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司古的博客

思想的历程

 
 
 

日志

 
 

旋翼怪枭  

2008-02-24 17:28:09|  分类: 长铗陆离 |  标签: |举报 |字号 订阅

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                                 停放在地面上的旋翼机Triebfugel,请注意其X型尾翼和起落架布局       

                                                                                    ——纳粹德国福克-沃尔夫旋翼截击机Triebfugel计划

                                                                             司古

二战后期,步步挺进德国本土的盟军渐渐发现了一个惊人的事实:随着战争的进程,纳粹德国军事科技的发展之迅猛和他们帝国的溃败一样迅速。除了各种新型的地面装备,德国人最为先进的技术应该说是喷气式发动机的应用,碧蓝的天空中,盟军飞行员不止一次的和没有螺旋桨、发着可怕轰鸣声的Me-262喷气战斗机遭遇,这可是纳粹德国军事技术的崭新成就——世界上第一种实用喷气战斗机。然而,如果他们的推进速度能够放慢一些,那么也许他们能够在德国的天空中看到一种更令他们炫目的新型战机,这就是纳粹德国胎死腹中的福克·沃尔夫旋翼战斗机Triebfügel。

                    

                          能够垂直起落的旋翼机应该算是航空史上最大胆的旋翼机设计方案之一

从1943年开始,德国福克沃尔夫公司开始积极寻求找到一种可靠的方法来提高普通“罗林”冲压发动机的推力,根据桑格尔博士(Dr. Sanger)的研究成果,这种推进方式将是先进战斗机最有效的动力来源。福克沃尔夫公司开发部主任帕布斯特博士(Dr. O. Pabst)和他最富于经验的伙伴赛德尔·佐贝尔博士(Dr.-Ing. Theodor Zobel)已经设计出一种外形简洁的发动机,这种外形能够有效降低风阻系数。到1944年3月,研究人员确信“罗林”冲压喷气发动机可以在高达59000英尺(18000米)的高空有效工作, 冲压发动机的另一个优点是能够使用廉价的油料和燃料。1944年8月首台样品冲压发动机完成,但是由于盟军空袭,试验推迟了数月之久。完成剩下的部分已不可能,后勤部门许诺的燃料也不能及时供应。1944年7月间,OKL决定在1945年8月前制造4台实用型冲压喷气发动机。同样是在1944年,福克·沃尔夫公司的工程师们先后设计出由“罗林”冲压喷气发动机推进高速战斗机、战斗轰炸机和大型轰炸机。

毫无疑问,福克沃尔夫旋翼战斗机Triebfügel是第三帝国时代最为奇特的战斗机项目,旋翼机的理论最初由德国哥廷根技术大学(Gottingen Technical University)的科学家冯·霍斯特(von Holst)和库奇曼博士(Dr. Kuchemann)提出。艾里希·冯·霍斯特曾经参加过1940年在不列斯劳(Breslau)举行的室内比例模型竞飞大赛,在那次比赛上他展示了自己名为“吕贝尔”(Libelle,德文“蜻蜓”)的飞机模型,他还把自己设计的飞机称为“扑翼机”。在研究了几种不同的设计思路后,他于1942年在《航空研究年鉴》上发表了自己的论文。

1944年9月,面对盟军强大的空中优势,第三帝国空军的防御作战日益捉襟见肘,面对数量庞大的盟军轰炸机群,德国空军迫切需要一种飞行速度快、火力强大的新型截击机,而鉴于大多数暴露在盟军打击之下的德国空军机场基本都已陷于瘫痪,因此德军希望能够装备一种不需要跑道、能够垂直起降的截击机,旋翼机计划就是在这种情况下开始研制的,其研制方是德国著名的福克·沃尔夫公司,根据福克沃尔夫公司的观点,旋翼截击机具有以下优点:高效能和低油耗,重量轻、升限高。此外,旋翼截击机的发动机可以利用任何可挥发的可燃性气体或液体进行工作,而且一旦发动机出现故障,带有助推火箭的三叶旋翼也可以保证飞机安全着陆。

                     

                            由于不需要跑道,旋翼机可以利用树林中的简易机场迅速起飞迎击敌机

旋翼喷气机最重要的理论研究工作由海因茨博士——一位经验丰富的天才工程师完成。他于1944年夏加入福克·沃尔夫开发部成为那些精英设计师和工程师中的一员。Triebflugel是一种极为特殊的飞机,它的固定式机翼被三片旋翼所取代,旋翼安装在距机头三分之一的位置处,三片旋翼相互之间成120度布局,每片旋翼的末端装有一台冲压喷气发动机。螺旋桨的桨距可以通过飞行员进行调节。在爬升阶段,该机的最大速度可以达到453英里/小时(730公里/小时),此时旋翼的旋转速度远远高于飞机的前进速度。用这种方式,可以保证冲压发动机的正常工作。飞机的飞行速度越快,旋翼的旋转速度越慢,此时冲压发动机的进气速度也越接近飞机的飞行速度。

                   

                    如果旋翼机Triebfugel研制成功,凭借其高速度和强大的火力,它必将成为盟军

                   轰炸机的“杀手”

起飞时,飞机采用垂直姿态,立坐在机身后端的主起落架上,尾部四片尾翼末端各有一个较小的辅助起落架。为了让旋翼转动起来,首先需要点燃冲压发动机上的三台“沃尔特”助推火箭。当旋翼的旋转达到足够的速度后,冲压发动机就能够启动,同时助推火箭发动机熄火。在旋翼加速旋转的过程中,旋翼倾角保持水平,即不产生升力,随着旋翼速度的加快,飞行员可以改变旋翼的倾角,这样飞机就会立即获得升力——升力一方面来自旋翼的转动,另一方面来自冲压发动机推力沿机身纵轴的分力。在完成爬升和改平后,飞行员应再次调整旋翼的倾角以便降低其旋转速度,这样做的目的是让翼尖末端速度保持在683英里(1100公里/小时)。当飞机达到最大设计速度后,其旋翼的转速为220转/分。降落时,飞行员必须在调整旋翼的同时操纵飞机俯仰,以垂直姿态下降着陆。在整个飞行期间飞行员的座椅保持固定位置,这意味着他在飞机起飞和降落的过程中都处在躺卧状态。而战后美国于1954年制造的垂直起降验证机康维尔XFY-1在这一点上就有了较大改进,该机的飞行员座椅安装在平衡装置上,可以向前旋转45度,保证飞行员在飞机起降过程中保持正常坐姿。

                 

                如果纳粹的失败能够延迟几个月,也许盟军飞行员就会在天空中看到这种奇特的

                纳粹旋翼机,这会比当初的Me-262喷气式战斗机更为令他们震惊

于1944年9月9日上报给RLM的飞机设计性能指标让RLM的官员们吃惊不小:机长30英尺(9.15米),最大起飞重量11355磅(5150千克),海平面爬升率为每秒410英尺(125米/秒);在22965英尺(7000米)高度上爬升率为164英尺/秒(50米/秒)。据估算该机的海平面最大飞行速度为575英里/小时(925公里/小时);在45930英尺(14000米)高度上速度为419英里/小时(675公里/小时)。拟订配备给该机的武器是两门MK 103航炮(每门炮备弹100发)或两门MG 151/20航炮(每门炮备弹250发),也可以是4门大威力MK 213航炮。而如果说这些都还是设想的话,那么最让空军的高官们惊讶的是该机的风洞模型在测试中成功达到了0.9马赫的高速度!

                    

                                                         高速起飞的旋翼机Triebfugel

                    

                    这张美术作品生动的表现了Triebfugel起飞的情景,助推火箭驱动旋翼旋转,达

                    到预定转速后冲压发动机启动,旋翼机腾空而起

不幸的是,就在福克·沃尔夫的垂直起降截击机项目初具规模的时候,TLR却命令中止这些项目,其实只要再有几个月,该项目就会完成首架样机。后来该机的设计资料被盟军所缴获,有趣的是,盟军对旋翼截击机的研发过程极为重视,帕布斯特和佐贝尔的研制记录被美军列为绝密材料,直到1955年1月这些材料才被予以解密。

根据美方解密的资料,我们才有机会窥见这种60年前纳粹绝密飞行器的面貌,从设计方案上可见旋翼和机身之间没有传动机构,因为旋翼的推力来自安装在其末端的三台冲压喷气发动机,所以不会有转动力矩从旋翼传递到机身上。在旋翼转速达到冲压喷气发动机的启动速度(300公里/小时)之前,旋翼由三台推力各为660磅的Walter助推火箭驱动,火箭就安设在冲压发动机的外罩内。该机设计上的最大优势在于它可以很高的速度垂直起飞,不需要较长的跑道,因此也就不需要专门的机场设施,可以方便的隐蔽在丛林、山地等不易被侦察到的地区。飞机的驾驶舱位于飞机前端,按照设计要求,飞行员将会配备弹射逃生座椅。旋翼机装备的冲压发动机每台直径约为2到3英尺,产生的推力为1850磅,这些冲压发动机是根据1941年由福克·沃尔夫空气动力研究所主持进行的一系列试验的结论研制的。

                  

                   战后美军得到了部分Triebfugel的设计资料,但实际上该机的样机并未完成,但

                  是航空画家还是想象出了这样一幅带着美军标记的Triebfugel

冲压喷气发动机实质上就是一根圆柱筒,只有在它以很高的速度通过空气时,它才能启动成为一台喷气发动机。高速进入发动机的空气起到了空气压缩机的作用。Pabst成功开发出一种长径比为2.5的冲压喷气发动机,它可以为驱动旋翼提供合适的推力。安装在冲压发动机内的助推火箭的作用是把旋翼加速到0.9马赫以便让冲压发动机获得足够的启动速度。冲压喷气发动机的另一个重大优势是可以使用质量相对低劣的燃油,而燃料短缺则是纳粹德国在战争中面临的越来越严重的问题。

                         

                                                                    Triebfugel三面图

和通常的螺旋桨一样,三片旋翼从翼根到翼尖迎角逐渐变小,上面没有控制面,飞机由尾翼上的控制面来进行操控。队飞行员而言,从垂直飞行改为水平飞行是非常困难的,反之亦然。而且,飞机的降落也存在难以解决的问题,十几年后美国科学家和飞机制造公司在研制康维尔(Convair)XFY-1和洛克希德(Lockheed)XFV-1时也发现了这一点。

                                

                根据美国的研究,Triebfugel这样的旋翼机最大的问题是飞机的操控性能,为此美军

               特地制造了康维尔XFY-1验证机,其总体布局借鉴了Triebfugel,但改为反转双螺旋桨形式

                          

                 战后美国空军的洛克希德XFV-1也采用了对转双螺旋桨推进方式以便改进操纵性能

该机的另一个重要问题是如何将燃料从机身输送到旋翼末端的引擎,除非燃油箱设置在旋翼内部,否则这个问题很难解决,这必将极大地增加旋翼机的设计难度,并将会降低旋翼系统工作的可靠性。

现在科研机构认为,可能该机采用共轴反桨双旋翼方案能够变得更具稳定性,此外该机的控制是最大的问题,问题就出在该机那巨大的、高速旋转的旋翼上面,根据物理学中陀螺的进动性,高速旋转的物体在中心轴改变方向时在转动面90度方向产生转动力矩,这就意味着当飞行员操纵飞机转向时,机头可能将会转向一个连他自己也无法预见的方向。想象一下旋翼的尺寸和质量,它会造成飞机控制的困难,也许现代计算机辅助线传操纵系统可以解决这个问题,很难想象二战时代的纯机械控制系统能够让飞行员驾驭这种奇特的旋翼机。

无论如何,纳粹德国没能研制出旋翼机对盟国而言是一件幸事,否则盟国飞行员可能就必须要面对随时随地可能从各个角落里腾空而起的Triebfügel,而它们携带的强大武器对任何目标都是巨大的威胁……虽然没能研制成功,但战后美国科研机构还是从该机的研制资料上获益匪浅,因为他们可以知道德国人曾经在旋翼机问题上走过哪些弯路,从而避免重蹈覆辙,而且大量的测试数据也成为美国空军的宝贵财富。如果抛开关于战争的正义性单纯考量Triebfügel的研制思想,我们应该说旋翼机的设计思想是极具开创性的,是旋翼应用理论的重大进步,毕竟科技是没有国界和政治色彩的,掌握在侵略者手里,它会是杀戮死亡的飓风,而在正义者手里,它同样将会是维护和平的利剑。

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