起源——为什么需要复合式直升机

自从上世纪三十年开始登场之后，直升机逐渐成为航空领域举足轻重的飞行器之一。事实上，在悬停和低速飞行状态下，直升机是所有航空器中最优雅和最高效的。不过，从另一个方面来说，直升机本身的阻力（包括旋翼阻力和机身气动部件的废阻）、旋翼的后行侧失速和前行侧气动压缩性效应从本质上限制了直升机的前飞速度和前飞行能。为此，从很早之前开始，发明家和直升机设计师们就开始探索各种各样的方法，希望藉此来拓展直升机的飞行包线范围，从而缩短其与高速飞行的航空器之间的鸿沟。

▲作为一种优雅的飞行器，直升机已经成为现代航空界不可或缺的一员，但是它确实飞不快

答案在某种程度上是很明确的——既然常规构型的直升机无法实现高速飞行，那么为什么不尝试一下复合式构型的直升机呢？所以说，复合式直升机的出现本质上就是面向常规直升机无法突破速度限制的需求，当然，与此同时另一群别出心裁的设计师们还尝试采用“转换式飞行器”（Convertible Aircraft）来实现这一目标，当然这是另外一个故事的内容，所以尽管转换式飞行器和复合式直升机在旋翼飞行器发展史上有着密不可分的关系，暂且还是不放在本文的讨论范畴之内了。

在直升机设计师们的最初构想中，复合式直升机能够像固定翼飞机一样高速飞行，同时也能保有常规直升机出色的垂直起降能力和悬停性能。凭借这种飞行器，军队能够以更快的速度执行更复杂的任务，企业则能以更为经济实惠的方式执行各种货运、探测、救援工作。

▲倾转旋翼机就是转换式飞行器中如今最引人注目的一员，贝尔-波音公司在这方面独树一帜

对于美国航空业界来说，在过去的50年来，直升机已经逐步发展为一种无处不在的“独一无二的”飞行器，而倾转旋翼机也算是度过了问题频发且孱弱的婴儿期，正式走向成熟阶段。但是除了近年来所爆发的几缕希望之光外，复合式直升机的自从上世纪60年代即将触摸到成功之时，却突然沉寂无声，美国陆军航空发展理事会的专家将这一次复合直升机事业的挫折称之为“复合式断代”（Compound Gap）。那为什么会出现这样的情况？

最早的探索——试验性质的改装

关于复合式直升机的早期探索可以追溯到传统构型直升机密集登场的早些年，但是直到上世纪五十年代，发明家和工程师才开始从本质上考虑复合式直升机的实用价值。

▲麦克唐纳的XV-1复合式直升机

麦克唐纳的XV-1和英国费尔雷公司的Rotodyne（罗托达因）算是两架出现时间很早但却令人非常印象深刻的直升机，如上图所示。他们都是桨尖喷气驱动旋翼式旋翼飞行器，这类飞行器在前飞过程中旋翼会进入自转状态，并且它们还都有辅助机翼，如此一来，在高速飞行的时候，它们可以通过辅助机翼来承担部分主旋翼的升力，从而使得主旋翼拉力得以卸载，一方面可以延缓失速边界，一方面又能降低振动水平。除了辅助机翼之外，它们还装备有辅助推进螺旋桨。在巡航状态下，螺旋桨为这种飞行器提供了前飞的动力。

▲英国费尔雷公司的罗托达因复合式自转旋翼机

两者之中，麦克唐纳XV-1型直升机，诞生自1951年美国陆军和空军出资启动的“转换式飞机项目”（ConvertiPlane Program），在1956年其飞行速度达到了203 mph（约326.70千米/时）；费尔雷的罗托达因则是一种城市间短距离商业客运解决方案，严格分类的话， 都不能算直升机，只能说是复合式自转旋翼机，在1959年，其飞行速度达到了191 mph（约307.39千米/时）。

除了上述两者之外，在上世纪六十年代，很多在役的直升机也被改装成了复合式构型来进行相应的研究，下面是一些典型的例子：

①卡曼YUH-2A就是一架改装版本的海妖直升机，加装了辅助机翼和一台涡轮喷气式发动机。该机在1965年达成了224 mph（约360.49千米/时）的前飞速度。

②西科斯基S-61F则是从S-61海王直升机改装过来的，同样加装了辅助机翼和涡轮喷气发动机，该机在1965年达到了264 mph（约424.87千米/时）的速度。

③洛克希德则把一架4片桨叶的XH-51A刚性旋翼直升机加装了短机翼和单台涡轮喷气发动机，该机的飞行速度在1967年达到了302 mph（约486.02千米/时）。

④贝尔在这方面的探索就更多了，赫赫有名的UH-1休伊直升机就被改装成了各种版本的复合式直升机，改装机一般被称为高性能直升机（HPH；High Performance Helicopter），它们基本都加装了辅助机翼和辅助推进装置（比如说涡轮喷气发动机）。贝尔的这种两桨叶高性能直升机在1969年达到了316 mph（约508.55千米/时）的前飞速度。

⑤皮亚赛基的16H-1A试验型复合式直升机，采用了涵道螺旋桨来进行偏航控制和辅助推进，在1966年达到了225 mph（362.10千米/时）。

这一系列的改装型复合式直升机的飞行研究主要目的还是用来验证复合式直升机最基本的可行性——直升机设计师们那时候尚且还不确定常规直升机的主旋翼是否可以在高速飞行和高前进比（前进比=前飞速度/旋翼桨尖速度）的情况下稳定提供升力，并且保持较好的操纵性。然而，尽管美国直升机业界和军方合作展开了一系列的研究工作，但是对于复合式构型的研究来说，这些例子实在还不够多，所以复合式直升机其实际可用性并没有得到充分的验证。

除了载荷、动力学和操纵稳定性等老生常谈的技术瓶颈之外，复合式直升机的气动效率的测试结果也令人非常失望——尽管这是意料之中的——因为这些改装机在设计过程中并没有按照气动性能、动力系统、传动系统和飞行控制系统的最优化来进行恰当的工程设计。

“先进空中火力支援系统”——夏延的诞生

上世纪六十年代，出于越南战争的需要，再加上受到六十年代初期那些复合式构型的研究所取得的成功和其所展现出来的潜力鼓舞，美国陆军在1966年提出了一项关于攻击直升机的方案征询书，也就是大名鼎鼎的“先进空中火力支援系统”（AAFSS：Advanced Aerial Fire Support System）项目。该项目对于直升机的飞行速度指标要求达到了252 mph（220节；405.55千米/时），这个速度要求可谓是直升机历史上的一个里程碑。

在项目竞标中，洛克希德公司提出的方案正是基于前文所述的XH-51A进行改装的，改装内容包括添加了一副辅助机翼、一副辅助推进螺旋桨以及用于反扭矩控制的尾桨。西科斯基提出的方案则是一种加装了辅助机翼的复合式直升机，其尾桨是可以实现90°转向的，所以在高速飞行的时候，尾桨化作尾部推进螺旋桨，为全机提供推进动力；而在低速飞行的时候，尾桨则承担常规直升机的反扭矩控制作用。

▲作战测试中的AH-56A夏延直升机

经过多轮竞争，洛克希德公司成为了最后的胜利者，他们出色的作品AH-56A夏延直升机在1967年实现了首次飞行，并在次年（1968）收到了一份总数375架的生产合同。然而，AH-56A的研发过程中碰上了刚性旋翼动力学问题，这一问题一直都在困扰洛克希德公司的设计师们并最终导致了两架夏延原型机的损毁，并最终促使关于该机的所有合同都在1969年被取消。尽管该机取消原因有部分算是来自美国各军种之间任务和角色的竞争，但是技术困境始终是导致该项目取消的重要原因之一。

尽管项目取消了，但是相关的研究工作并没有停止，美国军方持续了相当长一段时间为该机的提供经费支持，而洛克希德的直升机专家们也不负众望地设计出了“先进机械控制系统”（AMCS；Advanced Mechanical Control System）来解决的该机的所面临的技术问题。

在1972年，AH-56A最终实现了最初项目的指标要求——也就是飞行速度220节情况下1063海里（约1968.68公里）的不加油航程、最大平飞速度253 mph（约407.16千米/时）/俯冲速度278 mph（约447.398千米/时）。

▲展览中的AH-56A夏延直升机

AH-56A直升机项目的取消从根本上来说并不是复合式直升机构型存在缺陷。与直升机发展早期的那些试验性质的改装机的飞行测试相比，配备了“先进机械控制系统”的夏延直升机可以说是取得了相当大的成功，此外，该机完全是按照美国军方提出的指标要求来设计的，这一点尤为可贵。

尽管该机获得了“迟来的成功”，但是技术困境、经费超支和项目取消对整个美国直升机业界对复合式直升机的观点产生了深远的影响。在之后的四十年内，除了个别的例外情况之外，整个直升机业界几乎全部放弃了对复合式直升机构型的研究，从而在美国航空史上形成了一段如本文开头所言的“复合式断代”（Compound Gap）。

困境中的坚持者与努力的后来者

上文提到的在“复合式断代”的这几十年中所存在的少数例外中，最值得一提的就是西科斯基公司的XH-59A和S-72旋翼系统研究飞行器（RSRA；Rotor System Research Aircraft）。XH-59A——前行桨叶概念（ABC；Advanced Blade Concept）飞行器——采用了共轴、无铰式、升力偏置旋翼来克服高速飞行的时候直升机旋翼后行侧固有的失速问题，该机自1973年到1980年之间进行了大量的飞行测试工作。基准型的XH-59A能够达到的最大速度为184 mph（约296.119千米/时），而加装了涡轮喷气发动机之后，该机前飞速度达到了303 mph（487.63千米/时）。

▲西科斯基的XH-59A共轴复合式直升机

该机的飞行特点令人印象深刻，但是XH-59A也存在着重量、振动和高燃油消耗的问题。“旋翼系统研究飞行器”则是一种研究性质的飞行器，该机主要被西科斯基设计用来进行各种试验性质的旋翼的飞行测试工作当然不仅仅是复合式概念。1978年的时候，S-72加装了辅助机翼和推进涡轮风扇发动机，进行了某种复合式构型的首飞测试。

▲复合式构型的S-72试验机

在“复合式断代”期间，很少有致力于复合式技术的认真的探索。然而，最终业界对于复合式构型的兴趣又逐步地“死灰复燃”了。皮亚赛基的X-49A复合式直升机（也就是众所周知的“速度鹰”），就是一架复合式改型的SH-60海鹰直升机，在SH-60的基础上，该机加装了辅助机翼和矢量推力涵道螺旋桨（VTDP；Variable Thrust Ducted Propeller），这种螺旋桨既可以充当辅助推进装置，同时也能提供反扭矩操纵，如上图所示。在2007年的时候，X-49A达到了160节（约296.32千米/时）的平飞速度，并在小角度俯冲的情况下达到了177节（约327.80千米/时）的速度。卡特旋翼机（CarterCopter）公司则打造了一种复合式的自转旋翼机来验证“降速旋翼”（Slowed-Rotor）的技术可行性和在巡航气动效率提升方面的潜力。

▲X-49A速度鹰复合式直升机

更近些年，西科斯基公司重启了共轴升力偏置复合式直升机的项目，并自筹资金完成了X2技术演示验证机的研制，该机能够从悬停状态顺畅过渡到高速飞行状态，而不需要进行任何的空中变形。继承了先进的推进系统、飞行控制系统、气动技术和主动振动消除技术，X2直升机在很大程度上克服了XH-59A试验机中暴露出来的一系列缺陷。在2010年7月份，X2达成了非正式的速度纪录——253节（约468.556千米/时）。西科斯基公司目前正在持续“投资”这种ABC概念旋翼飞行器技术，而在X2技术之后发展的S-97掠夺者侦察直升机现在仍处于飞行测试阶段，基于S-97为美国陆军“未来攻击侦察直升机”项目竞赛而打造的“掠夺者 X”型直升机也进入了方案设计阶段。

▲西科斯基公司的X2复合式直升机

几乎与此同时，空客直升机公司也自筹资金研制了X3验证机，该机是在一架AS365 N3直升机机体的基础上进行改装的，采用了EC-155直升机的旋翼系统和EC-175的主减速器系统。两副辅助螺旋桨安装在机身两侧的辅助机翼上，这两副螺旋桨能在悬停时侯提供主旋翼反扭距，同时也能在巡航飞行的时候提供推进力。目前，X3的试飞工作已经告一段落，空客直升机公司正在考虑继续推进该方案，打造下一代高速型复合式直升机，该机被称为RACER（竞速者）。

▲空客直升机的X3复合式直升机

在2014年的时候，美国陆军启动了“联合多任务”（JMR；Joint Multi-Role）技术验证项目，并且开始投入较多经费支持相关旋翼飞行器技术的发展。西科斯基-波音公司合作提交了一种升力偏置复合式构型的方案，也就是基于X2技术的SB>1挑衅者TM，而AVX公司也提出了一种共轴双旋翼复合辅助机翼和推进系统的复合式直升机。

​有些讽刺的是，从1964年的“先进空中火力支援系统”的220节飞行速度要求到2014年的JMR项目提出的230节飞行速度要求，横跨半个世纪之后，美国军方对再次回到了复合式直升机，速度指标要求却只提升了10节。

但是，毋庸置疑的是，复合式直升机的时代，已经来了。