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自转旋翼机的历史和今天
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自转旋翼机的历史和今天

2018-10-17 00:00

自转旋翼机的历史和今天

自转旋翼机的历史

  西班牙工程师胡安·德拉·谢尔瓦(Juan de la Cierva)发明的转子叶片设计以及其在1923年开发的铰接转子叶片技术,是实现1936年首架直升机获得成功的突破性技术。谢尔瓦开发的自转旋翼机虽然类似于直升机,但其转子并没有动力装置。当自转旋翼机通过单独的动力螺旋桨实现升空时,其转子是自动旋转的。这类飞行器只需要很短的起降跑道即可获得足够的速度飞离地面。

自转旋翼机的历史和今天

  1923年1月,谢尔瓦成功驾驶了其安装了铰接或枢接式转子叶片的C.4自转旋翼机。通过柔性铰链将叶片连接到轴上,用于循环桨距控制,以平衡由旋转叶片引起的升力和扭矩,从而让飞行变得平稳。当今所有的直升机都采用铰接式转子叶片。

  到1925年,谢尔瓦研发的飞机变得越来越可靠,于是他开始在法国,英国和美国进行展示。 1925年10月20日,他的飞行员弗兰克?T?考特尼(Frank T. Courtney)还曾在英国空军部进行飞行测试期间,在范堡罗(Farnborough)附近的英国皇家航空研究院驾驶(自转旋翼机)进行飞行。

  随后在同一年,谢尔瓦在英国成立了谢尔瓦自转旋翼机有限公司。考特尼则周游欧洲,并于1926年年初在法国Villacoublay机场向法国人展示飞行,期间发生了至少一起事故。1926年9月,他在柏林附近的Tempelhof机场进行飞行演示。1928年9月18日,谢尔瓦亲自驾驶改良后的自转旋翼机飞行了25英里(40公里),以每分钟大约67.72米的速度从英国克罗伊登市(Croydon)出发,穿越英吉利海峡最终抵达巴黎附近的Le Bourget机场。之后,谢尔瓦又在欧洲进行了一次全程3000英里(4828公里)的休闲飞行之旅,吸引了各地的人们。

  1927年2月发生的一次事故使转子轮毂设计得到了改善。在轮轴处嵌入“阻力铰”,以使每一叶片在旋转时都向后拖回一点或稍稍向前枢转。这样减轻了压力,这一很多现代直升机都在使用的全铰接式轮毂开发又迈进了一步。另一项创新是机械启动器的开发,它使转子达到了起飞时所需的速度。

  在接下来的十年中,全球制造了大约500架自旋机。在英国,一些飞机制造商包括阿弗罗(A.V.Roe),德哈维兰(de Havilland),Weir和Westland公司都生产了自转旋翼机。在德国,飞机制造商福克-沃尔夫(Focke-Wulf)也打造了这类飞行器;在法国是Loire航空公司,而在俄罗斯则是中央空气流体动力学研究院(TsAGI)。 自1914年就进入美国航空业的飞行员阿罗德·皮特凯恩(Harold Pitcairn),在1928年与谢尔瓦商谈后成功地收购了其C-8型自转旋翼机,并将这款飞行器带到美国进行测试和评估。1928年12月19日,在美国宾夕法尼亚州的威洛格罗夫的Bryn Athyn(皮特凯恩机场)飞行。

 

  1929年2月,皮特凯恩又购买了当时还有效的谢尔瓦发明及自转旋翼机的美国专利权,并成立了皮特凯恩-谢尔瓦自转旋翼机公司,授权该公司在美国进行生产。美国另一家航空公司Kellett也在美国生产自旋机。

自转旋翼机的历史和今天

  皮特凯恩-谢尔瓦公司在1929年秋季又打造了三款原型机,这是美国制造的首批自转旋翼机。其中两款是全钢蒙布机身,另一款是铝制结构。有一款原型机在1929年10月10日起飞时坠毁,当时谢尔瓦亲自驾驶。虽然飞机损坏严重,但谢尔瓦本人并没有受伤。

  谢尔瓦飞行器首次进行公开演示是1929年8月在美国举办的Cleverland空中竞赛上。该飞机拥有两座的开放式驾驶舱,巡航时速75英里(120公里),最高时速达90英里(145公里)。1930年,一架自转旋翼机在新泽西纽瓦克机场的一次航展上进行了“空中游行”。此后,还为对设备充满热情的托马斯·阿尔瓦·爱迪生进行了一次特殊的演示。

  自转旋翼机在美国盛行了多年。1931年2月12日,《底特律新闻》在美国订购首架商用自转旋翼机。1931年4月8日,飞行员阿梅莉亚·埃尔哈特(Amelia Earhart)驾驶自转旋翼机爬升到18415英尺(5615米)的高度,创造了自旋机飞行高度的世界纪录。同年4月22日,制造商哈罗德?皮特凯恩获得Collier Troph大奖-“航空业最伟大的成就奖,其(自旋机)价值在去年就已在实际使用中被证实”。当天在颁奖现场,皮特凯恩公司的老兵飞行员吉姆?雷(Jim Ray)驾驶自转旋翼机降落在白宫的草坪上,接过时任总统赫伯特·胡佛(Herbert Hoover)颁发的奖项后起飞离开,此举又为自转旋翼机吸引了更多的公众关注。皮特凯恩在1931年共打造了51架自转旋翼机,并且为美国海军开发了许多机型,同时也有很多机型是专为私人机主们开发的。

  1932年,在改良版谢尔瓦C-19上开发的“直控式”转子使得副翼和短翼不再被采用。在这一系统下,旋翼被镶嵌在上因此可以倾斜,从而产生旋翼机向一方的拉力。这是在当时现有机型的控制界面上取得的巨大进步。

  另一个重大改进发生在1934年。谢尔瓦自转旋翼机开发了一款安装了可产生垂直“跳跃”起飞的设备。这让自旋机更加接近直升机的设计。新的设备很成功,并且是首此出现的实现了垂直升空的旋翼飞行器。

  1935年,奥地利人Raoul Hafner设计的AR III Hafner实验旋翼机,成为在英国首飞的旋翼机。这款飞行器具有铰链转子,既可循环控制也可集中控制,其中所有转子的桨距都可以同时改变,以增加或减少升力。Hafner旋翼机能够升空并以相当陡峭的角度爬升。

  循环桨距控制的发展也是一项重大改进。这种方法是平桨,而不是“摇动”转子头-即在叶片旋转时增加或减小叶片桨距。每一叶片都会在转子循环向前转动的一边呈现高桨距位置,而在向后转动的一边处于低桨距位置。这意味着一侧的升力增加时,另一侧的升力是减小的。平桨的设计不再需要铰链,从而使叶片能够上下移动并能够使用刚性转子。

  谢尔瓦-皮特凯恩公司授权美国费城的Kellett自转旋翼机公司以为美国陆军制造旋翼机。Kellett在1935年开发了YG-1飞机,成为美国陆军使用的首款旋翼机。尽管自转旋翼机很少服役于美国军队,但谢尔瓦自旋机为法国,苏联和日本军队在二战期间都提供过前线巡逻和炮兵侦察等有限的服务。在英国,这些自旋机被用于重要的防空雷达网络校准工作,虽然用途有限但很作用至关重要。

  自转旋翼机也被用于航空邮寄业务。1939年7月6日,美国东方航空成为世界上首家使用旋翼机进行定点航空邮件运输的公司,当时使用的是Kellet旋翼机,从费城邮局办公室的屋顶起飞后抵达新泽西Camden的机场。这一试验活动持续了将近一年。

  虽然自转旋翼机在某些方面依然被使用,但有一个重大的问题始终制约着这类飞行器的被接受程度。当转子叶片彼此异相移动且导致转子盘变得不平衡时,会产生称为地面共振的现象。如果不纠正的话,在短短几秒钟即可发生严重的损坏。只有当旋翼机在地面上,并且当比如来自硬着陆的冲击传递到转子系统时,才会发生地面共振。如果重心从整个飞行器移到了旋转中心,那么飞行器就会失衡。

  对旋翼机方方面面的改进使得真正的直升机得以发展。到了20世纪30年代中期,直升机已经采用了最初被用在旋翼机上的转子以及其他部件。

自转旋翼机的今天

  据报道,近年来自转旋翼机每年年产大约400架左右,有近4000架在运行中。主要客户在欧洲,澳洲等地。相对直升机,自转旋翼机有低购买成本,低运营成本的特点。自转旋翼机还有多种市场用途:飞行培训,个人娱乐,空中摄影,监视监测,通量观测,管道故障检测,火灾预警和其他军民空中用途等。在美国由于固定翼飞机众多,机场众多,不能算LSA等(但可以按初级类认证或者归类实验类)原因,自转旋翼机不太流行,但有不少厂家这几年开始在努力推动美国市场。在中国,至少有三款自转旋翼机获得CAAC LSA 认证。

  旋翼机类别的特点

  几乎无需降落距离,起飞距离几十米

  不会失速,不会进入尾旋

  可以极低的速度飞行

  驾照培训相对容易

  对起降和停放场地要求低

  购买成本和运营成本均低于直升机

  在规章领域,无论在欧洲还是美国还是中国,套材自制的自转旋翼机都可以按实验类适航。欧洲和中国允许自转旋翼机归类在初级类或者SLSA取证,并可在适当领域如飞行培训,农林喷洒,监视监测,航拍等商用。当然,个人娱乐在欧洲占自转旋翼机用途的很大一部分。在欧洲,除LSA认证外,自转旋翼机在不同国家还可以取得各种轻型飞机类别的认证。在美国,业界也在努力让FAA允许自转旋翼机归类SLSA“取证”。

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