標籤:起降飛機

飛行車(Avrocar),是在冷戰初期,Avro Canada公司為美軍的一個秘密計劃研製的一款垂直起降飛機。為了幫助美國空軍及美國陸軍研製更先進的戰鬥機與戰術攻擊機,Avro Canada共建造了兩架「概念驗證機」。在測試中,Avrocar暴露出了一些無法解決的推力與穩定性問題,這些問題將它的性能限制住了。隨著1961年美軍那個秘密計劃的終止,Avrocar這個項目也不光彩地結束了。

1簡介

飛行車(Avrocar)的目的是嘗試著藉助柯恩達效應,用一個「渦輪風扇」 (turborotor)同時提供升力與推力。從風扇排出的空氣會沿著這個圓盤狀的飛機邊緣向下排出,從而使它能夠垂直起降。在升空之後,它會像飛碟一樣飛行。

2設計與研發

Y計劃
Avro公司的一張罕見的彩色照片

  Avro公司的一張罕見的彩色照片

在那個時期,整個航空工業都在致力於研究垂直起降飛機。這是因為人們認為下一次歐洲戰爭會以核爆炸開始,核爆炸會摧毀大多數的空軍基地,所以戰機需要能從各種地方起飛。大量的研究提供了幾種保證反擊能力的方案。這些方案中包括了火箭發射的飛機,但是大多數目光長遠的公司還是開始研究垂直起降飛機。
在執行垂直起降任務時,這架飛機需要以尾部著地,並用連接到加強筋上的支架來保持平衡。降落時飛機的攻角會很大,這就使飛行員的可見度變得極低。同時期其它一些垂直起降試驗機嘗試了多種解決方案,這些方案中包括了旋轉座椅和駕駛艙,但是沒有一種方案能被證明是很有效的。糾纏著許多垂直起降試驗機的另一個問題是懸停時很難保持穩定。有一個解決方案是將廢氣從一個更大的面積排出,就像直升機一樣。大部分設計師都將空氣從發動機中的壓縮機排出,並用管道將這些空氣從機身周圍各個地方排出。弗洛斯特使用了太多的管道,這種布局是很難建造的。
弗洛斯特認為他設計的大動力重量比的發動機很適合被裝在一架垂直起降飛機上。僅有的問題是如何用發動機沿環形排出的廢氣將飛機向前推,和如何將一個如此之大的發動機裝到飛機里。弗洛斯特建議使用一系列管道將一部分廢氣向後排出,儘管「管道越長推力損失就越大」這一點在當時已經廣為人知。為了將管道長度縮短,提供推力的發動機廢氣將會從機身(實際上是一個大三角翼)邊緣排出。因為發動機為圓盤形,所以這個三角形機身的前部會突出來一點,就像一把鐵鍬一樣。因此它又被稱作「Avro Ace」(由「黑桃A」(Ace of Spades)而來)。壓縮機進氣口位於發動機中央,所以發動機進氣口就正好位於機身中央之前。有一條加強筋位於駕駛艙和機身後部之間。其它幾種布局也被考慮過,其中包括了「歐米珈」布局,這種布局去掉了機身後部的三角翼,使之看起來更像圓盤形。

各類飛行車

各類飛行車
1952年,加拿大國防研究與發展署為此計劃提供了400,000加元。1953年,Y計劃的木製樣機製造完成,今天只有一些照片能夠提供關於這架樣機的信息。這個計劃被認為花費太高,儘管當時還有幾個花費極其高昂的空防計劃。1953年2月11日,一個有關於這項計劃的故事和幾張歐米珈式布局的圖片被透露給了多倫多星報,很顯然它的目的是取得公眾的支持並最終得到更多資金(這種做法在當時的美國是很常用的)。5天之後,加拿大國防與軍工生產部長向議會說明Avro公司確實正在研究製造飛碟的「實物模型」,這個計劃的產物能垂直爬升並以每小時1500英里(2400千米/時)的速度飛行。但是,更多的資金在短期內還是無法得到。
美國人的介入:1794/「武器系統606A」計劃
Avro公司製作的Avrocar與Y-2計劃試驗機模型

  Avro公司製作的Avrocar與Y-2計劃試驗機模型

1953年晚些時候,一群美國的國防專家參觀了Avro Canada公司,目的是觀看最新研製的CF-100噴氣式戰鬥機。在這些專家還在路上時,弗洛斯特加入了他們並將他的「特別項目小組」的工作地點納入了參觀路線中,接著他就向專家們炫耀了他的Y計劃及模型,還有一些Y-2計劃圓盤形試驗機的草圖(有些圖在之前還沒有被公司的高級管理人員看過)。美國空軍決定向弗洛斯特的特別項目小組獨家提供資金,並且在1955年提供了750,000美元。到了1956年,Avro公司的管理層已經對這個計劃有了足夠的興趣,接著就投入了250萬加元來建造一個「私人研究項目」原型機。1957年3月,美國空軍又投入了新的資金,這架飛機也被命名為「武器系統606A」(WS-606A)。
美國空軍內部對這種布局也有爭論,因為許多人都想得到資金來發展他們自己的計劃,比如說核動力轟炸機。早些時候多倫多星報的泄密在1955年又重新上演,形象雜誌刊登了一篇長文章,這篇文章推測當時發現的UFO實際上是蘇聯建造的飛碟。它還用圖表描述這些UFO,而這些圖表很明顯是受到了Avro公司的設計的影響。
圍繞著圓盤形機身的大量研究使人們開展了1794計劃,這個計劃是要研製一款大型超音速圓盤狀戰機。對它的研究進行到了風洞試驗階段,幾種不同大小的比例模型也已建成。這些模型在中央部分即發動機的上方有一塊突起,在進氣口處也配備了百葉窗,這在向前飛行時會閉合。弗洛斯特認為這種飛機可以在100,000英尺高度以3.5馬赫的速度飛行。
為了測試1794計劃的概念並且向美國空軍提供試驗數據來證明此計劃可行,人們在Avro公司的試驗機測試區後面的一幢地堡一樣的建築中製造了一架渦輪驅動的過渡性試驗機。這架名為PV-704(PV為「私人研究項目」的簡稱)的試驗機使用六具阿姆斯特朗·塞德利公司的「蝰蛇」發動機排出的氣體來驅動位於機身中央的風扇。對這架試驗機的測試計劃發展到了「自由飛行測試」。不幸的是,測試過程一點也不順利;用於測試的模型遭受了油料泄漏,這造成了三場火災。最後,測試人員們已經對這台機器產生了畏懼心理,就算它被放在裝有防彈玻璃和四分之一英尺厚的鋼板的房間內也不敢進行測試。對發動機的最後一次測試由於一台「蝰蛇」發動機的失控而變成了一次災難性的測試。這次測試最終使弗洛斯特意識到他們需要一個危險性更低的模型。

3計劃開始

1958年,在發動機還在研製過程中的同時,弗洛斯特為了採集數據而建造了一架較小的名為「Avrocar」的概念驗證機。與此同時,為了得到一種「飛行吉普」,
飛行車
美國陸軍也已經參與了一系列小型的垂直起降飛機研究計劃,他們也開始對Avro公司的設想感上了興趣。弗洛斯特將這架較小的飛機同時作為陸軍版的原型機和空軍「武器系統606」的氣動布局試驗模型。對Avrocar的最初要求是能在空中懸停十分鐘並能負荷1000磅的重量飛行25英里。
美國空軍也將「武器系統606A」計劃中大約700,000美元的剩餘資金撥給了Avrocar計劃。1959年3月,Avro公司又收到了177萬美元來建造第二架原型機。在首次展示時,人們預料它的表現將會遠遠超出標準:它擁有225節的最高速度,10,000英尺的實用升限,能負載1000磅飛行130英里,還能在負載2428磅時利用地面效應在空中懸停。不利用地面效應向前飛行的最大起飛重量被計算為5650磅,利而用地面效應向前飛行(GETOL)的最大起飛重量被計算為6970磅。
這項新的設計看起來滿足了所有人的要求,美國空軍撥給了Avro公司兩百萬美元來建造並測試兩架Avrocar,陸軍給它起的編號為「VZ-9-AV」(AV意為「Avro」,這對於美國陸軍的一般命名方法來說是不尋常的),這是陸軍「VZ」系列中的最後一架飛機。美國陸軍對Avrocar計劃無疑是很感興趣的。伯納德·林登保姆回憶說,1950年代末他為一項減少直升機阻力的研究去了一趟華盛頓來申請研究資金,儘管他的申請被批准,他還是無意中聽到了陸軍將軍說休伊直升機是陸軍購買的最後一款直升機,因為直升機最終會被Avrocar替代。
就在第一批試驗模型還在建造時,災難發生了。加拿大政府在1959年2月20日的「黑色星期五」關閉了CF-105計劃,這使Avro Canada公司暫時解僱了幾乎所有的員工,包括那些在「特別項目小組」里工作的人。但是,三天之後許多「特別項目小組」的工作人員又被重新僱用了。可這回的事情變得有些不一樣了。現在這個小組包括了原先工作在CF-100,CF-105和「特別項目小組」中的人,並且將工作地點移到了已經人去一空的主樓里。還有,公司的高層人員也更加積極地參與了這個小組的工作。
美國空軍的研究部門建議關閉「武器系統606A」及與其有關的計劃(包括Avrocar)。弗洛斯特需要再一次嘗試挽救這個計劃。在經過精心的準備后,弗洛斯特展示了Avrocar的設計參數,之後就去向美國軍方申請資金。1959年5月晚些時候,美國空軍授權Avro公司來繼續進行它的「飛碟」計劃。
Avrocar是一架圓盤形飛機,它的基本形狀就像飛盤,機身的上表面是個光滑曲面,而下表面卻幾乎是平的。飛機的直徑為18英尺,厚度為3.5英尺。機身的主要構架是一個大等邊三角形,在這個三角形的基礎上加裝了很多部件。有124片葉片的渦輪風扇位於這個三角形的中央,它產生的大部分推力都通過下表面的一個開口被導向了下方,但是有些推力被用來驅動位於機身外緣的控制系統。渦輪風扇由安裝在主要構架上的三具J69-T-9噴氣式發動機驅動。每具發動機都有自己的燃料箱,機油箱和其它輔助系統,而人們希望在未來的型號當中這些是能共用的。機身大部分由鋁製成,空重為3000磅。
飛行員只用一根位於側方的控制桿來控制飛機。前後和左右方向的擺動由控制桿的上下左右移動來控制,而機身的水平旋轉則由旋轉控制桿來實現。在控制系統中沒有使用機械連接裝置,控制桿對氣流的控制不是通過直接操縱控制面就是通過電傳系統來操縱(比如發動機的油門)。
對飛機姿態的控制則由機身外部的一個大圓環來實現,這個圓環看起來就像一個圓角三角形。從機身內部看出去的話,用於控制的翼面幾乎是看不見的,因為它們在平常時候是朝向裡面的。飛行員通過操縱桿來調整圓環與機身之間的角度,從而改變氣流的方向。如果想要獲得垂直方向上的升力的話,整個圓環可以被移到機身下方,這樣就能使更多空氣在同一時間內流過機身上表面,這些氣流之後就會被導向地面。將圓環傾斜會得到不對稱的推力,這被用來控制方向。
人們發現這架飛機在向前飛行時具有內在的不穩定性,因為在氣動布局上,它的壓力中心遠遠位於重心之前。[26]Avrocar因此包含了一個獨立於飛行員控制系統之外的穩定系統。飛機中心的風扇具有很大的角動量,並且被作為一個大的陀螺儀來穩定飛行的方向。當飛機因風扇的轉動而移動時,連接到風扇底部的控制纜就會被拉緊,從而將風扇產生的推力抵消掉。
這架飛機會有兩個乘員,他們分別坐在兩個獨立的駕駛艙內。在測試中,飛機上一般只有一名飛行員,在某些測試中也有一名觀察員坐在第二個駕駛艙里。在控制系統的問題完全解決之前,Avro公司的試飛員們面對的是極其靈敏的控制系統,公司的首席試飛員Potocki甚至能不握操縱桿飛行。飛過Avrocar 的Avro公司試飛員Peter Cope,美國空軍的試飛員Walter J. Hogson和NASA的首席試飛員Fred J, Drinkwater III認為這架飛機是很難控制的。Drinkwater將飛行形容為「站在沙灘排球上保持平衡」。

4飛行車測試

第一架Avrocar

  第一架Avrocar

第一架Avrocar,編號58-7055,於1959年5月走下了生產線。從6月9日至10月7日,它一直在一個靜態懸停測試裝置中進行測試。不幸的是在懸停中,發動機會吸進熱的廢氣,這就減少了它的推力。管道系統的推力損失也比預想中的多,而一系列的改動也並不能有效地解決這個問題。這些問題將不利用地面效應飛行時的最大升力減少到了3150磅,少于飛機的空重4285磅。這意味著它要飛行就必須利用地面效應。在這些測試之後,它被送到了NASA Ames測試中心進行風洞測試。
第二架Avrocar,編號59-4975,於1959年8月建造完成。9月29日,這架飛機進行了第一次系留懸停測試。就在它升入空中后,無法控制的搖擺發生了,這使飛機的三組起落架輪流與地面發生接觸。飛行員W.D. "Spud" Potocki立刻關閉了所有的發動機。穩定系統又被做了改進來使控制變得更容易,而新型的系留繩也在研製當中。接下來的測試發現這是飛機的內在問題,工程師們將這個問題叫做「輪轂活動」,因為飛機的表現就像旋轉的輪轂。
後來的調查找到了問題的原因。當飛機停留在地面效應高度時,機身下的高壓空氣就不會跑出去,這就會托起整個下表面,飛機也就會很穩定。當飛機的高度高於地面效應高度時,機身下面的空氣就會形成一個很窄的空氣柱,這被弗洛斯特形容為「樹榦」。在地面效應高度的邊緣,飛機會在兩種高度之間不斷上升和下降,這就造成了在某一時間內整個下表面都會受到向上的推力,而在另一段時間內這個推力就會消失。這就造成了沒有受到推力的一邊會劇烈的擺動。當這一邊碰到地面后,提供推力的空氣就會向別的方向流動,這就使另一邊被舉高。這個過程會不斷重複,飛機會不斷地以一邊接觸地面。為了解決這個問題,飛機被做了一些改進。最終,人們在機體下表面鑽了52個洞,這些洞呈輻射狀排列,離中心三英尺遠。它們會在機身中央產生向上的推力來保持穩定。
Avrocar的起落架基本上是安裝在支架上的三個小輪;後期的測試也使用了滑橇,儘管它們沒有被安裝到位。
經過了這些改進之後,第一次完全自由的試飛於1959年11月12日完成。這次測試證明了噴嘴式的控制系統是不可被接受的。擾流器本來要在懸停時只將氣流導向下側,在向前飛行時導向上下兩側。原先的設想是,當襟翼的姿態發生變化后,機身一側的升力會減少,而另一側的升力會增加。在測試中,機身一側的升力確實減少了,但是另一側的升力卻沒有增加,因此飛行員的每次操縱都會造成高度的降低。在飛了五次之後,測試在1959年12月5日被暫時停止,這時Avrocar已經經過了18.5小時的測試。
改進后的編號為59-5975的Avrocar正進行測試

  改進后的編號為59-5975的Avrocar正進行測試

在那年冬天,人們又推出了一個全新的設計。原先的擾流器被位於環形襟翼下的一個環所替代。這個環根據飛行員的操縱而進行聯動。測試一直進行到了1960年1月,飛機看起來表現良好。但是,就在新的控制系統改善了懸停性能的同時,這架飛機在速度高於30節時又變得不穩定了。位於Ames測試中心的第一架Avrocar也被做了類似的改進,並在1960年4月在40 x80英尺的風洞中進行了測試。現在這個問題變得清楚起來了:這個新環阻礙了發動機產生的大部分推力,這就使總推力大大地減少了。當飛機加速時,飛機下面的冷熱氣體循環也減少了,這就使更多的空氣流過了上表面,減少了升力。這在某種程度上是沒有被預料到的,因為就像本文前面所說,這種冷熱氣體循環在之前一直都被認為會減少發動機的推力,而這是不好的;人們沒有發現它對提高升力有好處。最後,為了在高速飛行時仍然能夠獲得升力,這架飛機的操縱桿必須要拉到底。
Avro公司被工程師們說服了,它仍然認為這個設想是可行的,於是它又啟動了一項新計劃,這項計劃是要重新設計推進和控制系統。與單個的環形襟翼和擾流器及後來的環控制系統不同的是,新的系統包含了兩個獨立的控制系統,這輛個系統分別控制懸停和向前飛行,並共用一個排氣管。當懸停時,管道內的一組閥門就會打開,將氣流導向機身下方。在這時,對飛機的控制由調整襟翼外緣來調整氣流而實現。當飛機的速度高到一定程度時,這些閥門就會閉合,使空氣從機身邊緣流出,而在機身邊緣有一系列襟翼一樣的控制面。新的控制系統覆蓋了全機外緣的3/4,機身最前部只有懸停控制系統。
人們在Ames測試中心的那架Avrocar上做了這些改進,測試於1961年4月重新開始。這個新的設計極大地改進了懸停時的控制性能,並且也大量地增加了升力。現在它能夠以100節的速度飛行,這與之前的30節相比是一個很大的進步。但是它仍然會前後擺動,並且機鼻很容易朝上。NASA的工程師們嘗試著用一個T形尾來改進它,但是這個T形尾被渦輪風扇的氣流包圍住了,因此沒能起作用。弗洛斯特的設計團隊又考慮了兩個新設計,其中一個具有一片大垂尾,另一個具有機翼,而機翼的外緣又各有一片小翼。這兩種設計都用到了兩台通用動力J85渦輪噴射引擎,並且渦輪風扇的直徑也從5英尺增加到了6英尺。
1961年6月9日,美國空軍/NASA測試了在Avro公司經過相似改進的第二架Avrocar。在這些測試中,這架飛機達到了它的20節的最高速度,並且可以跨越6英尺寬,18英尺深的溝壑。由於內在的不穩定性,飛機在一定高度以上時回變得很危險。飛行測試也發現了更多的控制問題。

5項目被終止

就在相應的改進能夠被完成之前,研發資金於1961年3月用完了。弗洛斯特對於改進設計的請求沒有被接受,Avrocar和「武器系統606A」超音速垂直起降飛機計劃也被美國軍方於1961年12月關閉了。Avro公司的董事會還是鼓勵著垂直起降飛機的研究計劃,它讓研究團隊將圓盤形的機身與幾種布局結合起來,甚至還發展出了「噴氣引擎提升版」,但是這些研究沒有得到任何一方的興趣。1961年,一些晚期型號的方案,包括了從「特別項目小組」的研究項目中衍生出來的Avro P470垂直起降戰機的方案被提交到了北約去競爭一份戰術攻擊機的合同。
到了飛行測試結束時,第二架Avrocar已經經過了75小時的測試。根據它的表現來看,Avrocar是個絕對的失敗:它只能在離地面幾英尺的高度上安全飛行,並且它的機身設計也限制了高速時的性能,並且還會產生大量的熱和噪音,這在軍事上是不實用的。儘管在技術上被認為是一個失敗,它的設計還是有前瞻性的: SR.N1,即於1959年首飛的世界第一艘氣墊船的原理就與它相似,只不過就是船體底部外緣有了一層橡膠而已。弗洛斯特在加拿大,英國和美國都申請了一些專利,這些專利確定了Avrocar和與其相關的Avro公司試驗機在垂直起降飛機領域中的關鍵角色。

6近幾年的成就

儘管根據美國國家航空航天博物館館長Rusell Lee 的說法,Avro VZ-9-AV Avrocar是垂直起降領域裡的一個失敗,但是它在技術上的革新已經啟發了一些別的設計者。它的渦輪風扇也在其它一些試驗機中被用到了。Paul Moller博士,一個年輕時在Avro Canada公司工作過的加拿大僑民,根據Avrocar的「飛碟」技術研製了XM-2,這是一系列看起來很像微型飛碟的試驗機中的第一架。在系留飛行測試成功以後,這架有時被稱為「圓盤形噴氣機」的飛機研究計劃被關閉,而他們最新的設計,穆勒空中汽車,則具有飛行汽車的外形。
Avrocar的故事沒有隨著計劃的終止而結束。一共只有兩架Avrocar被建造出來,並且因為投資建造它們的是美國軍方,它們在計劃終止后成為了美國的財產。第二架Avrocar,S/N「59-4975」,於1968年被臨時送到了加拿大蒙特利爾世博會進行展出;在長時間的戶外展出后,它現在被保存在弗吉尼亞州Fort Eustis的美國陸軍運輸博物館。
第一架Avrocar,編號S/N 「58-7055」(機身噴塗編號為「AV-7055」),在系留測試后成為了NASA Ames測試中心的風洞測試模型,在那裡,它從1961年一直被儲存到了1966年,然後被捐贈到了位於華盛頓特區的美國國家航空航天博物館。一開始它是要在位於華盛頓達拉斯國際機場新建的Steven F. Udvar-Hazy中心進行展出,但是一份長期租借合同將它帶回了加拿大。多倫多航空航天博物館將會保存並展出它。
人們為了拍攝2002年的電影「Avrocar:過去的飛碟秘密」而製造了一個1:1的Avrocar模型。現在這個模型位於加拿大曼尼托巴省溫尼伯的西加拿大航空博物館作為展品。
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