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鼎桥版支奴干?国产新型纵列双旋翼直升机,颇具潜力
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以下文章来源于候知健 ,作者候知健

在西藏等边疆的高原山地地区,由于高海拔和地形陡峭等原因,道路铺设非常艰难。无论是对于当地经济发展还是战略军事安全,这都构成了巨大的阻碍。

直升机可以悬停并在极小的平整地面上起降,无视地形障碍飞行的能力,原本非常适合这样的地区。但载人直升机需要高资质的飞行员和地勤人员,尤其直升机山地飞行伤亡事故率特别高的背景下,加上采购和运营价格昂贵,这使它无法形成足够大的规模数量和部署密度。

载重达到吨级的无人直升机,可以满足很大一部分高价值物流需求,必要时也能迅速转移后送伤病员,如果能广泛应用,可以对当地发展形成显著帮助。

国内近年公开的 FWH-3000 无人机,就在这一方面拥有很大的潜力。它采用了类似美国 CH-47 支奴干的纵列双旋翼布局。其设计意图很好理解,主要是获得三个方面的性能优势。

第一个优势体现在动力效率上。在取消通过反扭距保持飞行姿态稳定平衡的尾桨后,纵列双旋翼布局可以减少 10-15% 的动力损失,同样水平的动力可以支持更大的起飞重量。

但由于布局上纵列双旋翼机体的重量和阻力要明显大不少,这种优势在轻载的情况下不能体现;反而常规布局的直升机会表现得更快更省油,因此一般以载人为主的通用直升机都会选择常规布局。然而 FWH-3000 是货运无人机,这意味着它的飞行时数中,载重飞行的占比极高,选择纵列双旋翼布局能获得更好的效费比。

特别是我国存在大量的 3000 米以上高海拔山地地区,这些地方道路和机场密度都很低,对于能快速响应的廉价空运能力有着非常广阔的需求。高海拔带来的低大气密度,会严重削弱直升机发动机功率水平和旋翼升力水平;纵列双旋翼布局的动力效率优势能带来更小的性能衰减,在起飞重量和载重航程上的性能优势会进一步得到放大。

目前 FWH-3000 只公开了一些简单的主要性能指标,包括中最大起飞总重量 2.5 吨,最大载重量 1 吨,最大航程不低于 600 公里,滞空时间 5 小时,最大升限 6500 米。这些性能应该是在较低海拔下获得的,在高原环境中的具体衰减幅度还有待后续披露。

第二个优势体现在货舱尺寸上。在实际航空运输中,重量不大但体积不小的货品很常见;如果没有足够大的货舱,载具容易空有载重能力,但却塞不进多少货品。FWH-3000 在采用纵列双旋翼布局后,省去了独立的尾梁结构,尽可能加大机身在全长中的占比,几乎从机头到机尾全是货舱,实现货舱尺寸的最大化。

由于总体尺寸有限,FWH-3000 采用了机身侧面布设大面积舱门的设计,以最大程度的方便货物装运。这种尺寸比例惊人的大开口设计,会对机体结构的强度和刚度造成显著的影响,需要花费较大的重量和成本代价进行补强。但从提升使用性能的角度来看,该设计完全值得,当然也可以说是别无选择。

在现有照片中,FWH-3000 货舱门向上只能掀起到最大 100 度左右的范围,正好相当于多数成年男性头部和脖颈所在的高度。这意味着装卸人员必须全程弯腰操作,视野和肌肉发力受限而且易于受伤。但是考虑到舱门必须避让上方的旋翼,而且要留出足够大的高度差作为安全冗余,现有的设计已经是总体布局下的最优解了。

根据官方资料,FWH-3000 的货舱容量达到 4.2 立方米,可以装载两个 500 公斤标准货盘;在必要情况下,可以支持 6 名伤病员的紧急转运工作。但要指出的是,从现有照片来看,FWH-3000 应该没有复杂环控系统和货舱气密设计,自身不具备对潜在乘员的生命支持能力。在执行高原伤病员紧急撤离时,应该需要地面人员为伤病员提供伴随性的供氧保障。

第三个优势体现在装载作业的容错性上。FWH-3000 货舱处于两个旋翼的中心位置之间,因此货物摆放带来的重心偏移对直升机的飞行稳定性影响最小。这不仅能确保大尺寸货舱能在实际使用中有效发挥优势,也能尽量减少由于装载不当导致的意外事故。

特别是从实际作业经验来看,无人机在货运装载过程中,从业人员的规范程度普遍远不及载人航空运输。由于疏忽和粗暴操作带来的重心偏移超限等装载作业失误,是货运无人机出现飞行事故的最重要原因之一。

FWH-3000 的前后旋翼都采用了三叶桨设计,这也是和 CH-47 支奴干比较像的地方。这一设计的目的,是在旋翼升力、研制成本、尺寸灵活性、飞行阻力等因素之间取得最佳的平衡。

在桨叶长度相同的情况下,桨叶数量越多,与空气形成力学交互的总面积越大,升力和阻力也越大。该机的最大飞行速度为 180 公里 / 小时,在直升机里算不上快,很明显是为了在动力性能限制下,为获得较大的载重能力而一定程度上牺牲了飞行阻力和速度性能。

在行走装置上,FWH-3000 没有采用 CH-47 支奴干的轮式起落架,而是选择了滑橇式起落架。这主要是为了减轻重量,并降低研制和使用成本。因为轮式起落架除了轮胎还需要刹车以及液压缓冲结构。对于不考虑滑跑辅助起飞,对地面调度要求不高,自身重量也比较小的直升机,滑橇式起落架是更简单轻巧廉价可靠的设计。

要指出的是,直升机的滑橇式起落架并不只是一个简单的支撑架,而是一个相对富有弹性易于变形,能够吸收缓冲振动的带外斜弓形梁组合结构,类似于汽车上的扭力梁悬挂。

剩下的公开信息中,值得关注的一点是该机拥有 6 级风力下完成起降,7 级风力下进行飞行的能力。6 级风力的最大风速达到 13.8 米每秒,打伞的人几乎无法正常行走;7 级达到 17.1 米每秒,人要顶风前行已经相当费力。虽然经常被人所忽视,但对于中小型无人直升机,抗风能力是其总体性能评价的关键要素之一。

地形起伏剧烈的环境,尤其是高原山地地区,不仅 4-5 级甚至更大风力的天气非常常见,地表附近还经常短暂出现大小和方向无规律的突风乱流,这是直升机坠毁事故中占比非常高的一个关键诱因。抗风能力好的直升机,不仅能在更大的风力中保持悬停稳定,也能确保较高的降落精度;同时在飞行过程中也更不易受突风影响,出现急剧的姿态和轨迹变化。

由于控制变量多,各控制通道之间耦合严重,而且具备较强的非线性特征;纵列双旋翼无人机的抗风控制设计在很长的时间内,都处于 PID 等老控制技术效果不佳,自适应控制等新技术又不太成熟的尴尬状态。在中小型无人直升机中,FWH-3000 宣称的抗风指标是比较出色的。

这意味着它不易受环境影响而出现撞山坠地等损毁事故,在不良天气下也能精确顺利的在很小的指定区域完成悬停和起降。但这对于自动飞行控制系统的设计也形成了相当严峻的挑战,具体 FWH-3000 是如何实现突破的,还有待研制方进一步披露细节。

图:FWH-3000 在后期衍生了吊运版本

比较遗憾的是,FWH-3000 现阶段公开的信息并不多,包括发动机和减速器的功率和型号都处于未知状态。从公开的载重和航程数据来看,该机肯定不是电动设计,但无法确认发动机是活塞类燃机还是涡轴类燃机。两者转速和扭矩输出差异巨大,对应完全不同的减速器设计。

纵列双旋翼直升机在动力系统上的一个关键难点,是协调两幅旋翼的传动轴,它需要以很大的长径比和很轻的质量,传递很高的扭矩和功率。不过 FWH-3000 的尺寸和总重量有限,以国内现在的机械工业基础,这个级别的传动轴设计制造难度,没有很多人想的那么大。

仅从外观和公开性能指标来看,FWH-3000 的总体设计没有明显缺陷,针对使用场景的性能优化取舍思路明确。只要该机的性能满足公开指标,而且在采购运营成本和可靠性维护性上控制到位,它将拥有非常可观的国内外市场潜力,特别是高原山地居多的地方。

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