目—— Fairey Rotodyne 【飛而雷-駱駝大音 】

從表面上看，【駱駝大音】看起來(lái)像是直升機(jī)和客機(jī)的混合體——這架飛機(jī)機(jī)長(zhǎng)18米，翼展14米，高7米?？罩?0噸，最大飛行速度每小時(shí)307公里，巡航速度每小時(shí)298公里，升限4000米，機(jī)組2人，乘客容量最高57名乘客。

【駱駝大音】擁有方形的機(jī)體，小展弦比上單翼，兩側(cè)機(jī)翼下有發(fā)動(dòng)機(jī)吊艙，由一對(duì) 2.8千馬力的渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，發(fā)動(dòng)機(jī)懸掛在機(jī)翼下方吊艙中。發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)一對(duì)四葉?？煽芈菪龢?，它還兼作偏航穩(wěn)定器。機(jī)背的錐狀結(jié)構(gòu)支撐起一副巨大的四槳葉旋翼，一個(gè) 90英尺直徑的旋翼安裝在一個(gè)高大的機(jī)身掛架上。起降時(shí)旋翼由安裝在其四個(gè)葉片尖端的噴氣機(jī)提供動(dòng)力。每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)為轉(zhuǎn)子相對(duì)兩側(cè)的一對(duì)尖端噴射提供壓縮空氣。機(jī)尾上方安裝水平尾翼，翼尖安裝雙垂尾。由于頂部旋翼槳葉太長(zhǎng)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度慢時(shí)槳尖下垂可能擊中垂尾，所以垂尾的上半段則可以向內(nèi)折疊到水平角度。

【駱駝大音】起降時(shí)渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)九級(jí)軸流壓縮機(jī)，用于垂直起飛。產(chǎn)生的壓縮空氣然后被輸送到轉(zhuǎn)子尖端的噴嘴，在那里它與燃料結(jié)合并被點(diǎn)燃。少量剩余動(dòng)力可用于螺旋槳進(jìn)行偏航控制。一旦飛機(jī)獲得足夠的高度和速度，壓縮機(jī)就會(huì)通過(guò)液壓離合器斷開(kāi)，然后所有發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力都轉(zhuǎn)移到螺旋槳上。這套系統(tǒng)設(shè)計(jì)冗余度較高，單發(fā)故障，仍然能保持驅(qū)動(dòng)力維持螺旋槳的旋轉(zhuǎn)，維持飛機(jī)基本飛行。

一旦 【駱駝大音】向前飛行，其升力的一半左右由自轉(zhuǎn)旋翼產(chǎn)生，其余由機(jī)翼產(chǎn)生。著陸可以在自轉(zhuǎn)中完成，或者通過(guò)接合壓縮機(jī)的離合器并重新點(diǎn)燃尖端噴氣機(jī)以進(jìn)行傳統(tǒng)的直升機(jī)著陸。通過(guò)練習(xí)，機(jī)組人員可以在大約 30 秒內(nèi)完成直升機(jī)模式和自動(dòng)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)模式之間的轉(zhuǎn)換。飛機(jī)采用前三點(diǎn)式起落架，前起落架位于駕駛室下方，后起落架在機(jī)體兩側(cè)，它們均可向前折疊。

在 1950年，【駱駝大音】的未來(lái)似乎很美好，航空商業(yè)運(yùn)營(yíng)商紛紛表現(xiàn)出興趣。然而卻發(fā)展緩慢。直到 1957 年 11 月 6 日，原型機(jī)進(jìn)行了首飛，創(chuàng)造了307公里/小時(shí)的世界飛行紀(jì)錄，當(dāng)時(shí)只是以直升機(jī)模式飛行。直到 1958 年 4 月 10 日，直升機(jī)和旋翼自轉(zhuǎn)飛行之間的過(guò)渡才得以實(shí)現(xiàn)?！抉橊劥笠簟窟€曾多次在飛行模式之間切換且無(wú)一事故發(fā)生，飛機(jī)在關(guān)閉一側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下仍然具備懸停的能力，還能和旋翼機(jī)一樣自旋著陸?！抉橊劥笠簟?960 年 6 月的巴黎航展上公開(kāi)展示，憑借其充足的載客量，可以將航空公司每座位/英里的運(yùn)營(yíng)成本比直升機(jī)降低至少 50%。

【駱駝大音】就是噪音太大達(dá)到了120分貝，難以滿(mǎn)足噪音水平要求，協(xié)和式超音速?lài)姎馐娇蜋C(jī)上遇到的是同一個(gè)問(wèn)題。它的噪音主要來(lái)自于起降階段的槳尖燃燒室，這噪音自然小不了，但持續(xù)時(shí)間也就起降的幾分鐘。盡管設(shè)計(jì)部門(mén)設(shè)計(jì)了多種噪音抑制設(shè)備，飛機(jī)的噪音仍不達(dá)標(biāo)，公司也向官方一再保證只要再投入資金就能解決噪音的問(wèn)題，英國(guó)相關(guān)部門(mén)還是在1962年停止了資金供應(yīng)。

盡管剩余技術(shù)問(wèn)題似乎沒(méi)有一個(gè)是無(wú)法解決的，但時(shí)間和金錢(qián)慢慢耗盡了。1960 年 2 月，當(dāng)英國(guó)直升機(jī)工業(yè)合并為一個(gè)單一實(shí)體時(shí)，費(fèi)爾雷Fairey 的飛機(jī)部門(mén)與布里斯托爾Bristol合并為韋斯特蘭公司W(wǎng)estland 。公司重組后，韋斯特蘭公司對(duì)【駱駝大音】的熱情減弱，興趣開(kāi)始動(dòng)搖?！抉橊劥笠簟?的開(kāi)發(fā)一直斷斷續(xù)續(xù)地持續(xù)到 1962 年 2 月，在經(jīng)過(guò)四年的飛行測(cè)試和 1100 萬(wàn)英鎊的支出之后，整個(gè)項(xiàng)目被取消了。唯一的一架原型機(jī)因?yàn)槭怯?guó)出資，被當(dāng)成國(guó)家財(cái)產(chǎn)遭到拆解，只有部分零部件保留在博物館。

【駱駝大音】可能比任何那些有趣的飛機(jī)都更接近商業(yè)成功。已經(jīng)擁有了較為成熟的飛行控制技術(shù)，它的飛行能力和運(yùn)輸能力是當(dāng)時(shí)其他大部分直升機(jī)所不能比的，但內(nèi)外交困，巧婦難為無(wú)米之炊，最終倒在終點(diǎn)線(xiàn)前。