作者：丁尹 出品：旋翼飛行器
弁言
到上世紀40年代末，關於直升機的飛行原理和概念得到了充分的驗證和認可，數量可觀、種類繁多的以旋翼為主要升力面和操縱面的直升機都進入了生產線。不少設計師們已經開始把注意力聚焦到「如何擴展直升機的速度包線」這個點上。
對於常規直升機而言，由於「周期性旋轉導致的來流不對稱」問題導致其飛行速度有著無法逾越的「理論限制」，因此它們的速度一般被認為不可能超過180節（約333千米/時）。為此，當時很多直升機製造廠都開始積極探索採用獨特構型的高速型旋翼飛行器來嘗試突破直升機固有的理論限制。
圖——西科斯基給出的燃油效率-速度評估曲線
西科斯基公司，作為實用直升機的締造者和領頭羊，自然不會在直升機相關領域落後於人，他們也提出了一種名為「Stowed Rotor」（收放式旋翼）的概念，這種概念最大的特點就是其旋翼只有單片槳葉，並且這單葉旋翼還能夠收縮到機身內部，以便使該飛行器「變形」為具備高速飛行能力的固定翼飛機，而為了確保單片槳葉能夠穩定旋轉，工程師在該片槳葉的「對面」設計了一塊恰當的「配重塊」。
圖——單片槳葉旋翼系統設計示意圖
收放式旋翼飛行器的早期發展
在那個航空行業粗放發展的年代，固定翼飛機由於過度追求速度導致其起飛和降落所需的跑道越來越長，飽受詬病；而作為當時獨具垂直起降能力的航空器——直升機——又由於巡航速度太低、航程太短而致使其應用範圍相當有限。為此，工業界提出了多種所謂「可變形飛機」（或者叫做「轉換式飛機」，Convertiplane）的概念，這些概念試圖將直升機和飛機的特點融合到一起，最終形成一種同時具備垂直起降能力和高速飛行能力的複合式飛行器。
圖——轉換式飛機中最著名的大概就是傾轉旋翼機了，圖為貝爾早期傾轉旋翼機XV-3
從上世紀40年代末開始，西科斯基公司就著手探索「收放式旋翼」的相關技術，在項目啟動初期，研究人員考慮的還是將常規的多片槳葉式旋翼收縮到機身內部，但是這個難度顯然非常大，畢竟絕大部分直升機的旋翼都會超過機頭，要將其收放到機體不現實。在多輪激烈討論之後，一個大膽的想法在研究團隊中被提了出來：既然常規旋翼行不通，為什麼不嘗試一下只有一片槳葉的旋翼呢？
說幹就幹，西科斯基的工程師都是實打實的行動派，他們敲定單片槳葉搭配配重塊的旋翼方案之後，在1948年的8月份，把造好的新旋翼系統裝到了「世界上第一型實用直升機」西科斯基R-4上進行了飛行測試。在測試之前，工程師們還在設想著種種可能出現的問題——振動過大、側翻、脫槳諸如此類；然而，整個飛行測試出乎意料的成功，除了確實存在「可接受範圍內」的振動問題之外，其他一切正常，「單槳旋翼測試」圓滿成功。這一次的成功給了研製團隊莫大的鼓舞，激勵他們繼續推進「收放式旋翼」飛行器的研製工作。
圖——安裝單槳旋翼的R-4正在進行飛行測試
從1949年開始，西科斯基的研發團隊正式開始設計收放式旋翼飛行器的具體方案，該型飛行器擁有一副獨特的旋翼系統，旋翼系統要能夠為其提供足夠的升力來支持它垂直起飛，但是到了前飛階段，該飛行器的旋翼系統必須要能夠空中停轉，然後收縮到機體內部，從而「轉換為」一種類似於常規固定翼飛機的飛行器，直到降落階段，再將旋翼從機體中釋放出來，最終實現垂直降落。在那個年代，提出這種相當超前的「概念設計」是相當具有前瞻性的，而西科斯基的工程師從這時候也已經認識到：對於未來的飛行器而言，將垂直起降能力和高速飛行能力結合到一起是存在可能的！
圖——收放式旋翼飛行器的設計三視圖
可惜的是，當時航空界的研究主要還是通過「製造——試驗——糾錯——再製造」這樣的試錯性方式來打造飛行器的，這種方式對於要打造一型「未來式飛行器」的西科斯基團隊而言，顯然是不合適的，他們必須對相關的技術和分析手段（比如說結構受力分析、旋翼氣動載荷和振動分析等等）進行探索，才能在此基礎上開展收放式旋翼飛行器的研究。為此，從1951年到1958年，西科斯基的研究團隊一頭扎進「技術的海洋裡」，瘋狂探索打造一型「可變形飛機」所需要的種種技術知識和手段。這種研究同樣非常需要大量經費的支撐，美國空軍就是當時西科斯基的「金主」，他們在「收放式旋翼」的概念上與西科斯基公司籤署了兩份研發合同，以此來支持西科斯基的研發團隊持續推進相應的研究工作。
美軍的支持，項目的進展與終止
事實上，早在50年代初，美國空軍和陸軍就展開了一項聯合設計競賽，該競賽的目的就是從多家「轉換式飛機」方案的參賽者中選出一家的方案來給予經費支持，將其從概念設計階段推進到原型階段，其中包括初步設計、風洞測試和模型製造。美軍當時是希望這種新式飛行器能夠用於偵察和間諜任務，並且希望探索該技術是否能夠應用到大型飛行器上。經過多輪競標，西科斯基公司的「收放式旋翼飛行器」方案入選了，並被美軍定型為XV-2，同期入選的還有麥道公司的XV-1複合式直升機和貝爾公司的XV-3傾轉旋翼機。
圖——麥道公司的XV-1原型機，可謂是複合式直升機的鼻祖
為了設計出布局最優的飛行器，西科斯基的研究團隊嘗試了多種旋翼和推進系統。在50年代初，燃氣輪機的技術尚且不成熟，受限於這一困境，研製團隊遲遲未能找到性能合適的動力系統。研製團隊也嘗試過噴氣驅動式旋翼系統，但是由於其槳盤載荷過小而難以實現，最終也放棄了。不過儘管西科斯基的團隊很多初期設計都被放棄，但是該機特有的單槳旋翼系統卻一直保留了下來，這主要是因為對於一副要收縮到機體內部的旋翼系統而言，單片槳葉的設計確確實實是最方便的。
圖——西科斯基內部代號S-57的轉換式飛機概念圖
經過1951年到1953的艱難探索和試錯之後，XV-2終於定型了，最後的設計方案本質上是一架噴氣式飛機，但是附帶了一套單片槳葉帶額外配重的，通過高壓噴氣發動機驅動的旋翼系統。這樣的設計能夠確保旋翼能夠在高速飛行中停止轉動，並收縮到機身內部，這樣一來，該機就真正意義上同時具備直升機和飛機兩種飛行器的特點了。同時為了防止旋翼在低轉速的時候過度揮舞，工程師設計了一套鎖死機構，能夠保證其旋翼系統的揮舞鉸在旋翼轉速較低（低於標準速度的1/4）的情況下自動鎖死，從而規避揮舞過大的問題。可是這樣一來，在揮舞鉸鎖死的情況下，旋翼旋轉產生的力將會剛硬地傳遞到機身上，致使機身存在俯仰和滾轉運動的趨勢，這對於要空中停轉和啟轉的飛行器而言是相當危險的。為此西科斯基的工程師又針對性提出了一種措施：為實現空中停轉，在關閉旋翼動力之後只調整旋翼的槳距，使其進入「零升力」狀態，這樣旋翼的型阻力就能使其逐漸停止轉動，而零升力的槳葉本身不存在揮舞運動，也就不至於產生力矩傳遞到機身。反過來，對於零升力狀態的旋翼，只要啟動動力系統，讓其轉速超過揮舞鉸鎖死的臨界速度，隨後調整旋翼槳距就能讓其重新產生升力。
圖——XV-2的設計細節圖
1953年的時候，西科斯基的團隊完成了全尺寸旋翼的製造工作，並開始進行戶外測試，已驗證噴氣驅動的噴嘴、管道是否安裝正確，同時也要對整體的氣動性能和結構完整性和強度進行驗證。驗證完成之後，該旋翼系統被運往美國空軍的賴特菲爾德基地進行風洞試驗，在風洞試驗中，試驗團隊對照旋翼尺寸給其配了機身，以此來驗證旋翼和機身之間的相互幹擾，並且對了工程師所設計的揮舞鉸鎖死系統進行了全方位的測試。
圖——1953年，風洞中測試的XV-2模型
試驗結果表明，XV-2的方案從理論上來說是可行的，但是實際工業水平卻無法支撐這一超前的概念，而實際製造和操縱的複雜度以及可能會研製失敗的風險也讓美軍望而卻步，從而使他們將更多的重心轉向可行性更高的XV-1和XV-3，直至最後，XV-2宣告終止。
圖——儘管XV-2最後失敗了，但是西科斯基的工程師仍在報告中表示「收放式旋翼」是一種經過驗證的切實可行的方案
儘管西科斯基公司的這一設計非常優秀，但是由於當時的工業製造技術和動力傳動系統的實際性能沒能趕得上設計的水平，而且該機的操縱控制系統對當時的飛行器而言也是「難度超標」了，加上美軍經費的收緊，這一傑出概念就此中止，甚至都沒能走到原型機打造的地步，最終只留下了一臺模型、幾張圖紙和幾篇報告而已。