作者：丁尹
从无到有的“前行桨叶概念”旋翼飞行器

1971年冬，临近新年，美国陆军空中机动研究和发展实验室（AAMRD；Army Air Mobility Research and Development Laboratory）负责人找到了西科斯基公司，双方之间已经展开过多次密切合作，早已算是老朋友了，所以美军也是直接开门见山：听说你们新的复合式高速型直升机研究有所突破？咱们很需要这个，我们给钱，你们出技术，老规矩，先造试验机。

是的，从上世纪60年代初开始，西科斯基公司的设计师们就开始考虑一种名为“前行桨叶概念”（ABC；Advancing Blade Concept[1]）的技术是否能真正应用到高速型直升机上。尽管这种技术的理论概念早在30年代就出现在美国的专业教材中，被当作一种理论来探讨[2]，但是从来没有人考虑过将这种理论应用到实际，毕竟对于当时的工业技术来说，要打造一种满足ABC概念的桨叶几乎全无可能。

图——ABC旋翼（上图右）和常规旋翼（上图左）升力产生方式的差异

1964年，西科斯基公司的研制团队正式启动ABC概念旋翼飞行器的理论研究和总体设计工作，旋翼系统、动力传动系统、操纵系统等几乎所有的直升机部件系统和常规直升机都不一样，所有的东西都需要重新设计，但是西科斯基的设计师们凭借其在直升机设计方面的深厚底蕴和扎实功底，从无到有，打造出了ABC概念的总体框架。

图——早在美军“通用战术运输机系统”的建议征询阶段，西科斯基就提出过ABC概念旋翼，但毕竟相关技术不成熟，美军最后还是选择了更可靠的黑鹰设计方案，不过ABC概念给他们留下了深刻印象

等到美国陆军找上门来，西科斯基公司手里已经有了足够的设计参数和理论手段，所以一切都是水到渠成——美军经费到位，西科斯基当即全力展开原型演示验证机的制造工作——短短两年不到的时间，被美军赋予型号XH-59A的前行桨叶概念原型机在1973年7月26日首飞成功，成为了世界上第一型应用ABC概念技术的飞行器。

图——在美军“试验型轻型直升机”项目期间，西科斯基再次提出前行桨叶概念技术方案，不过还是没被采纳，最终促成了科曼奇的诞生

然而，计划总是赶不上变化。世界格局的改变，美军经费的收紧等多重问题压力之后，XH-59A项目在1981年终止之后，没能等来其接任者XH-59B，就此成为历史。而西科斯基公司也把前行桨叶概念技术的研究从台前转到幕后，持续了整整27年，当高速型直升机的未来越来越明朗之后，西科斯基在2008年完成了X2型直升机的首飞测试，该机的亮相再次把“前行桨叶概念”技术展示到世人眼前，而且这次不再是那架起飞需要滑跑，前飞振动显著的XH-59A试验机了，而是更加完善的“X2刚性共轴双旋翼复合式直升机”。

图——XH-59B的设计概念图，美军最初提出该机研制经费军方和西科斯基各承担一半，但最后双方没谈妥，项目告吹

2009年5月4日，西科斯基公司展示了一种基于X2原型的轻型战术直升机模型，引起了广泛关注。到2014年10月，该机（也就是S-97）正式亮相之时，更是惊艳四座，满堂喝彩。美国陆军更是对该机投入了巨大的期待，毕竟那时候，其在役的主力侦察直升机OH-58D 基奥瓦勇士已经临近寿命终点，战备率极低且维护费用超标，美军已经开始筹谋更换主力侦察直升机[3]。

图——S-97在展台上亮相之后，全场起立鼓掌为之喝彩

然而，这架被多方寄予厚望的原型机，在2017年8月3日的一次飞行测试中，在离地仅仅5英尺高度，上下旋翼猛烈相互打击，削断1米，随后坠落地面（硬着陆），尾推螺旋桨折损，碎片横飞，所幸试飞员安然无恙[4]。这次事故大大影响了S-97的飞行测试推进工作，导致很多测试计划都被延期，受损的机器在进行大范围的维护和修理之后，也终于在去年重返测试场，开始进行进一步的测试工作，但是受到2017年事故的影响，西科斯基一直都在低调测试和摸索S-97的特点及其存在的问题。

图——S-97在事故中受损的区域示意图

直到近期，西科斯基公司再一次让S-97腾空而起，进行更为全面的飞行测试，这一次，西科斯基不再低调，积极邀请行业专家和媒体围观其飞行测试演示。前飞、后退、任意姿态悬停、低噪音隐匿逼近等等超机动动作令人不由感慨，“前行桨叶概念”这一技术历经西科斯基公司50多年的探索，终于结成硕果，铸就了一型超越“传统直升机范畴”的新一代“大国重器”。

那么，西科斯基公司已经把S-97的坠机缘由彻底搞清楚了吗？而S-97已经完全满足美国陆军“未来攻击侦察直升机”（FARA；Future Attack Reconnaissance Aircraft）计划要求了吗？

*注：

1.“Advancing”是前进的意思，“Advancing Blade”就是“前行桨叶”，不少读者朋友反馈这个词容易和“Advanced Blade”（先进桨叶）混淆，请注意区分。

2.关于前行桨叶概念应用到西科斯基首型原型验证机上的发展历程，请参阅：想前人所未想，西科斯基的高速共轴直升机何以胜过卡莫夫设计局？

3.无奈之下的美国陆军甚至采用大批的AH-64E守卫者阿帕奇重型武装直升机来充当“重型侦察直升机”的角色，足见其困境。

4.关于S-97坠机事故的详细调查报告和当时的具体情况，请参阅：军武评｜上下旋翼相互猛击，削短1米，S97直升机事故新细节曝光

根源已查明，难关已攻克

要理清“前行桨叶概念”刚性共轴双旋翼技术，首先得从直升机飞行速度的理论限制讲起。

对于一型常规构型的传统直升机而言，其所有的前飞拉力（包括维持平飞的升力和前进所需的牵引力）完全都需要由主旋翼来提供，而当其达到320千米/时的前飞速度之时，其整机将面临极大的阻力，而主旋翼前行侧将面临高亚音速阻力发散的情况，由此而导致旋翼系统振动水平大幅上升，限制了其速度的进一步提升[5]。而S-97及其上一代“X2”以及其“兄弟”SB>1作为一种复合加装了辅助推力装置的“复合式直升机”，则不存在这种烦恼。

图——辅助推进装置能够在前飞时候为此类飞行器提供全部的推进力，由此其主旋翼只需要提供升力即可，旋翼转速因而可以降低一些，其阻力将能大幅降低

更进一步来说，绝大部分常规直升机都是单旋翼带尾桨构型的直升机，主旋翼产生的扭矩由尾桨来平衡，这类直升机在高速飞行的时候，会面临一种令人头疼的现象，叫做“后行侧反流区失速”，而且这个失速的面积会随着前飞速度增大而增大。在这种情况下，失速的后行侧将会难以为直升机提供升力，而为了维持两侧平衡，前行侧也必须要调整桨距，减小提供升力的大小，从而导致常规直升机升力反而会随着前飞速度降低，因而存在临界飞行速度极限。

图——常规旋翼飞行速度理论限制说明图

而“前行桨叶概念”技术就通过上下两副共轴反转的刚性旋翼解决了这一问题，两副刚性旋翼的前行侧和后行侧恰好对称，这就意味着：高速飞行状况下，上旋翼前行侧能和下旋翼前行侧实现左右平衡，这样一来，即便高速飞行时候，后行侧彻底失速了，两个前行侧依然可以为全机提供足够的升力，这就确保这类复合式直升机能够突破传统直升机的理论限制，达到更高的飞行速度。

图——西科斯基S-97三视图，从图中可以看出，其上下旋翼轴向间距相当小

现在问题来了，西科斯基S-97的共轴刚性双旋翼之间的轴向距离仅仅只有76厘米，连主旋翼直升机的1/10都不到[6]。所幸S-97所采用的高刚度旋翼桨叶材质和专为其打造的飞行控制系统能够确保两幅旋翼各转各的，不必担心会打到一起。

那么，如果飞行控制软件系统出了问题呢？

后果就是2017年8月份的S-97硬着陆（坠机）事件，根据西科斯基的后续调查，该机正是飞控系统出了问题：飞控系统对该机飞行模式识别出错，导致整机发生了左右滚转震荡，最终导致上下旋翼猛烈打击到了一起，造成了硬着陆事故。

图——事故发生前后时间不足5秒

但是在最近的试飞展示中，西科斯基方面表示，事故相关的所有根源都已经被揪出来了，他们对事故当天发生的一切都进行溯源和多次反复分析，并确保已经“清晰掌握了所有的情况”，他们表示事故的根本原因都在于飞控软件系统，所以他们对整个系统进行了排查和改错，如今问题都已经解决。而S-97这个“硬件平台”本身是没有任何问题的，所以在完成维护和修理之后，这架原型机再次投入了测试工作。

那么这个问题还会再发生吗？西科斯基公司的高级试飞员比尔·费尔在谈到这个问题的时候坦言“有可能”。因为西科斯基公司对于新型飞行器都会在模拟器中进行给大量的模拟飞行来测试所有可能的情况，而模拟器的测试结果也表明：在某些特定条件下，这种上下旋翼互相打击的可能性仍然存在，但是对所有已发现的可能情况，新的飞控系统都能通过精密的输入调整来进行规避。

图——在VR模拟中进行测试是西科斯基现在的重要测试手段

事实上，“改进”后的S-97飞控系统可能有些“矫枉过正”了。改进之后，新飞控系统会在该机做机动动作的时候，保持双旋翼桨尖距离离得比之前远很多，这固然是保证了安全，但是也正如注释[6]中所说的那样，这在某种程度上增大了S-97的气动阻力，使其灵活性和高速特性略有下降，而这正是美国陆军最需要S-97达到关键要点。从这个方面来说，西科斯基公司后续仍需要在安全裕度和追求速度之间进行进一步的探索和优化来找到最佳的设计点。

图——比尔·费尔为访客介绍S-97出色的尾部推进螺旋桨设计

*注：

5.当前常规直升机的前飞速度世界纪录是由一架专门改装的韦斯特兰·山猫直升机创下的，该机在1983年的一次速度测试中达到了402.87千米/时的极限前飞速度，不过该速度只维持了三分钟的时间。

6.如果要向卡莫夫的经典共轴那样把两幅旋翼间距设计的很大，那么由此导致的问题就是：高速飞行阻力将会非常大，要想飞得快，展露在外的桨毂段及其整流罩迎风面积必须是越小越好。

图——卡莫夫经典武装直升机卡-50的侧视图，从图中可以看出，其共轴双旋翼间距相当大，几乎接近座舱高度

美国陆军队最关心的是“速度”

直升机的速度为什么变得越来越重要了？随着美国陆军现代化进程的加快及其对所谓“高科技、高强度战争”的需求，他们认为未来战场将会有远程导弹直接主导，这些导弹将会划破长空，直接对美军的海外军事基地进行打击。这就催生了美军对“远程新型飞行器”的需求：只有具备超远的航程，这些飞行器才能够从美国本土直接出发投入战场，而不需要部署在充满被远程导弹打击风险的海外军事基地；而长航程的一个方面就是高速，更高的速度意味着相同时间内，飞行器能够跨越更远的距离，当然，高速还有额外的好处——高速型飞行器才能够突破对手的防空系统，在被击落之前就完成任务，并安全撤离航。

图——美国认为远程导弹将会主导未来战争

西科斯基表示他们的S-97完全能够满足美军的这些要求，尽管目前西科斯基公司还没有在实际飞行中测试过该机的高速、低空“贴地飞行”能力[7]，但是他们已经在VR模拟器中对这种场景进行过反复的测试。在这种模拟场景中，高射炮是对抗武装直升机的最常见的武器系统，不过S-97在应对这种威胁的时候有着天然的优势：它很安静。众所周知，直升机主旋翼和尾桨时其噪声的主要来源，而S-97根本就没有尾桨，它只有一副安静得多的尾部推进螺旋桨，甚至在特定条件下，这副螺旋桨可以暂时关闭，只通过主旋翼进行飞行，从而使其噪音水平下降一个大台阶。在模拟环境中，高射炮机枪手往往需要在S-97离得很近的时候才能发现它——显然，这时候已经晚了。整个模拟测试的结果表明，相比常规直升机，S-97被击落的概率要降低了75%。

那么现在S-97的速度到底能有多快了呢？这一点，西科斯基的设计师还不确定，毕竟整个项目仍然在推进过程中，不过美国陆军在FARA计划中的速度门槛是333千米/时，理想值是380千米/时，S-97目前最大速度达到过383千米/时，并且仍在不停地优化和改进以提高飞行速度，要知道，西科斯基为自己设定的理想飞行速度是：407千米/时。

图——完成飞行测试，准备进入机库的S-97

*注：

7.“贴地飞行”是军用直升机飞行测试中的最高难度项目之一，一般都会在飞行测试已经相当成熟的大后期进行测试，在这种测试中，直升机必须要在丛林和山丘之间穿梭飞行，最低高度甚至在“树梢之下”，以此来躲避防空系统的侦测。

图——直升机几种低空飞行战术示意图，“贴地飞行”的难度显然是其中最大的

S-97的速度最终能达到什么程度呢？这或许还得看西科斯基工程师能在减阻设计方面再突破多少难关吧。无论如何，该机目前仍然只是一架原型机，并非西科斯基参与FARA计划的最终设计方案。在与贝尔、波音、Karem以及AVX&L3联合团队竞争中，想必还会碰撞出更多的火花。

图——S-97 掠夺者复合式直升机的概念图

“前行桨叶概念”这一起步于上世纪60年代的技术，经过西科斯基50多年的深耕和探索，终于一步步从试验机、技术验证机走向了原型机，势必将成为美国的新一代“重器”。期间的技术积累、持续创新和锲而不舍的精神尤其值得我们学习，不积跬步无以至千里，与诸君共勉。