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dasha
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 Posted - 08/24/2018 : 09:23:08
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幾個月前講過要寫的一些東西, 包括水上飛機垂直起降的, 今天寫一下吧, 但看來會很長很雜......
人類對飛行自由度的追求, 可以先定義成九個維度的運動自由度:
前進/後退/左平移/右平移/上升/下降/上下俯仰/滾轉/左右偏航.
最早的飛行嘗試, 大概是跳崖, 但因為這動作的運動自由度大概是0/9, 頂多有些人可以做到滾轉的1/9, 因此我們通常在後面追加"自殺"二字, 形容這種飛行模式的結果.
等到西元6~7世紀, 南美洲安地斯山上文明據考古研究, 可能出現滑翔行為, 但當時沒有現代的技術, 這種行為更近似跳傘, 在下降與滾轉方面算是可以控制, 運動自由度1/9~2/9.
氣球出現後, 總算, 可以自由上升下降了, 但其他控制有問題, 運動自由度2/9.
19世紀末出現飛船, 這不只是能上升下降, 利用動力系統, 還可以控制前進, 接著發展出的控制機制可以俯仰與偏航, 然後馬達能逆轉或改變螺旋槳方向(可調螺矩)的話, 甚至能後退, 運動自由度增為5/9~6/9. 只是體積大又貴, 還有氫氣易燃......後來換成氦氣是不燃了, 更貴......
飛機出現後, 因為不需要比空氣輕, 所以體積可以大幅縮小, 雖然升降多數是用俯仰動作配合加速代替, 左右平移更是除少數例外都用偏航加俯仰代替, 但運動自由度還是有6/9. 只是因為需要跑道加速到有足夠升力, 飛上天以後還要很長一段距離加速, 不能倒退讓這些距離都省不掉, 以至於機場本身就很大, 機場底下限建區更大, 對20世紀的大城市來說, 要建設機場進行空中交通, 很難, 飛船反而還不需要這麼大的空地, 這就帶來垂直起降飛機的概念.
只是垂直起降的最大問題, 就是推力, 水平加速起飛的飛機, 推力只要重量的20%就可以, 甚至可以做到推力是重量20%就加速到接近音速的水準, 但垂直起飛飛機的推力一定要比飛機起飛時的重量還大, 這等於推力需求五倍以上, 很不容易.
20世紀發明的技術, 就是讓氣體加速產生飛機的推力, 加大推力的方式, 簡化成兩個極端來說, 一個是讓大量氣體進行低度加速, 另一個是讓少量氣體進行高度加速.
少量氣體高速加速的技術很早就有, 火藥推進的火箭, 問題是氣體全部由燃料化學反應供應, 燃燒時間太短, 除了閻王殿以外哪邊都來不及飛到, 引發的就是衍生方式, 一部分反應物從大氣中取得的噴射推進, 只是氧氣可燒卻濃度太低, 需要壓縮, 相關專利出現在1928年, 實用卻要到1939年以後.
另一種則是大量氣體低度加速, 簡單講就是加大螺旋槳, 可是螺旋槳這種高速轉動的東西, 對結構強度要求很高, 1920~1930年代因為轉速太高而斷掉的螺旋槳是出現過的, 小螺旋槳都會如此, 大螺旋槳就更困難, 即使最早的垂直飛行在1907年就有人嘗試, 但整個技術發展到像樣, 要到1930年代, 真正成熟可能要拉到1950年代去了, 當然這邊牽涉到定義, 小弟認為比較早量產的幾種直升機並不成熟, 如果認為那個算成熟, 要說是1930年代或1940年代也可以啦......
但不管怎樣, 二次大戰前講垂直起降商業運輸或軍事作戰, 還不實際.
因此, 一次大戰讓一堆人知道怎樣上天, 或者比較可怕的, 知道炸彈從頭上落下來多可怕, 商業航空可以發展了, 要怎樣解決機場與禁建區的問題? 最簡單的方法, 水上飛機, 在河上起飛降落, 在河上加速, 那本來就沒蓋房子, 在河底帝國海底帝國出現前沒人抗議. 因此1920~1930年代, 就是水上飛機的黃金期, 特別是水上客機.
然後水上飛機的長航程飛行還有一個優點, 可以在海軍的港口與島嶼基地, 甚至與海上運輸船打個商量, 補給燃料飲食, 而且飛機的速度比較能迴避惡劣天候, 這與碰到風暴大概都很難躲掉的船不同, 除非惡劣天候是在起降地點, 或者你剛好油快用光與設備故障, 以及軍用機剛好敵艦就給你躲在雷雨區下你不得不衝進去炸, 否則搭水上飛機旅行, 理論上比較舒服.
但是, 義大利在1933年派25架S.55X以48小時飛抵美國芝加哥萬國博覽會現場, 24架抵達並直接在上空飛行編隊一事, 引發各國高度關注, 因為S.55有民航版與軍用版, 這次固然是展示義大利民航機的高可靠度搶越洋甚至環球客機訂單良機, 但是1940年底好像是紐約時報畫圖說德日義軸心國(1940年8月結成)入侵美國的6條路線, 根據其實也就是這次S.55X帶來的軍事恐懼, 千機空運一個師進入美國, 或者轟炸美國, 那就......至於史實居然是美國去這樣搞別人, 那就再說.
但是, 水上飛機的黃金期很短, 理由在技術層面: 1920年代多引擎水上機與多引擎客機/轟炸機的速度, 大概都是2xxkm/hr, 陸上機比水上機就算快一點, 也不過差幾十公里, 還好. 但1930年代水上機速度紀錄雖然一直提高, 絲毫不遜於陸上機, 可是實用的多引擎水上機呢? 還是很難超過300km/hr, 即使創紀錄飛行可以, 實際載客下來就是2xxkm/hr, 甚至可以低於200km/hr; 但多引擎客機呢? 實際運作超過400km/hr是還要一點時間, 但超過300km/hr卻已經不少, 這下飛行耗時的差距出來, 對水上機來說, 競爭力就弱了. 即使軍用領域還有不少公司想辦法去做比較高速的水上飛機, 也有些事情用陸基飛機不是很好用, 但二次大戰將爆發時, 水上機在商業市場可以說敗象漸顯, 二戰後一堆退役的軍用運輸機轉民用, 加上很多國家很多城市都被轟炸機都更過, 找空間建立機場變得輕而易舉, 就徹底消滅了水上飛機的活路, 只剩少數區域還能讓水上飛機存活至今.
相對的, 垂直起降方面, 噴射引擎出現, 但早期推力還不足,
因此少量氣體高度加速的垂直起降, 還要等到1970年代才有飛機正式服役; 大量氣體低度加速的直升機, 因為可變螺矩螺旋槳技術在戰爭中的成熟, 以及大型螺旋槳需要的冶金技術不再成問題, 就進入成熟階段.
現代直升機的飛行自由度, 高達8/9~9/9, 只有滾轉比較不太適合, 這讓直升機成為一種航空前輩眼中的理想飛行載具. 而且多數直升機的速度雖然不快, 但也可以接近300km/hr, 與1930年代末期那些客運水上飛機的速度差不多, 甚至更快一點, 這也是水上飛機沒落的另一個原因, 即使理論上水上飛機可以飛得更快, 但經濟航速差不了太多的話, 直升機的機場設置自由度實在高得太多, 因此不管是軍方還是民間, 就都拋棄水上飛機, 改買直昇機了.
不過直昇機有個有趣之處, 剛好, 2016年左右日本動畫雜誌NewType連載的五星物語, 出現一個新角色, 老牌GTM(原作者把MH改名成這個)設計師, 別人講GTM都是講賽連布雷之類型號, 他卻是講XX骨架, 一般人不太懂, 就那個怕老婆的天照帝因為是同行, 馬上就發現不對, 這傢伙有問題......
這個有趣之處是甚? 其實與直升機一樣, 我們會覺得美國的UH-1, 英國的Lynx, 義大利的A-109, 是三種不同的直升機, 但某些人會說這三個是同一個骨架的表兄弟, 因為他們都是來自同一個傳動系統的授權, 核心技術是一樣的.
現代主流的單旋翼加尾旋翼設計直升機, 是如何做到8/9甚至9/9飛行運動自由度? 直升機的升力與推力主要都來自主旋翼, 只要轉動就可控制升降, 但機身施與強大扭力在旋翼上, 反作用力就會讓機身自旋, 因此要找方法抵銷自旋, 這種設計就是用一個變速箱轉出兩個軸, 主軸朝上提供升力, 副軸往後拉提供另一個螺旋槳去抵銷扭力, 在電子控制系統不成熟的時代, 由同一個變速箱提供的動力, 可以確保雙方輸出一定是維持在某個固定比例, 不用擔心輸出不穩定造成震動偏航之類, 這是一個很聰明的設計, 同時也就確保了上升下降與偏航的3個自由度.
但接下來如何前進? 轉動傳動軸是個方法, 但這會讓整個引擎與變速箱要一起轉, 主流設計則是讓直升機旋翼有個可以上下震動2~5度, 或者更大角度的關節, 然後關節調整機構在螺旋槳根部, 想前進時, 讓螺旋槳轉到前面就打水平, 轉到後面就上抬, 這樣就會讓螺旋槳變成向前傾, 產生前向分力而向前加速, 左右後依法泡製, 馬上又提供4個自由度.
只是調整上並不是直接用馬達去抬高拉低旋翼, 而是調整旋翼傾角, 也就是螺矩, 因為這是已經成熟而且在二次大戰大量實用的技術, 可以說連零件都是現成的, 改變螺矩就可以改變每片旋翼的升力, 而關節就只是在那邊的一個不需要驅動的零件.
不過前進馬上就會出現問題, 因為向前轉的螺旋槳部分加上前進速度會進一步加速, 但向後轉部分會減速, 這時升力會不平衡, 要如何調整? 比較早期的方法就是讓上下震動的關節與螺矩調整負責, 向前進的部分會稍微向上, 以降低升力, 後退部分就會提高升力, 抵銷前進產生的生力不平衡問題.
後來比較新的螺旋槳, 則追加可以前後震動的關節, 增加調整的自由度, 同時減低一點應力, 讓直升機螺旋槳的壽命更長.
然後這些關節設計, 還可以提高直升機的運動性, 因為在飛行中這些關節的可動角度不能太大, 太大的話會亂打, 比方起飛時螺旋槳打到地面之類; 但可動角小又會造成前後左右運動時的側向分力比較弱, 運動性比較差. 可動部分越大, 氣動力上能調整的幅度越大, 要做各項運動就越有力可用.
但, 那是氣動力上, 結構上每個關節都只能用一個螺絲去固定, 那個螺絲的強度就決定了直升機的大小與運動性, 限制直升機不能搞得太大......所以碳纖維複合材料出現後, 大家就開始用複合材料的彈性去代替關節震動, 讓固定用螺絲可以增加, 承受應力的能力加強, 運動性就能進一步提升. 所以要看直升機的運動性, 除了輸出馬力與掃掠面積及旋翼數量外, 旋翼基部關節設計與粗細, 也是重點, 而且這部分才是技術關鍵, 看起來越簡單越粗的, 材料科技越好, 性能潛力就越高.
然後旋翼關節與控制部分講一堆, 要注意到這是與傳動系統相連的花樣, 而至少兩個旋翼兩根傳動軸加上一堆關節(尾旋翼也有自己的關節去控制輸出), 不只要注意強度, 注意控制性, 還要注意容不容易修理更換與會不會發生共振.
如果只是這些就算了, 到1950年代, 廠商甚至追加個要求, 因為當時開始出現渦輪螺旋槳引擎, 在飛機需要的1000馬力以上輸出的條件下, 渦輪螺旋槳可以做得比活塞更小且更加模組化, 很多既有的活塞引擎直升機傳動都要重新設計, 很煩, 因此廠商希望設計出一種換引擎之後幾乎不需要修改的USB式傳動設計, 不管哪種渦輪螺旋槳引擎, 輸出部分與我這個變速箱輸入部分套上就能用, 這樣以後換引擎就不用重新花時間設計, 而且要改變直升機的機身設計也會跟著相對簡單, 不管機身怎樣改, 反正傳動都一樣, 以後靠這個傳動就能躺著賺大錢.
而這一堆條件限制下來, 讓可用的旋翼組與傳動機構設計數量非常少, 甚至比引擎種類還少, 但相對的可以衍生出來的直升機就非常多, 比方貝爾公司一堆直升機, 其實通通都是少數那幾個傳動, 然後去裝單引擎雙引擎或換螺旋槳(關節以外)部份而已, 然後這一套還到處授權, 就變成一堆都是表親, 外觀不管長怎樣, 裡面那兩根傳動都是一個系統的......
當然, 主流設計的主要缺點, 在於後面那個尾旋翼要分出總輸出5~10%的動力, 所以就有其他種設計, 比方雙旋翼之類, 但這些其他設計的早期不夠成熟, 飛控沒有主流這種好, 而且還有好幾種設計的複雜度要高於這種主流設計, 畢竟主流設計的維修人力工時是戰車級, 其他有些設計卻是人力工時十倍的飛機級, 因此只有些特殊需求的才會用......而且就像MS DOS/Windows這個系統在PC的地位, 貝爾那個系統變成業界主流後, 市面支援太多, 其他系統商業上就比較難生存......
不過不管哪種大量空氣低度加速的設計, 都有一個共同缺點, 就是加速空氣時會產生阻力, 阻力與處理空氣量成正比, 因此這種設計的阻力都很大, 就算V-22之類, 最高速不過是測試用的XV-15這種縮小版設計, 二戰末期戰鬥機的水準而已, 假如要更高速的垂直起降機, 那就只能用噴射體系的技術.
但要讓空氣高度加速, 就是要耗比較多的油, 更糟的是加速還有個上限, 噴出的氣流假如到達音速, 那個音障會塞住你的噴氣口......還好排氣溫度高的話, 氣流音速也會加速, 所以那個音速不是331m/s, 而可以加到600m/s甚至更高速. 只是這個上限就限制住你少量高加速的程度, 你還是要有一定以上的量, 才能產生夠大的推力讓飛機垂直起降.
這方面的概念雖然一大堆, 但現在最成功的設計, AV-8與F-35B, 其實都源自同一個概念, 魏包爾概念.
魏包爾概念的著眼點, 在於最需要大推力的垂直起降是低速度的時候, 如果你能夠在低速處理比較多的空氣增加推力, 在高速處理比較少的空氣減低阻力, 那就好了. 而他的主張是一種類似渦輪螺旋槳的方式, 從噴射引擎中拉出4個傳動軸去推加速用渦輪扇, 作為垂直起降用, 而且4個軸分別在重心前後左右, 那就可以順便用調整每個渦輪扇的方式, 去進行低速俯仰控制. 把4個傳動軸減為1個傳動軸, 實際上, 就是F-35B的做法.
但是魏包爾概念出現時, 要做這樣的長傳動軸還有困難, 所以英國人就把他的想法變成AV-8的飛馬引擎, 前面那個渦輪扇的氣流用向量噴嘴導到2個前噴嘴, 後面引擎本身的氣流則在後方用向量噴嘴下導, 就可以確保垂直起降.
現在來看, 魏包爾概念用戶都是呆重最低的設計, Yak-38/141的引擎呆重就高得多, 影響垂直起降的外載與平常的飛行性能, Yak-38甚至被視為無法用垂直起降以外的方式起降.
除此之外, 垂直起降用多組引擎的都要擔心一個問題, 那就是任何一具引擎故障, 你就完蛋, 一般多引擎飛機是只要有一半甚至一個引擎沒故障就能找地方安全迫降, 但垂直起降卻是任何一個故障你就死定了......AV-8或F-35B只有1具引擎, 雖然是1具完蛋你就完蛋, 但是1具完蛋的機率是低於3具任1具完蛋的, 這也是魏包爾概念的優點.
以現代戰鬥機設計的高價, 以及AV-8開創了一個明確的STOVL戰機市場, 小弟真的很懷疑, 未來F-35B會被一直改良下去, 繼續使用, 比他的A/C兄弟更晚退役...... |
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dasha
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Posted - 08/24/2018 : 19:33:59
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延續這邊的直升機技術,講一下小毛兄在幻想武器區中那些直升機會有的問題.
因為現在主流直升機就是那種關節一大堆的傢伙,這種旋翼設計如果要上下重疊像Ka家族那樣,因為怕上下前後震盪會打到,所以旋翼軸就會變成一定要拉很高,這樣才能好好控制又避免互打,而且螺旋槳部分的傳動之複雜......
因此有些設計就是擺脫這種一堆關節的,旋翼只負責升力就好,這時因為不需要上下擺動去控制姿態,所以兩組旋翼距離就可以很近,但這就變成一定要其他系統提供前進/後退/俯仰/滾轉的控制力,而且飛行自由度很容易減到6/9~7/9,變成一種比直升機快速但比定翼機慢速,但飛行特性比較接近定翼機的設計.
這種設計中,德國人的就是用副軸去帶動前進與姿態控制用螺旋槳/導管扇,還有些則是用噴射引擎去推動.
另外還有不少特殊的設計,比方德國更早期搞的是噴射引擎氣流弄到旋翼內去噴,因為不是機身引擎去扭螺旋槳,而是螺旋槳自己轉,這就不用抵銷扭力,但高速轉動的螺旋槳還要有高溫氣流,那個管道不好維護,所以後來德國人才會改玩左右雙螺旋槳這樣;然後有個變體是翼端用小型噴射引擎去轉,這個要維護的變成油管.
另外有的架構中,渦輪螺旋槳引擎的排氣還有不少能量可以當推力,比方MD500,這種就是把這些氣流導到尾部,然後尾旋翼傳動軸變成加速用的渦輪,讓噴出的氣流速度更快,除了可以抵銷扭力,還可以當成一部份推力應用,但排氣剩餘能量太低的引擎就不適用這種設計. |
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本來要講直升機變成雜七雜八......
