早在20世紀40年代末，人們就提出了各種方案來突破直升機的速度限制，如復合式直升機、復合式直升機等。但由於當時技術條件不成熟，這些計劃並沒有成為現實。
現在，常規直升機的發展已經接近其性能極限，改進的重點已經轉移到提高常規直升機的效率和減少對環境的影響上。人們對提高直升機有效載荷、速度和航程的需求，進壹步推動了人們對上述新概念直升機方案的興趣。隨著科技的發展和人們的不斷努力探索，對這些新概念直升機方案的研究也取得了不同程度的進展，甚至取得了突破性的成果。比如V-22魚鷹傾轉旋翼機即將投入實戰。
限制直升機速度增加的因素
直升機依靠旋翼產生升力並提供推進力。直升機在垂直飛行和懸停時，氣流基本上沿旋翼軸方向垂直流過旋翼槳盤，槳盤左右兩側槳葉表面對應點的氣流速度相同。此時，旋翼周圍的氣流模式與固定翼飛機螺旋槳相同。
當直升機向前飛行時，由於向前飛行的速度，流過槳盤左右兩側槳葉表面的空氣速度是不同的。在旋轉方向和飛行方向相同的旋翼槳葉前緣上，經過槳葉表面某壹點的氣流速度應為該點的切向旋轉速度加上直升機的飛行速度。在旋翼槳葉的後緣，旋轉方向與飛行方向相反，氣流速度應為切向旋轉速度減去飛行速度。旋翼旋轉時，葉尖處的切向速度壹般在200m/s左右，假設直升機飛行速度為360km/h，即100m/s，則前方90度處葉尖處的相對氣流速度為300m/s，非常接近音速340.2m/s..如果直升機速度再次增加，將在葉尖出現激波，導致激波失速。
在與上述相同的假設下，轉子後緣270度葉尖處的相對空氣速度為100m/s，並且還會有壹個空氣從葉片後緣流向葉根前緣的回流區。隨著後緣氣流的相對速度降低，葉片產生的升力也將降低。為了保持升力與前緣相同，需要增加後緣葉片的螺距，但如果螺距過大，就會出現氣流分離失速。因此，旋翼前緣的激波失速和後緣的氣體分離失速是提高直升機飛行速度的障礙。
為了提高直升機的飛行速度，必須解決上述兩個失速問題。為此，人們采取了壹系列措施，如提高葉片表面的光滑度，減小摩擦阻力，使葉片表面保持盡可能大的層流邊界層；設計中使用了翼型，俯仰較大時不容易前移。在葉片翼型的尾緣進行修改，使葉片在大俯仰角下產生的紊流區變為層流區，從而縮小尾緣紊流區的範圍。為了減少前向葉片的激波失速，人們還采用後掠和橢圓形葉尖等新形狀來延緩激波失速。
上述措施只能緩解尾槳葉的氣流分離失速，延緩前槳葉的激波失速，對直升機速度的提升非常有限，不能從根本上解決直升機速度提升的問題。新概念直升機，如復合式直升機、組合式直升機，可以部分或全部支撐直升機的重量，而不依賴前飛時旋翼產生的升力，因此可以擺脫槳葉分離失速和激波失速的困擾，提高直升機速度。
復合直升機
復合式直升機方案是新概念直升機中最簡單的壹種，只需要配備固定的升力機翼和輔助推進裝置。當直升機向前飛行時，由於機翼和輔助推進裝置產生的升力和推進力，可以減小旋翼上的載荷，從而降低旋翼速度，從而延緩尾槳葉的失速，減輕對前槳葉的可壓縮性影響。這種復合式直升機的速度可以提高到445km/h，服役升限6,096m，航程也有所增加。此外，還可以降低旋翼的振動和疲勞載荷，大大降低直升機的使用成本。
1957年，英國費爾雷公司研制出Rotodyne民用復合式直升機。該機巡航速度370km/h，最大航程1127km。這款飛機引起了英國民航、英國空軍和美國空軍的極大興趣。但由於葉尖的噴流發出噪音，進入市場的時機不對，以及費爾雷公司的制度改變，沒有繼續改進投產。
1967年研制成功的AH-56“夏延”武裝直升機也是復合式直升機。該機最大水平飛行速度393km/h，最大航程1730km。但由於該機設計要求高，研制過程中有很多技術問題需要解決，導致研制費用大幅增加，再加上美國陸軍戰術思想的變化，所以研制計劃在1969被取消，最終未能投產。
雖然復合式直升機至今沒有投入生產和實際使用，但人們從未放棄對這種直升機的探索。輕質復合材料、高效推力換向涵道尾槳和現代飛行控制裝置的出現，為復合材料直升機的成功研制提供了更加堅實的基礎。幾十年來，壹直從事復合材料直升機研究的美國Piaseki公司在20世紀60年代試飛了其首架軸驅動“涵道尾槳”復合材料直升機驗證機。目前，該機已用於美國海軍先進技術驗證計劃的研究中。這個項目的目的是通過使用推力反向涵道尾槳和升力機翼，將西科斯基公司的CH-60直升機改裝成復合式直升機。
根據計劃，該飛機的大量飛行試驗將在2003年進行。研制中使用的推力反向涵道尾槳屬於第二代涵道尾槳，可以提供反扭矩、偏航控制和推力矢量。風洞試驗證明，在直升機懸停時，這種推力反向涵道尾槳的效率比第壹代涵道尾槳提高了46%。
美國海軍實施這壹計劃的目的是提高CH-60掃雷直升機的升力，使其在牽引掃雷筏時能牽引2700公斤。美國海軍還打算改裝SH-60海上巡邏直升機和HH-60搜救直升機，加裝機翼和推力反向尾槳，提高飛行速度，縮短救援投送時間。而且改裝成功後可以增加機翼油箱，增加直升機巡邏和搜救的空時。
Piaseki公司也在對美國海軍陸戰隊的AH-1W攻擊直升機進行復雜的改裝。推力換向涵道尾槳不僅可以提高AH-1W直升機的飛行速度和機動性，還可以使AH-1W具有獨特的俯仰能力。由於常規直升機的前飛完全由旋翼槳盤前傾形成的升力分量驅動，所以直升機的俯仰姿態對飛行速度有直接影響:低頭越大，升力的前飛分量越大，速度越快。改裝後的AH-1W直升機消除了俯仰姿態對空速的影響。這樣AH-1W可以在不低頭的情況下長時間保持較高的向前飛行速度，非常有利於空戰或者飛越山頂。
英國和意大利也在合作研究EH101直升機的復合改裝，旨在滿足英國海軍對未來預警直升機的要求。這種預警直升機為了擴大預警雷達的探測範圍，需要更高的升限。為了驗證這種改裝的可行性，裝有RTM322大功率發動機的山貓直升機正在按照復合式直升機方案進行改裝。
由於組合式直升機在低速飛行時比常規直升機需要更多的動力，所以組合式直升機的優勢只能在高速、遠程的任務中體現出來。
組合直升機
組合式直升機在起飛、降落、懸停時，是靠直升機飛行，也就是靠旋翼升力飛行。向前飛行時，完全以固定翼飛機的方式飛行。這時，旋翼被固定在某個位置或存放在機身內。有些旋翼可以轉動，這樣就可以作為螺旋槳產生拉力，在推進裝置的驅動下依靠機翼以固定翼飛機的方式飛行。組合式直升機的前飛速度壹般在600 km/h到800 km/h，甚至是超音速。
組合式直升機有很多種形式，大致可以分為三類:旋翼收集組合式、旋翼停止組合式、旋翼轉向組合式。
轉子存儲組合式
帶旋翼存放的組合式直升機在向前飛行時，旋翼折疊存放在機身的凹槽內或折疊存放在機身上，旋翼僅在垂直起降和懸停飛行時展開，通過旋轉提供升力。這種方案也很難解決旋翼折疊和展開時的氣動問題。因此，這項計劃自六十年代提出以來，壹直沒有進展。
轉子失速組合式
當組合式直升機向前飛行時，旋翼停止並鎖定在特定位置。此時葉片作為機翼產生升力，向前飛行的推力由噴氣發動機提供。20世紀60年代人們提出的三角形和X型旋翼直升機方案，屬於旋翼失速的組合式直升機。當它們向前飛行時，三角形旋翼被鎖定，壹個角朝前，另外兩個角在機體上方的兩側，這樣整個旋翼就可以形成壹個機翼；X形旋翼有四片槳葉，這樣槳葉就與機身成45度角鎖定，四片槳葉都可以作為機翼提供升力。因為這兩種方案都存在空氣動力學問題，操作難度較大，所以壹直處於方案研究階段。
為了解決旋翼停止運轉時直升機飛行模式向固定翼飛機飛行模式平穩過渡的問題，美國提出了“鴨翼”方案。這種方案使用兩個帶長弦長葉片的旋翼，沒有尾槳。前機身兩側安裝鴨翼，後機身上水平尾翼翼展更大。動力裝置是渦輪風扇發動機。
當這種組合式直升機以直升機模式飛行時，發動機風扇排氣和噴氣熱排氣的混合氣體通過葉片中的管道被引導到葉片尖端的噴嘴，從而驅動旋翼旋轉。同時，氣流也被引導到尾部兩側的噴嘴，以控制飛行方向。隨著飛行速度的增加，旋翼上的升力逐漸轉移到鴨翼和平尾上。此時，鴨翼上的襟翼被釋放以增加升力。當飛行速度達到185到220km時，發動機的混合氣流被引導到直升機尾部，從噴口排出，從而產生向前的飛行推力。此時，妳可以把旋翼速度降下來，然後停下來，與機身成90度角鎖定，這樣它們就會變成壹對翅膀。因為它可以在飛行中為直升機提供壹定的升力，鴨翼釋放的襟翼可以收回，最終可以以固定翼飛機的方式飛行。這種旋翼直升機的最大速度可以達到700公裏/小時。
鴨翼旋翼機的優點是兩種飛行模式之間的過渡平滑，沒有減速器、方向控制機構和尾槳，結構簡單、輕便、高效。美國軍方對這個方案很感興趣，前景光明。
1988年3月，美國國防部國防高級研究計劃局與波音公司簽約，投資測試和驗證這壹方案。根據計劃，波音公司將在三年內制造兩架名為“蜻蜓”的技術驗證機進行飛行測試。“蜻蜓”驗證機為無人駕駛飛機，機長5.83米，旋翼直徑3.65米，重量590公斤。它采用F112的巡航導彈用渦扇發動機。預計飛機將於2001年初首飛，如果順利，將用於驗證整個方案的可行性。
美國海軍陸戰隊希望將這種直升機設計制造成9噸級載人直升機，它可以搭載導彈等武器，用於MV-22傾轉旋翼運輸機的武裝護航。
轉子轉向組合式
旋翼轉向的組合式直升機有兩種形式:壹種是傾轉翼機，壹種是傾轉旋翼機。
1.傾斜翼機
傾翼飛機在外形上類似於固定翼飛機。在水平飛行上和固定翼飛機沒什麽區別，旋翼像螺旋槳壹樣帶動飛機飛行；在懸停和垂直飛行時，整個機翼，包括安裝在上面的發動機和旋翼，將向上傾斜90度，處於垂直位置。此時旋翼的升力會垂直向上，直升機可以垂直懸停和起降。這種傾翼飛機的速度可以達到600公裏/小時到700公裏/小時，航程可以達到600到1000公裏。
20世紀60年代，加拿大研制了CL-84，美國研制了XC-142傾翼飛機。兩者都是方案驗證機，但由於技術原因沒有開發成量產。上世紀90年代，日本公司提出了TW-68傾轉翼飛機，配備四個發動機和兩個旋翼，目前仍處於研制階段。
早期的傾轉翼飛機，如XC-142，在低速時會遇到尾翼失速。為了解決這種橫向控制問題，有必要安裝尾槳。對此，美國波音公司提出了改進方案，即“無尾先進戰術運輸機”，也被稱為“超級青蛙”。其實這種飛機體現的直升機和旋翼機的特點並不明顯，可以說是新概念直升機的遠親。該機采用左右兩側反方向旋轉的旋翼和分體襟翼/副翼進行側向控制，是壹種無尾傾翼飛機，沒有尾翼和尾槳。但與加拿大的CL-84不同，這種飛機確實可以90度垂直起降，但它是壹種可以攜帶30噸重物的超級STOL運輸機，可以在飛機跑道180米長的非永久性跑道上起降。當“超級青蛙”起飛和降落時，它的翅膀只向上傾斜42度，以增加起飛和降落時的升力。
“超級青蛙”裝有4臺大功率渦槳發動機，通過十字軸與旋翼相連，可以增加飛行安全性，因為任何發動機都可以通過十字軸帶動旋翼旋轉。當發動機發生故障時，飛機還可以從340米長的跑道上起飛，飛越23米高的障礙物。滿載時，航程可達3300公裏。波音公司正在飛行中測試該飛機的壹個7%縮尺模型，如果資金充足，預計2011年研制成功。
2.傾斜旋翼機
傾轉旋翼機在類似於固定翼飛機的機翼的兩個翼尖處，裝有壹對可以在水平位置和垂直位置之間來回旋轉的旋翼。當旋翼處於垂直位置時，傾轉旋翼機相當於雙旋翼縱列式直升機；當旋翼處於水平位置時，傾轉旋翼飛機相當於固定翼飛機。傾轉旋翼機可以高速長距離飛行，巡航速度可達600 km/h，在新概念直升機中，傾轉旋翼機最為成熟。現在不僅有幾種設計方案，美國貝爾直升機公司研制的V-22“魚鷹”傾轉旋翼機也已進入部隊。
20世紀40年代末，美國貝爾直升機公司開始研究傾轉旋翼技術。1995首架XV-3傾轉旋翼實驗機首飛。1973年，根據美國國家航空航天局和陸軍的要求，公司研制了兩架XV-15研究機，以驗證傾轉旋翼機方案，並於1977年首飛。1981年，美國提出了“多軍種先進垂直起降飛機”(JVX)計劃，要求在XV-15的基礎上為三軍研制V-22傾轉旋翼機，並在1983年將這種飛機正式命名為V-22“魚鷹”。首架原型機於1988出廠，於1989首飛。該機最大起飛重量24947kg，最大飛行速度達到510km/h，航程達到1400km。有些性能是常規直升機的兩倍左右。
V-22-* *研制了10原型機，並進行了各種試驗。V-22的研制過程並非壹帆風順。到2000年底，它已經墜毀了四次，共有30人喪生。根據對前三起事故原因的調查分析，事故原因不是傾轉旋翼機的基本原理，說明該方案是可行的，但需要進壹步完善。第四起事故發生在65438+2000年2月11。事故原因仍在調查分析中。估計不太可能是這個方案本身的問題。因為事故原因不明，飛機已經全面停飛，正在進行的運行評估工作已經暫停。
有理由相信，事故原因徹底查明後，飛機的運行評估試飛將繼續進行，達標後轉入全速生產。但是，美國海軍陸戰隊裝備該機的原計劃將受到影響。按照原計劃，海軍將在2000年接收11架V-22，並在2006年成立首個擁有12架V-22的戰鬥中隊，即VMMT-204，5438+0，1。
美國貝爾直升機公司在軍用V-22成熟技術的基礎上，還與意大利阿古斯塔公司合作研制了民用BA609傾轉旋翼，預計2002年投入使用。在研發中，由於采用了V-22從未使用過的快速廉價的制造工藝，制造時間減少了壹半，制造成本大大降低。所以這種6-9座7噸民用傾轉旋翼機具有很強的市場競爭力，現在已經從18國家訂購了80多架。
由於V-22的研制成功及其良好的市場前景，貝爾直升機公司正在研制大型傾轉旋翼機，采用四旋翼(圖為四旋翼復合材料直升機的飛行想象)，以滿足軍用和民用的要求。這款四旋翼傾轉旋翼機采用前後兩個機翼，前後機翼的兩個翼尖分別裝有發動機和旋翼。前翼翼展15.7米，後翼翼展22.9米..為了避免前旋翼的尾流對後旋翼的影響，前後翼的翼展是不同的。機身寬3.66米，和C-130運輸機差不多。它可以攜帶90名士兵或8個標準集裝箱。其有效載荷為19000 kg，是V-22的兩倍，內部容積是V-22的八倍。用STOL起降時，可載重13600 kg，飛行1800 km。為了降低研制成本和風險，它將使用與V-22相同的航電設備、傳動裝置、短艙和T406發動機。
為了提高傾轉旋翼飛機在懸停和巡航飛行中的效率，美國波音公司正在研究使用新設備和“智能”材料，如壓電致動器和形狀記憶合金，以便根據不同的飛行模式優化槳葉的扭矩。據估計，在V-22旋翼槳葉中使用形狀記憶合金可以使其有效載荷增加400公斤或航程增加130公裏。美國西科斯基公司還在為傾轉旋翼機研發可變直徑旋翼，其旋翼槳葉可以伸縮，以使旋翼適應不同的飛行模式。旋翼機懸停時，槳葉變長，旋翼直徑增大；向前飛行時，葉片變短，旋翼直徑變小。研究表明，V-22每壹個槳葉加長50%，有效載荷可增加35%，換算成燃油載荷，航程可增加70%，達到100%。
美國在傾轉旋翼機方面的成功極大地鼓舞了歐洲同行。壹開始他們提出了Eurofar傾轉旋翼機計劃，後來又提出了Eurotilt計劃。這兩個方案提出的設計方案與美國的V-22和BA609不同，美國的V-22和ba 609采用發動機和旋翼全部傾斜。當它們從垂直飛行過渡到水平飛行，或者從水平飛行過渡到垂直飛行時，它們只轉動發動機短艙前面的旋翼部分，而發動機保持在水平位置。這樣發動機就不需要為了自身的傾斜運動而進行改裝，機翼結構設計簡單。“歐洲傾轉旋翼機”19座，10噸，巡航速度556 km/h，航程約1500 km。
壹個主要來自意大利阿古斯塔的歐洲聯合研究小組提出了壹個名為Erica的20座傾轉旋翼機方案。其特征在於，外翼段隨短艙和旋翼傾斜。懸停和垂直飛行時，旋翼下洗氣流不會撞擊固定水平翼，升力效率可提高約12%。這樣在設計時可以減小旋翼尺寸或者提高巡航速度到650 km/h，這種旋翼機可以以固定翼飛機的滑行方式起降，但是外翼段要向上傾斜7度，以增加葉尖離地高度。
各有各的用處。
新概念直升機是直升機發展的必然趨勢，是直升機技術的革命性變革。事實上，壹些“新概念直升機”，如傾翼飛機和傾轉旋翼飛機，已經走出了直升機的範疇，更多地體現了垂直起降飛機的特點。
不難看出，新概念直升機克服了常規直升機的缺點，兼有常規直升機和固定翼飛機的優點，因此將會得到廣泛應用。但新概念直升機在低速時效率不如常規直升機，所以無法取代常規直升機，也就是說，各種直升機都有其最佳適用速度範圍。壹般認為常規直升機的適用速度範圍是200 km/h到370 km/h，復合式直升機的速度範圍是400 km/h到565，438+00 km/h，組合式直升機是600 km/h到800 km/h，有些方案甚至可以使其超音速飛行。
從新概念直升機的優越性來看，未來很可能有壹天會普及。
責任編輯:卞友