受经济和技术等因素的影响,从1924—1934年的十年时间里,直升机的发展应该说并无突破,进展缓慢。然而,东方不亮西方亮,恰恰也是这一时期,另一种飞行器发展得相当迅猛,这便是自旋机,这种飞行器到了1934年其技术甚至已达到十分成熟的阶段。
为什么要提到自旋机呢?这主要是因为这种飞行器的技术后来基本都被运用到了直升机上,不仅如此,它甚至在直升机的发展过程中,扮演了不可或缺的角色。事实上,所谓的自旋机,起初的概念就是采用旋翼自动旋转降落的能力,来提供飞机在低速和飞行失去动力时的飞行安全,因此最原始的自旋机便在飞机上加装了旋翼,以利用其自动旋转降落的功能,正因为有这个特点,让它缺失了垂直升降飞行的能力。当然,后来也有人给自旋机的旋翼加上动力,然后在地面上先确保旋翼在无翼片倾角的情况下超速旋转,这一方面为飞行器储存了可观的动能,另一方面也令飞行员在突然增加翼片倾角的时候,能轻松升空飞行,这种方法后来被人称为“跳跃升空”。
早期自旋翼直升机
1919年,西班牙人胡安·德拉西瓦设计出一架这样的飞机,可惜在靠近地面飞行时因失速而坠毁。这一事故让他对飞机低速起飞及降落能力产生兴趣,而飞机低速起飞及降落的关键原因在于是否能设计出一种在低速状态下,具备高升力、低阻力的机械。
后来,在旋转翼模型的风洞实验中,他发现在无动力的情况下,如果旋转翼往后倾斜,甚至在低速情况下同样具有高升力、低阻力的特点,且最佳结果是在飞行器低速状态下,旋转翼能保证一定的正倾角。
由此,他于1922年将一种五个翼片的旋转翼装在了飞机上。最初,飞机的翼片直接固定在旋转翼轴毂上,当飞机前进时,其因旋转翼升力的不对称而有向旁边翻落的倾向。为此,他改用较柔性的棕榈材料做成翼片来进行替换,这样,一下子让他茅塞顿开,原来成功的飞行完全在于柔性翼片的使用。正是有了这样的发现,让他在之后的设计中大胆运用活节式旋转翼。同时,也使他成为世界上第一个在旋转翼飞行器上成功运用翼片扑动插销的科学家。
在获得上述发明后,为避免飞行器在达到一定飞行高度后机体产生振动,他还在自己设计的自旋机翼片前后移动的方向上加装了新的吸振器。这种崭新的设计理念,同样也成为后来飞机的设计者们为避免直升机发生“地面共振”而必须采用的装置。
“地面共振”,就是当直升机停在地面,而旋转翼仍在继续旋转时,翼片在前后方向移动过程中的惯性力,它极易造成转动轴上周期性的水平力作用于机身,从而生成共振扭力。如果此力的频率与机身包括起落架的频率相同时,机身就会在瞬间承受巨大外力,一般只有几秒钟,便可将飞机摧毁解体。
1923年,胡安·德拉西瓦将四个具有扑动插销翼片的旋转翼安装于飞机上,该机的旋转翼直径为9.8米,由一台110马力的引擎带动,而自旋机的飞行控制则完全利用飞机的空气动力表面,飞机原有的螺旋桨则用来推进自旋机,此种结合的飞行结果取得成功,这极大地展现出直升机所具有的自动旋转降落功能。
不久,胡安·德拉西瓦正式建造了一架旋转翼直径为11米,并配置一台100马力引擎带动的自旋机,于1925年在英国皇家飞机航空局的飞行表演中进行了成功的展示,而该机“德拉·西瓦”也被称为第一架成功的自旋机。受这次展示的启发,英国人对旋转翼产生极大的兴趣。
1925年底,胡安·德拉西瓦在英国成立了自己的自旋机公司,并在十年间生产出近500架自旋机。不幸的是,在1927年的一次飞行过程中,有一架自旋机意外坠毁,后经研究发现,这次事故完全是由该机翼片在旋转平面上的不规则运动造成的。为此,胡安·德拉西瓦建议,在翼片上再加装一套前后运动插销,以确保翼片前后运动所产生的弯矩在正常范围之内,而这种被称为“活节式旋转翼”的设计,一直沿用至今。
1932年,胡安·德拉西瓦又采用直接控制旋转翼转动轴的方法,来操控自旋机的纵向及横向飞行,从而彻底取代了原本在低速状态下,以控制飞机气动表面为手段的落后操控方法,进而再次取代了胡安·德拉西瓦的直接使旋转轴倾斜的方法。
在此期间,美国人克威尔福德所制造的一架自旋机,也采用了翼片循环倾角的控制方法,唯一的不同在于旋转翼为无插销式旋转翼,其翼片运动所产生的力量由翼片里的梁来承受而非插销。
在之后的三年时间里,自旋机的发展逐步成熟,这也远远领先于直升机的发展,分析其原因,主要是旋翼不需动力或只需很小的动力便能达到低速起飞、降落及飞行的目的,再加上旋转翼的机械构造相对简单,问题的解决亦较容易,功能转换快捷等都保证了自旋机发展的成功与迅猛。
总之,作为一种沿袭飞机的技术,自旋机虽然无法和直升机媲美,但它在发展过程中解决问题的技巧及思路,对随后研制的直升机的起飞、发展做出了突出的贡献。尤其是在20世纪20年代,由自旋机旋转翼而衍生出的旋翼理论,更是为后来直升机的设计、飞行理论的建立创造了条件。