融合了旋翼機、直升機和固定翼飛機的黑科技 Fairey Rotodyne飛機

英國費爾雷航空公司一戰(zhàn)以來一直是英國艦載機的主要生產(chǎn)商，二戰(zhàn)結(jié)束時準備重新發(fā)明一種復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、直升機和固定翼飛機的特點，是一款結(jié)構(gòu)復雜但已經(jīng)初具實用價值的飛機，經(jīng)過 15 年的努力，其獨特的項目 Rotodyne【駱駝大音】 離實現(xiàn)這一目標僅一步之遙。

對短途航空業(yè)來說，不僅要求安全性，垂直起降的能力也是很重要的因素。早在動力飛行真正實現(xiàn)之前，發(fā)明家和飛機設(shè)計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。旋翼飛機的發(fā)展是該問題的第一個實際解決方案。第一個成功的飛行器是旋翼飛行器，由胡安·德拉謝爾瓦于 1923 年在西班牙首次開發(fā)。

20世紀，飛機升降時常因故障而失速，導致多人喪生。謝巴于是發(fā)明了自轉(zhuǎn)旋翼機試圖解決這一問題。旋翼靠飛機運動時產(chǎn)生的氣流而轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生升力，使飛機失速時不會下墜，旋翼可以不需要動力驅(qū)動，當時，他的這個發(fā)明被新聞界稱之為“風車飛機”，與后來的直升機不同，旋翼飛行器前進推進力靠傳統(tǒng)方式來自螺旋槳，旋翼靠螺旋槳的氣流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)時提供了升力。控制是通過升降舵、方向舵和副翼來實現(xiàn)的，當然也可以通過改變旋翼頭的角度來保持一定程度的側(cè)傾控制。旋翼飛行器可以實現(xiàn)短距起飛和著陸。

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

然而，直升機概念本身遠非完美。其內(nèi)在缺點中最重要的一點是其最大速度有限。這是因為直升機隨著空速的增加有失速的趨勢，導致過度振動。由于旋翼前傾，直升機在速度增加時也增加了阻力。

費爾雷航空公司于 1946 年開始研制新型旋翼飛機，旨在結(jié)合旋翼機、直升機和飛機的優(yōu)點。該公司為這樣一個雄心勃勃的項目做好了準備。領(lǐng)導開發(fā)團隊的 是JAJ Bennett 博士，二戰(zhàn)期間，Bennett 博士還曾在HSD特區(qū)的英國空軍委員會擔任首席技術(shù)官，研究美國旋翼飛機的開發(fā)。設(shè)計團隊還包括首批獲得旋翼飛機資格的英國飛行員。

費爾雷公司復合飛行器開始構(gòu)造設(shè)想是，飛機將使用電動旋翼垂直起飛和降落，就像直升機一樣，使用可控螺旋槳進行偏航控制。一旦升空，所有的推進力都將傳遞給螺旋槳，升力由當時的自轉(zhuǎn)旋翼和一對小型傳統(tǒng)機翼產(chǎn)生。從理論上講，機翼升力和自轉(zhuǎn)旋翼減少阻力的結(jié)合將生產(chǎn)出比傳統(tǒng)直升機效率更高的飛機。

復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的開閉而自動改變。通過傾斜旋翼頭來控制橫滾和俯仰。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，保持飛機水平飛行中的姿態(tài)，并在發(fā)動機發(fā)生故障時控制飛機。

Gyrodyne【基羅大音】

原型中的第一架，稱為 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式螺旋槳，由520馬力的“利奧尼達斯”活塞發(fā)動機驅(qū)動，用以平衡旋翼扭矩并提供前進推力。除這幅螺旋槳外，“利奧尼達斯”發(fā)動機還要驅(qū)動主旋翼。所以該機的傳動結(jié)構(gòu)很復雜，有多套變速箱和減速齒輪，與發(fā)動機一起占了直升機一半的重量。

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

由于這場悲慘的事故，費爾雷公司修改了其復合飛行器的設(shè)計。研究團隊找到了奧格斯特·斯捷潘工程碩士。他曾在1943年研制出世界上第一架噴氣動力直升機。

Jet Gyrodyne【皆特-基羅大音】

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

那架飛機的特點是一個全新的傳動系統(tǒng)，旋翼采用槳尖噴氣在升降時產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。單螺旋槳改成了兩個安裝在短翼翼尖處的對稱推進式螺旋槳，螺旋槳由“利奧尼達斯”發(fā)動機驅(qū)動。但旋翼不再用螺旋槳發(fā)動機機械連接驅(qū)動，結(jié)構(gòu)就簡單了。旋翼由往復式發(fā)動機加壓空氣和燃料，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)。利奧尼達斯”發(fā)動機驅(qū)動兩臺壓氣機，用于向安裝在兩片旋翼葉片尖端的噴嘴供氣。在噴嘴中，高壓空氣和通過旋翼葉片油路輸送來的煤油混合后點燃，推動旋翼旋轉(zhuǎn)。整套系統(tǒng)是開創(chuàng)性發(fā)明，被當時的人們稱為“奇葩的活塞噴氣式直升機”。

【皆特-基羅大音】不容易駕馭，從直升機模式的垂直起降到旋翼機模式的平飛之間的轉(zhuǎn)換涉及棘手的給接通/切斷旋翼動力操作，飛行員稍有不慎就會大幅損失高度。1954 年 1 月首次飛行，事實證明它的動力有些不足，只能攜帶足夠的燃料進行 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，在當年的范堡羅航展上進行首次完整飛行循環(huán)表演。這屆航展的一個大趨勢就是禁止飛機產(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，觀眾們稱它發(fā)出的噪音很是反感。不過【皆特-基羅大音】的成功為正處于研制后期的【駱駝大音】打下了堅實基礎(chǔ)?！窘蕴?基羅大音】最終完成了190次轉(zhuǎn)換飛行，使設(shè)計團隊充分了解其中的奧妙。使團隊對【駱駝大音】項目建立起足夠的信心，認為該機的設(shè)計性能安全水平可以接受?！?/p>

費爾雷航空公司同時在開發(fā)的一個更大、更雄心勃勃的項目—— Fairey Rotodyne 【飛而雷-駱駝大音 】

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

【駱駝大音】擁有方形的機體，小展弦比上單翼，兩側(cè)機翼下有發(fā)動機吊艙，由一對 2.8千馬力的渦輪螺旋槳發(fā)動機提供動力，發(fā)動機懸掛在機翼下方吊艙中。發(fā)動機驅(qū)動一對四葉?？煽芈菪龢€兼作偏航穩(wěn)定器。機背的錐狀結(jié)構(gòu)支撐起一副巨大的四槳葉旋翼，一個 90英尺直徑的旋翼安裝在一個高大的機身掛架上。起降時旋翼由安裝在其四個葉片尖端的噴氣機提供動力。每個發(fā)動機為轉(zhuǎn)子相對兩側(cè)的一對尖端噴射提供壓縮空氣。機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，當旋轉(zhuǎn)速度慢時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】起降時渦輪螺旋槳發(fā)動機帶動九級軸流壓縮機，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)合并被點燃。少量剩余動力可用于螺旋槳進行偏航控制。一旦飛機獲得足夠的高度和速度，壓縮機就會通過液壓離合器斷開，然后所有發(fā)動機動力都轉(zhuǎn)移到螺旋槳上。這套系統(tǒng)設(shè)計冗余度較高，單發(fā)故障，仍然能保持驅(qū)動力維持螺旋槳的旋轉(zhuǎn)，維持飛機基本飛行。

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，其余由機翼產(chǎn)生。著陸可以在自轉(zhuǎn)中完成，或者通過接合壓縮機的離合器并重新點燃尖端噴氣機以進行傳統(tǒng)的直升機著陸。通過練習，機組人員可以在大約 30 秒內(nèi)完成直升機模式和自動轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)模式之間的轉(zhuǎn)換。飛機采用前三點式起落架，前起落架位于駕駛室下方，后起落架在機體兩側(cè)，它們均可向前折疊。

在 1950年，【駱駝大音】的未來似乎很美好，航空商業(yè)運營商紛紛表現(xiàn)出興趣。然而卻發(fā)展緩慢。直到 1957 年 11 月 6 日，原型機進行了首飛，創(chuàng)造了307公里/小時的世界飛行紀錄，當時只是以直升機模式飛行。直到 1958 年 4 月 10 日，直升機和旋翼自轉(zhuǎn)飛行之間的過渡才得以實現(xiàn)?！抉橊劥笠簟窟€曾多次在飛行模式之間切換且無一事故發(fā)生，飛機在關(guān)閉一側(cè)發(fā)動機的情況下仍然具備懸停的能力，還能和旋翼機一樣自旋著陸?！抉橊劥笠簟?960 年 6 月的巴黎航展上公開展示，憑借其充足的載客量，可以將航空公司每座位/英里的運營成本比直升機降低至少 50%。

【駱駝大音】就是噪音太大達到了120分貝，難以滿足噪音水平要求，協(xié)和式超音速噴氣式客機上遇到的是同一個問題。它的噪音主要來自于起降階段的槳尖燃燒室，這噪音自然小不了，但持續(xù)時間也就起降的幾分鐘。盡管設(shè)計部門設(shè)計了多種噪音抑制設(shè)備，飛機的噪音仍不達標，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題，英國相關(guān)部門還是在1962年停止了資金供應。

盡管剩余技術(shù)問題似乎沒有一個是無法解決的，但時間和金錢慢慢耗盡了。1960 年 2 月，當英國直升機工業(yè)合并為一個單一實體時，費爾雷Fairey 的飛機部門與布里斯托爾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【駱駝大音】的熱情減弱，興趣開始動搖。【駱駝大音】 的開發(fā)一直斷斷續(xù)續(xù)地持續(xù)到 1962 年 2 月，在經(jīng)過四年的飛行測試和 1100 萬英鎊的支出之后，整個項目被取消了。唯一的一架原型機因為是英國出資，被當成國家財產(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)，它的飛行能力和運輸能力是當時其他大部分直升機所不能比的，但內(nèi)外交困，巧婦難為無米之炊，最終倒在終點線前。