X翼飛行器的設計特點

圖——複合材料製成的X翼飛行器旋翼槳葉/機翼要比西科斯基曾經製作過的槳葉都要大得多

在X翼飛行器的主旋翼（當然也可以說是“機翼”）的設計和製造中，最大的挑戰來自於其結構強度方面的問題。我在上一篇文中已經說明過：由於X翼飛行器的主旋翼存在高速飛行的“停轉”狀態，它將轉變爲“固定翼”，因此它無法像常規直升機的旋翼一樣通過高速旋轉所產生的離心力的拉扯來爲槳葉提供足夠的“離心”剛度。

更關鍵的是，在高速前飛過程中，旋翼轉變成的機翼呈“X”型分佈，這意味着將會有兩片機翼是４５°前掠式的，這就對機翼的剛度提出了更高的要求。如果用常規的合金材料，若要實現滿足其結構強度的剛度值，勢必會非常重，因此西科斯基最終決定採用全複合材料完成槳葉的加工製造。

圖——Ｘ翼飛行器的槳葉和西科斯基S－７６的槳葉對比（前者處於下方）

圖——X翼飛行器的柔性樑旋翼系統設計

圖——X翼飛行器的旋翼柔性樑在製造中

西科斯基在X翼飛行器的旋翼槳葉生產製造和機牀加工方面所碰到的挑戰可謂是旋翼飛行器領域前所未有的——要將非常非常厚的複合材料部件進行固化可是一件非常不容易的事情，當時現存的固化工藝都無法完成這一工作。西科斯基馬不停蹄地開發了一種獨特的新的固化工藝，他們完成了新的材料的表徵，並確定了容許間隙大小和建立了質量控制程序。

旋翼系統研究飛行器（RSRA）的最大特點就是能夠在緊急情況下切斷主旋翼與機身之間的聯繫，並以固定翼飛機的模式返航。在X翼飛行器的測試中，爲謹慎起見，測試人員要求保留了這一特點。爲X翼的超厚旋翼柔性樑開發緊急切斷系統成爲了西科斯基在該項目中的另一項重點工程，也是研究團隊的另一項偉大成就。

X翼槳葉的翼型是雙鈍頭（Double-Ended）翼型，無論是幾何前緣還是後緣都是橢圓形設計（常規翼型一般爲鈍頭前緣/尖銳後緣），這樣一來，無論氣流從哪個方向吹向槳葉都能爲其提供升力。槳葉的環量控制是通過從位於其後緣處的槽口向外吹氣來實現的，按照科恩達效應，吹出槽口的氣體將會黏附在翼型表面流動到一定位置再分離，通過控制氣流大小就能控制分離點的位置，這樣一來就能實現升力的控制，也就是起到了“虛擬襟翼”的作用。

在直升機模式下，環量控制技術可以提供“週期變距”，除此之外，環量控制技術由於不涉及類似自動傾斜器的機械傳動操縱，故而能夠實現高階諧波變距控制（Higher Harmonic Pitch），這一技術在旋翼停轉和啓轉過程中發揮着關鍵性作用。儘管通過環量控制技術實現了無機械式週期變距操縱，但是X翼仍然保留了與常規直升機類似的機械式總距操縱系統。

圖——槳葉微段截面圖，圖中氣流正從後緣出的槽口中吹出（Slot即爲槽口，Compressed Air爲壓縮空氣）

下圖展示了槳葉的前緣和後緣都必須開槽的原因。在直升機模型下，所有的壓縮空氣都是從後緣的槽口吹出的。在固定翼模式下，有兩片槳葉實際上是“逆風”飛行，也就是說，其幾何後緣朝着來流方向了，所以須得從幾何前緣的槽口向外吹氣。在模式轉換過渡的過程中，旋翼周圍的氣動環境更是極度複雜，爲實現恰當的環量控制，前緣和後緣甚至需要同時向外吹氣。

圖——前後緣吹氣的必要性示意圖（作爲直升機模式，中爲過渡模式，右爲固定翼模式）

西科斯基採用了兩級軸流壓縮機爲環量控制系統提供壓縮空氣，該壓縮機由飛行器的主減速器驅動。這臺特製的壓縮機由佛羅裏達州的普拉特&惠特尼公司生產。它能將壓縮空氣運輸到位於旋翼下方與旋翼軸同心的增壓室中。因此可以將整個系統看作一個“氣動式自動傾斜器”，其“固定盤”將會從壓縮機中收集壓縮氣體並控制流量，而“旋轉盤”則會將雅俗空氣傳輸到槳葉中去。

圖——環量控制閥系統由48個閥門組成，其中24個控制吹向槳葉前緣的氣流，24個控制吹向槳葉後緣的氣流。從右側的圖中與操作人員的對比可以大概判斷出增壓室的尺寸

西科斯基還必須得爲X翼飛行器配備一臺高能離合器及高效率的氣動剎車系統來確保其能夠順利完成空中停轉和啓轉的操縱。其中高能離合器是由艾莉森公司研製的，其研製工作進展順利，最後的成果品質優異，併成爲了後續離合器設計的基準。現今大名鼎鼎的聯合攻擊戰鬥機F-35 的升力風扇管理系統中的高能離合器就是基於此開發的。

圖——圖中展示的是X翼飛行器的主旋翼整流罩，從整流罩的尺寸也能感受出這副旋翼的尺寸是多麼巨大

西科斯基設計了一種全權、四餘度的數字電傳操縱管理系統來實現槳葉的環量控制，該控制達到了四次諧波的水平，響應速度極快。這是通過對增壓室的氣動控制閥、機械總距操縱系統和壓縮機的同時控制來實現的。在轉換過渡階段，該系統還要控制離合器、氣動剎車系統以及定位指標系統（Positioning Index System）。

用於如此高頻的飛行控制的革命性計算機是由美國聯合技術公司的漢密爾頓標準部門研製的。在當時，這可謂是除了航天飛機的系統之外，同類系統中最複雜的了。

在原型機的研製中，研發團隊計劃打造一種“可變性的發動機”，該發動機既能爲旋翼系統和壓縮機提供軸向動力，也能爲高速飛行提供推力，還能夠通過合理的操縱在兩者之間微調。下圖展示了這種發動機的概念。在該設計中，可變的進氣導片能夠操縱改變發動機輸出軸功率或是推力。

圖——“可變性發動機”概念的截面示意圖

在西科斯基忙着製造X翼飛行器的時候，NASA（美國國家航空宇航局）和DARPA（美國國防部先進研究計劃局）資助通用電氣發展了GE CEST TF34可變形發動機。1984年到1986年之間，該發動機被順利研製成功，並在NASA的路易斯中心進行了充分的測試。它是由TF-34-400B發動機改進的，在進氣口葉片開啓時最大能夠提供3600公斤的推力，在進氣口葉片完全關閉時則最大能提供4650軸馬力和750公斤推力。

圖——通用電氣TF-34可變形發動機在NASA路易斯中心進行測試

RSRA X-Wing的總體佈局

圖——旋翼系統研究飛行器架裝X型主旋翼之後的三視圖

其技術指標如下所示：

設計總重——10886公斤
旋翼直徑——15.54米
槳葉片數——4
槳葉弦長——1.03米
槳盤載荷——58.59千克/平方米

驗證演示飛行器的概念設計

隨着X翼飛行器的部件逐步完成，西科斯基設計團隊開始着手進行驗證演示機的概念設計（也就是不再加裝在S-72旋翼系統研究飛行器上了）。除了前文所述的採用可變形發動機同時實現驅轉旋翼、壓縮機和提供推力之外，西科斯基還設計了另一種配備傳統渦軸發動機的概念版本，該版本中機身兩側加裝短翼，短翼翼尖加裝推進螺旋槳，常規渦軸發動機同時驅動主旋翼和推進螺旋槳來實現多種模式的飛行。

圖——配備推進螺旋槳的概念設計圖

圖——配備推進螺旋槳的總體佈局三維圖

生產型飛行器的概念設計

西科斯基同時也爲X翼飛行器生產型號進行了多種概念設計，其中比較出名的一種是爲美國海軍設計的版本（西科斯基和美國海軍及海軍陸戰隊關係一向很鐵），該設計能夠在海軍的DD963級別的驅逐艦的甲板上起降。在美國海軍的設想中，X翼飛行器將能夠執行那些需要高速機動並且也需要低速徘徊飛行和懸停的任務，比如說超視距瞄準、偵察和緊急搜救。

該型概念機的主旋翼直徑爲15.24米，配備兩臺通用電氣GE-CTSF-34高旁通風扇發動機。起飛重量約13608公斤。反扭矩的平衡由尾部的一個矢量噴嘴引導發動機推力來提供。其設計概念如下圖所示。

圖——X翼飛行器的海軍版本概念圖

圖——X翼飛行器的海軍版本的總體佈局三視圖

X-Wing項目是美國在探索未來旋翼飛行器之途中鮮有的成功克服了所有技術挑戰的項目，其他諸如夏延、科曼奇等或多或少都碰上了種種技術難題，但是三者相似之處是，最終都碰上了財政問題。其實，新概念到底好、還是不好，理論分析、計算或能略窺門徑，但是終究還是要通過實打實的製造、測試才能認清的，即便最後失敗了，整個過程中積累的經驗技術不也非常寶貴嗎？與諸君共勉。