费尔雷“罗托达因”，英国高速旋翼机黑科技
作者：Armstrong
随着西科斯基X-2和欧直X3高速复合直升机的成功试飞，近年来，高速旋翼机概念又重新受到了人们的关注。但大多数人并不知道，早在半个世纪前，英国费尔雷公司就成功研制出了一种桨尖喷气的高速旋翼机——“罗托达因”（Rotodyne）。
▲“罗托达因”客机想象图
▲西科斯基X-2
▲欧直X3
载客100人的飞机以两倍音速飞越北大西洋?没问题，我们在40年前就做到了。
把人类送到月球，然后再让他们安全回家?我们在47年前就做到了。
制造一架结合了直升机和固定翼飞机能力的梦幻客机?
呃，我们正在努力。
你可能会认为，航空工业经过100多年的惊人发展后，应该能研制出完全不需要跑道的客机了，从而省下建造机场的昂贵费用。但谁知，事与愿违。
21世纪初，美国航空航天局曾研究过无须跑道的商用飞机概念，要求能装载可观的载荷垂直起降，而且时速高达644公里/时。不过这项研究最终停留在纸上，研究的三个方案中有两个是倾转旋翼设计，而且比美国海军陆战队的贝尔-波音V-22“鱼鹰”更加复杂。
▲研究的三个方案中有两个是倾转旋翼设计，而且比美国
海军陆战队的贝尔-波音V-22“鱼鹰”更加复杂
然而早在半个世纪前，一家英国制造商似乎已经提出了解决方案，这就是费尔雷公司的“罗托达因”。该机是世界上第一种垂直起降客机，可载客42人，一度吸引了英国欧洲航空公司的浓厚兴趣。但不幸的是，“罗托达因”最终因英国政府预算不足而被迫取消，像英国的其他许多飞机项目一样，在身后留下一片唏嘘。
“基罗达因”
尽管费尔雷飞机公司在二战中的主业是制造海军飞机，但到20世纪50年代中期，该公司已经在旋翼机研制方面积累了相当丰富的经验。战后不久，费尔雷公司就成立了以詹姆斯·贝内特博士领导的设计团队，设计出FB-1(费尔雷-贝内特-1)直升机，后被命名为“基罗达因”(Gyrodyne)。“基罗达因”在设计上显示出了一些独到的创新，特别是在处理旋翼扭矩方面。
▲“基罗达因”在设计上显示出了一些独到
的创新，特别是在处理旋翼扭矩方面
▲“基罗达因”的右侧短翼翼尖处安装了一副拉进式
螺旋桨，由520马力的阿尔维斯“利奥尼达斯”活塞发
动机驱动，用以平衡旋翼扭矩并提供前进推力
“基罗达因”的右侧短翼翼尖处安装了一副拉进式螺旋桨，由520马力的阿尔维斯“利奥尼达斯”活塞发动机驱动，用以平衡旋翼扭矩并提供前进推力。除这幅螺旋桨外，“利奥尼达斯”发动机还要驱动主旋翼。该机的传动结构很复杂，有三个变速箱和多套减速齿轮，与发动机加在一起占了直升机一半的重量。“基罗达因”的速度比普通直升机快，1948年公司首席直升机试飞员巴兹尔·阿克尔少校驾驶原型机创造了新的直升机速度世界纪录——108节(200公里/时)。不幸的是该机在第二年因致命事故坠毁，事后发现是金属疲劳所致。
▲第一架“基罗达因”结构图
费尔雷公司并未放弃“基罗达因”，研究团队得到了奥格斯特·斯捷潘工程硕士的加盟。他曾与奥地利工程师弗里德里希·冯·多布尔霍夫合作在1943年研制出世界上第一架喷气动力直升机。斯捷潘加盟后，贝内特改任首席直升机工程师，阿奇·福赛上校和乔治·希斯洛普博士担任开发主管。
第二架“基罗达因”在外观上看起来和第一架很像，但使用了完全不同的技术。单副拉进式螺旋桨被两副安装在短翼翼尖处的推进式螺旋桨取代，同样由“利奥尼达斯”发动机驱动。此外，利奥尼达斯”发动机还驱动两台压气机，用于向安装在两片旋翼叶片尖端的喷嘴供气。在喷嘴中，高压空气和通过旋翼叶片油路输送来的煤油混合后点燃，推动旋翼旋转。整套系统的原理就是基于冯·多布尔霍夫的开创性发明，被当时的人们称为“奇葩的活塞喷气式直升机”。
▲第二架“基罗达因”在外观上看起来和
第一架很像，但使用了完全不同的技术
第二架“基罗达因”不容易驾驭，从直升机模式的垂直起降到旋翼机模式的平飞之间的转换涉及棘手的给接通/切断旋翼动力操作，飞行员稍有不慎就会大幅损失高度。试飞员约翰·丹尼斯终于在1955年3月掌握了转换飞行的技巧，在当年的范堡罗航展上进行首次完整飞行循环表演。这届航展的一个大事记就是禁止飞机产生超音速音爆，结果“基罗达因”的噪音堪比音爆，观众们称它发出的噪音“难以忍受”。
▲这届航展的一个大事记就是禁止飞机产生
超音速音爆，结果“基罗达因”的噪音堪比音爆，
观众们称它发出的噪音“难以忍受”
“基罗达因”的成功为正处于研制后期的“罗托达因”打下了坚实基础。事实上，旋翼机权威大卫·吉宾斯曾表示，喷气式“基罗达因”对“罗托达因”项目的重要性“怎么强调也不过分”。“基罗达因”最终完成了190次转换飞行，使设计团队充分了解其中的奥妙。吉宾斯说：“最直接的结果，是使团队对‘罗托达因’项目建立起足够信心，认为该机的设计目标是能够达到的，且安全水平可以接受。”
▲第二架“基罗达因”三面图
▲“罗托达因”的早期设计模型
“罗托达因”的设计
“罗托达因”的桨尖喷气系统是在白沃尔瑟姆机场的费尔雷工厂研制的，这里有个特别小组隐藏在工厂的一个偏僻角落，在正常工作时间以外对该系统进行测试。“罗托达因”发动机和旋翼系统也同时在下博斯库姆的英国皇家空军飞机和军械实验中心进行测试，这里有一个安装了“罗托达因”所有关键部件的测试台架，所有部件的安装方式都参照实机。
▲这里有一个安装了“罗托达因”所有关键部件的
测试台架，所有部件的安装方式都参照实机
▲正在制造中的原型机
“罗托达因”原型机在海耶斯组装完毕后被运输到白沃尔瑟姆机场，于1957年11月6日进行了首飞。原型机裸露着金属表面并标着XE521的军用序列号，表示是英国军队的财产。尽管该机是一架客机原型机，但从未获得过民用注册号。原型机在首飞中没有收回起落架，而且主起落架被支架撑住以避免共振，发动机整流罩也被拆掉以保证足够的冷却。
▲“罗托达因”原型机在1957年11月6日首飞
▲“罗托达因”原型机的首飞机组
“罗托达因”原型机在首飞中进行了桨尖喷气直升机模式飞行，不过持续时间很短暂，仅一个循环。费尔雷首席直升机试飞员罗恩·盖里特利少校和副驾驶约翰·莫顿少校均未报告首飞出现任何异常情况。
原型机的正式名称是“罗托达因”Y，名义上是一种40座客机，但实际上仅是一架技术验证机，该机客舱的大部分空间都被测试仪器占据，座椅数量从未超过20个。“罗托达因”Y是全金属半硬壳式盒形结构，从前方人员舱门到后方蛤壳式货舱门的机身截面都已一模一样的方形。该机的上单翼有两根平行主翼梁，机翼厚度和弦长从内到外保持不变，平尾也是如此设计的。该机具有双垂尾和双方向舵，垂尾上半部后来改成可向外折叠以避免在地面停放时碰到旋翼叶片。
▲该机具有双垂尾和双方向舵，垂尾上半部后来改成
可向外折叠以避免在地面停放时碰到旋翼叶片
“罗托达因”的主旋翼塔是一个独立部件，基本上是个由钢管构成的空间框架，通过4个螺栓固定在翼梁上。该机的双轮主起落架向后收入发动机舱，双轮前起落架向前收入机头。设计团队尽量做到简化飞机结构，在保持强度的同时方便维护。
▲“罗托达因”的主旋翼塔是一个独立部件，基本上
是个由钢管构成的空间框架，通过4个螺栓固定在翼梁上
“罗托达因”的动力由两台“纳皮尔”NEI7涡桨发动机提供，单台额定功率3250轴马力。每台发动机驱动一副4叶拉进式螺旋桨，后方伸出一根轴驱动一台轴流压气机，最多可以向旋翼桨尖的喷嘴提供每秒20千克的空气流量，流量可以通过总距杆以及压气机进气口内的伞状叶片共同调节。
▲“纳皮尔”NEI7涡桨发动机
▲每台发动机驱动一副4叶拉进式螺旋
桨，后方伸出一根轴驱动一台轴流压气机
虽然“罗托达因”Y没有传统直升机的旋翼和尾桨传动机构，但该机的旋翼头仍然很复杂，因为内部有向旋翼桨尖喷嘴输送空气和燃油的复杂管道以及点火系统。从两台压气机出来的高压空气先汇总后再通过两根管道输送给径向相对的两片旋翼叶片(一共4片叶片)，确保单发失效时旋翼能获得稳定气流供给。“罗托达因”Y的桨尖喷气系统有效而可靠，大卫·吉宾斯评价这个系统是“整个项目的伟大成就之一”。
▲虽然“罗托达因”Y没有传统直升机的旋翼
和尾桨传动机构，但该机的旋翼头仍然很复杂
▲旋翼变距机构
试飞
“罗托达因”的起飞和传统直升机一样，由桨尖喷气旋翼提供升力。一旦升空后，该机既可以直升机模式飞行，也可以旋翼机模式飞行。在后一种模式中，旋翼处于自由旋转的卸载状态，大部分升力由机翼产生，推进力由螺旋桨提供。从直升机模式向旋翼机模式的转换是通过逐渐降低旋翼喷嘴推力，最终脱开压气机离合器并停止向喷嘴供油实现的，重回直升机模式基本上就是反过来。涉及的座舱操作相对简单，乘客几乎觉察不出转换过程。
▲“罗托达因”Y的座舱
试飞进展顺利，只是试飞团队在5个月后才有积累足够信心尝试首次转换飞行，这是1958年4月10日在1219米高度进行的。1959年1月5日，盖里特利和莫顿驾驶“罗托达因”创造了平均速度165节(306公里)的100公里闭合航线直升机速度纪录，比传统直升机纪录快了43节(80公里/时)。吉宾斯说这次破纪录飞行是“在正常起飞后使用旋翼机模式实现的，展示出该机可以像普通飞机那样飞行。”半年后，试飞进入新阶段，“罗托达因”开始首次海外之旅——途径布鲁塞尔参加巴黎航展。费尔雷在一段特别宣传片中声称“罗托达因”的巡航速度已经达到了174节(322公里/时)，“几乎是其他任何能在城市中心之间运营的直升机速度的两倍”。
这部影片现在可以在YouTube上观看，影片声称“罗托达因”从布鲁塞尔飞到巴黎仅需58分钟：“去这些城市的候机楼乘坐固定翼航班的预定行程时间是3小时15分钟，足足是‘罗托达因’的三倍。‘罗托达因’作为飞行吊车使用时可精确吊装一座仅长30米的桥梁。”
▲“罗托达因”Y吊装桥梁
大卫·吉宾斯作为一名测试工程师曾参加过大约50架次“罗托达因”试飞，此前他一直效力于费尔雷的导弹项目，结束后就来到白沃尔瑟姆参加桨尖喷气旋翼机的研制。他在多年后接受采访时回忆道：“我很清楚自己渴望回到试飞工作，奥格斯特·斯捷潘马上让我参加‘罗托达因’的试飞项目。我从他和他的团队身上学到东西使我受益终身。”
吉宾斯一直干到“罗托达因”项目结束，他回忆道：“我们都是一人多用，不仅要操作测试仪器，还要关注飞机本身的状况——发动机和应力。我负责监测仪器，并在膝板上做记录。”
▲“罗托达因”Y机舱内部的测试仪器
噪音控制
尽管“罗托达因”取得了令人瞩目的成就，但该机的噪音遭到了人们的抱怨。费尔雷前学徒及后来克兰菲尔德大学名誉教授丹尼斯·豪说：“‘罗托达因’的确存在一个致命的弱点，那就是桨尖喷气噪音。否则我认为这是一个极好的概念，甚至在噪音问题被重视起来之前该机的前景可以说是一片光明。虽然桨尖喷嘴只在起降时工作，但如果你从一个市中心飞向另一个市中心，公众就会对此抱怨，这个工作时机可真不是时候。”
尽管“罗托达因”取得了令人瞩目的成就，但该机的噪音遭到了人们的抱怨。
作家詹姆斯·汉密尔顿·帕特森在英国广播公司4台的节目中说：“噪音能打断3公里之外人们的交谈。”当然“罗托达因”噪音水平有望降低，大卫·吉宾斯说：“我们没有保证它的噪音水平能下降到可接受水平，这显然要花费很多钱，但只要项目能坚持到英国航空部的参与，那么所有人都能皆大欢喜。”
吉宾斯在他的书《费尔雷“罗托达因”》中机载了1961年“罗托达因”在巴特西直升机场进行的一系列噪音试验，他是这样描述在直升机场进行的两次试飞：“就像一架极大的飞机在一个极小空间里飞行。”直升机场周围有7个噪音记录站，每个站都和塔台保持无线电联络，此外还有30观察员散布在更广阔的区域进行主观评价。当天的天气非常理想，只有一例观察员报告说噪音“震耳欲聋”，有18例报告称噪音“吵闹”或“非常吵闹”，而且直升机场没有接到投诉，只接到两通好奇民众打来的询问电话。
美国大学管理学教授布鲁斯·恰尔诺夫博士也想搞清楚为什么“罗托达因”的噪音成为了一个大问题，为此研究了“罗托达因”。他在接受采访时说：“我越研究它就对它越感兴趣，我对这种有史以来最大的旋翼机印象是如此深刻，我认为这个设计具有令人难以置信的先见之明，因为它是从市中心到市中心的理想交通解决方案。”
“我认为这个设计具有令人难以置信的先见之明，因为它是从市中心到市中心的理想交通解决方案。”
恰尔诺夫说“罗托达因”在城市之间的运营比传统飞机在机场间的运营更快速，“即使它的飞行速度并不是很快。”他补充说：“该机的设计很坚固，维护起来也比较容易。现代技术将确保噪音能被进一步降低，因此噪音不再是个问题。”
比“支奴干”更好？
事实上费尔雷公司已开始着手降低噪音，计划在“罗托达因”Z上采用更高效的桨尖喷气技术。该机将比原型机的尺寸增加20%，安装两台罗尔斯·罗伊斯公司的“泰恩”发动机，单台功率将增加到5000轴马力。“罗托达因”Z的民用型能乘坐70人，军用型能容纳40副担架或60名士兵。
吉宾斯指出，“罗托达因”Z与波音公司的CH-47“支奴干”相比，机舱长度增加50%以上，宽度增加20%以上，全重增加25%以上。
▲“罗托达因”Z三面图
▲客舱可根据需要灵活布置
恰尔诺夫指出，“罗托达因”与V-22“鱼鹰”倾转旋翼机相比要简单得多：“由于旋翼产生的旋涡，‘鱼鹰’不能编队降落。虽然‘鱼鹰’的飞行手册说旋翼可以自旋，但实际上不可能。而‘罗托达因’既可以编队降落也可以自旋，所以安全性更好。现在V-22机队在任何时间里只有一半数量能飞，另一半要进行维护。‘罗托达因’的妥善率、生存性能更好，维护成本更低。”
卡曼飞机公司购买了“罗托达因”的生产许可证，计划在美国制造和销售该机的军用和民用型。该公司曾在广告中展示了“罗托达因”的手绘图，卡曼声称自己是美国“唯一获得该机型制造、销售和服务许可”的公司。
恰尔诺夫说美国海军陆战队曾对“罗托达因”产生过兴趣：“如果美国海军陆战队采购了‘罗托达因’，那么历史会有所不同，它可能会改变世界。”
作家兼工程师阿瑟·奥德休谟则持反对意见：“我是极少数认为该机不仅没超越时代，而且是完全没有意义的验证机的人之一。这么多年下来，事实已经证明了我的正确。虽然现在还有许多人——大多数是没有经历过那个年代的年轻人——相信‘罗托达因’是一个失去的机会。”
取消
1957年国防白皮书掀起了英国国防企业的并购浪潮，韦斯特兰公司收购了费尔雷的直升机资产。该公司最终做出取消“罗托达因”项目的决定，这家位于约维尔的制造商决定把自己的未来压在按许可证制造西科斯基直升机上。
▲到20世纪60年代初，人们对“罗托达因”的兴趣也减弱了
到20世纪60年代初，人们对“罗托达因”的兴趣也减弱了。美国纽约直升机公司和加拿大温哥华的奥卡纳甘直升机公司曾认真考虑过购买“罗托达因”，但此时也变得兴趣寥寥。英国欧洲航空公司此前曾宣布计划购买6架“罗托达因”Z，他们一度认为该机能满足“包括噪音在内的所有要求”，现在也失去了热情。费尔雷公司曾希望英国皇家空军能订购25架“罗托达因”，但现在该军种认为固定翼飞机能更便宜地满足自己的要求。
虽然英国首相哈罗德·麦克米伦曾经宣称“罗托达因”“一定不能死掉”，但英国政府还是在1962年2月26日宣布停止对项目投资，韦斯特兰公司可以自由按自己意愿重组直升机业务。所以在这种情况下，“罗托达因”被砍已经不足为奇了。
大卫·吉宾斯在1993年从韦斯特兰退休时已经是首席试飞工程师，他坚持认为韦斯特兰不应为取消该项目而受到指责。他说：“我认为韦斯特兰在‘罗托达因’上遭受了不公平的指责，要知道他们甚至暂停自己的‘威斯敏斯特’项目来保证该机的试飞。另一件人们不清楚的事是，‘罗托达因’试飞了四年半，其中近两年都是韦斯特兰公司在实施。”
但吉宾斯和他的同事们觉得自己被政府出卖了：“我们觉得被人在后背刺了一刀”，虽然他承认该机被取消的理由“相当合理”。
布鲁斯·恰尔诺夫把这称为是无关噪音的“政治决定”，丹尼斯·豪则说：”我敢肯定西科斯基公司希望看到竞争对手‘罗托达因’的消亡。
对于很多人来说，政府下令肢解原型机以及该机资料的散失无疑是在他们的伤口上撒了一把盐。
任何对“罗托达因”感兴趣的人可以去滨海韦斯顿的直升机博物馆看看，但不要抱太大的期望。正如布鲁斯·恰尔诺夫所说：“‘罗托达因’剩下的一切东西都摆在了一张桌子上”。
▲“‘罗托达因’剩下的一切东西都摆在了一张桌子上”
“罗托达因”Y参数
▲“罗托达因”Y三面图
机组 2
乘客 40
长度 17.88米
高度 6.76米
翼展 14.17米
翼面积 44.1平方米
最大起飞重量 14969千克
最大巡航速度 307公里每小时
航程 724公里
发动机 两台纳皮尔“伊兰”N.El.7涡桨发动机，
单台功率2800轴马力。4个桨尖喷气发动机单台推力454千克
首飞日期 1957年11月6日
本文源于：空军之翼
微信号：kongjunzy
《军武次位面》官方新浪微博：@军武视频
《军武次位面》总导演的个人微信号：crazy262a2
欢迎广大粉丝关注互动！
想了解更多关于军事知识的朋友们欢迎在各大视频网站观看《军武次位面》系列节目，在腾讯视频、优酷、爱奇艺、搜狐视频、凤凰网、土豆网、乐视网、ACfun、Bilibili、网易等视频网站，每周五晚同步更新！
