S-97發動機排氣影響螺旋槳性能？西科斯基高速直升機的細節追求
在上世紀六十年代末西科斯基公司開始考慮“前行槳葉概念旋翼”（ABC Rotor；Advanced Blade Concept Rotor）飛行器的時候，他們對於這種新構型的複合式直升機的關注焦點主要還是在“共軸剛性雙旋翼系統”上，對於輔助推進裝置，他們的想法很簡單：夠用就行。
圖 1 XH-59A的出現見證了一種新構型高速直升機的誕生
於是在XH-59A——也就是西科斯基公司所打造的第一種共軸剛性旋翼複合式直升機——的打造過程中，研製團隊測試了多種複合推進裝置，其中不僅包括尾部推進螺旋槳，還包括掛載在機身兩側的噴氣發動機。
在強調輔助推進裝置推力的情況下，研製團隊甚至對這些“額外”輔助部件的重量性能估算不足，導致XH-59A在加裝輔助推進裝置之後，一度面臨超載（總重超過最大起飛重量）而導致無法垂直起飛，必須通過短距滑跑才能起飛的問題。
當然，這都是早期的略顯“粗放”的設計和“試錯型”製造過程中的小插曲，隨着西科斯基公司將“共軸剛性旋翼”技術推進到X2時代，共軸剛性主旋翼+尾部推進螺旋槳的總體佈局開始成為該系列複合式直升機的標配之後，故事的發展脈絡就開始變得更加清晰了。
圖 2 S-97的高速飛行能力和許多機動動作都是需要尾部螺旋槳來實現的
尾部推進螺旋槳的優化設計工作顯然已經成為該構型直升機的一項重點工作。
要進行優化設計，首先要進行的就是分析計算，對於常規空氣螺旋槳來説，由於其不存在揮舞/擺振運動（或者説幅度相當小可以忽略不計），也不存在這些運動和槳葉變距運動之間的耦合關係，所以其分析工作本質上來説是要比旋翼系統來得簡單一些。
但是這個問題在S-97直升機上卻又變得不一樣了，因為S-97複合式直升機的推進螺旋槳是位於該機的尾部的，換言之，在前飛過程中，螺旋槳系統將會受到主旋翼系統和機身等系統所產生的尾跡渦流的影響，從而使其氣動特性分析的複雜程度顯著提升。
圖 3 實驗測試中的S-97
等等，似乎還漏了什麼，沒錯，正如標題裏所説的：“發動機排氣”也會對尾部螺旋槳的氣動特性帶來一些改變。儘管我們在平時的研究過程中對於這個問題的關注並不多，但是其影響確實實實在在的。
在“美國陸航裝備現代化”大背景下，西科斯基、貝爾、波音等直升機巨頭在高速性旋翼飛行器的競賽已經進入了白熱化階段，可以説，如果不同的方案都能夠滿足需求指標，並且其性能相差不是那麼顯著的話，細節將會決定最終的成敗。我認為這也是西科斯基公司從小處着手，考慮這麼多設計細節的重要原因。
針對“發動機排氣對尾部螺旋槳的氣動影響”的研究，正是西科斯基公司挖掘細節的，也是本文的主要介紹內容，下面，請看正文。
圖 4 正文主體內容的大致脈絡
什麼是“發動機排氣”對尾推螺旋槳的影響？所謂“發動機排氣”對尾推螺旋槳的影響，其實從本質上來説就是一個發動機排出氣體與尾部推進螺旋槳之間的“氣動干擾”問題，雖然聽起來很清晰，但是這個問題卻比想象中要來的複雜一些。
圖 5 CH-53K直升機發動機排氣設計缺陷曾成為該機的一個關鍵性能問題
首先，發動機的排氣並不是直接影響到尾部推進螺旋槳的，它還會受到主旋翼的尾跡流場的氣動干擾影響，同時，飛行器機身上表面的幾何外形也會改變發動機排氣的向後運動和演變情況，從而都會對最終的結果帶來影響。
其次，在尾部推進螺旋槳前側，還存在水平尾翼和垂直尾翼，它們還有各自的操縱面（分別是升降舵和方向舵）這些部件的幾何特徵及其舵面偏轉的角度，實際上也會影響到尾推螺旋槳的氣動環境，從而影響其氣動特性。
總的來説，如果想要對這種新構型複合式直升機進行“發動機排氣對尾推螺旋槳氣動干擾”的研究工作，很多細節的考慮是必不可少的。
為什麼要研究“發動機排氣”對尾推螺旋槳的影響？新構型新設計勢必會帶來很多新的問題，對於常規直升機而言，其尾部是一個朝向側方的尾槳（也有一些會有朝向斜上方的側傾角，比如説黑鷹直升機），對於尾槳來説，發動機的排氣對其的影響並不是那麼顯著。
而對於S-97這樣的構型的複合式直升機來説，其發動機排氣與尾部螺旋槳之間的關係可以説是“正當其衝”，當大量的發動機廢氣從排氣口湧出之後，不得不考慮這些氣體對於位於其後方的氣動部件的影響，這些影響包括兩個方面，一個是氣動性能，另一個就是噪音。
圖 6 S-97一些獨特的飛行機動動作都需要尾部螺旋槳的參與
對於S-97直升機來説，其尾部推進螺旋槳的主要功能涉及到兩個方面，一個主要方面就是高速飛行的時候提供全機的主要推進力，從而實現高速飛行；另一個輔助方面就是改善全機的機動飛行能力，提供任意俯仰姿態的懸停、空中急停（此時螺旋槳就是空氣剎車）、姿態保持狀態下的倒飛等等。
從這段描述我們可以看出，在S-97的方案設計中，尾部推進螺旋槳其實是該機最重要的關鍵氣動部件之一，為了提高這一關鍵氣動部件的氣動性能，勢必要對影響其氣動性能的因素進行分析。
在噪音方面，這個現象的影響其實是相對弱一些，主要對應的是城市複雜環境中的突擊滲透和“巷戰”情況下對於匿蹤性能的要求，不過西科斯基公司的在S-97性能報告中曾經提出——在低速飛行的城市作戰中，該機的尾部螺旋槳甚至可以直接停車，從而全面降低全機的噪音水平，在這種情況下，發動機排氣對尾部螺旋槳的影響幾乎可以忽略不計了，所以目前針對這方面降噪的研究工作還是相對很少的。
西科斯基是如何展開相應的研究工作的？總的來説，西科斯基公司主要還是採用“計算流體力學“（CFD）方法進行的相關實驗，相應方法是基於成熟軟件建立的計算框架，其置信度是通過縮比模型的風洞數據和試飛數據來進行驗證的。我之前是準備詳細介紹一些西科斯基公司用來研究S-97氣動特性的CFD方法和研究內容，摶了一些文字，但是由於最近事務較多而不能完稿，暫且用這篇開個頭，會面慢慢補齊吧。
西科斯基公司在針對這一現象的CFD研究工作中，其主要工作是聚焦在對尾部螺旋槳及其周邊部件的幾何特徵細節的復現方面。研究人員仔細繪製了發動機排氣系統、水平尾翼和垂直尾翼等部件的操縱面的加入。
圖 7 S-97發動機排氣對尾部部件氣動干擾影響示意圖
為了將渦軸發動機的輸出邊界條件應用到排氣面的出口處，研究人員增加了朝上的排氣系統的排氣道和排氣道葉柵片的幾何形狀。葉柵片的加入，對於準確模擬發動機排氣口的流動分佈及其對飛行器和螺旋槳載荷的影響是至關重要的。至於方向舵和升降舵的幾何形狀（主要涉及偏轉角）則是根據每種配平狀態下的實際試飛數據來確定的。這些操縱面的幾何形狀是可以旋轉的，其網格也是根據不同的配平狀態各自獨立生成的。
圖 8 機身/主旋翼/螺旋槳氣動干擾分析（不含發動機排氣）
上面這張圖展示的是包含有主旋翼/機身/螺旋槳氣動干擾的流場模擬圖。下面圖 4展示的就是包含有發動機排氣的對尾部螺旋槳氣動干擾影響的流場模擬圖。這張圖片清晰展示了發動機排氣與螺旋槳槳葉進行相互作用的細節。
圖 9 發動機排氣與螺旋槳之間的氣動干擾示意圖
圖 5展示的是飛行器縱向中心界面的速度流場模擬圖，該圖對比了是否存在發動機排氣影響向下的螺旋槳尾流情況。上面的圖是沒有主旋翼的，但是有槳轂，下面這張圖就有主旋翼和發動機排氣了。從圖中可以看到最直觀的對比就是主旋翼的下洗流顯著改變了槳轂尾流的演變。使得槳轂尾流與發動機排氣一道對尾部螺旋槳帶來了更顯著的氣動干擾。
圖 10 有無主旋翼+發動機排氣狀況下尾部螺旋槳的速度場對比圖（上為無，下為有，空速130節，1節≈1.852公里/時，下同）
下面這張圖左側同樣是沒有主旋翼和發動機排氣的，而右邊則有，圖中展示的是阻力分佈情況，其計算規則就是計算阻力方向的表面壓強分佈。對比來看，可以發現平尾表面受力情況差異較大，其迎角顯然也有着顯著的變化。
圖 11 有無主旋翼+發動機排氣狀態下機體表面阻力分佈對比圖（左為無，右為有）
圖 12 模型對應縮略語説明表——AV指的是S-97機身，DP指的是“離散螺旋槳槳葉“模型，Exh指的是發動機排氣，VBM-MR指的是採用“虛擬槳葉模型”的主旋翼
下面這張圖展示了不同的部件組合對於螺旋槳時間平均效率的影響。圖中展示了三種不同的模型，其對應的縮略語可以參考上面的圖 7。從下圖可以看出，增加了發動機排氣之後，尾部螺旋槳的效率提升了一點，這是因為發動機排氣的加入使得螺旋槳入流減小導致的。而主旋翼的加入對於發動機效率的提升更大，這就是因為上文所提到的槳轂尾流在旋翼下洗流作用下與發動機排氣一起作用到螺旋槳軸流內，從而進一步降低了其入流佔比。
圖 13 相對螺旋槳效率對比圖
下面的圖 9和圖 10展示的是飛行器各個部件的升阻力示意圖。對飛行器各個部件阻力和升力方面影響最大的顯然就是主旋翼的下洗流作用。總的來説，飛行器的阻力增量是要大於發動機的升力增量的。此外，從圖中還可以看出，所受到的相對影響最大的要算是平尾的升力了，其升力由於受到主旋翼下洗流的作用，甚至改變了方向，而這個結論對於飛行器本身和主旋翼的配平計算都有着根本性的影響。
圖 14 飛行器各部件阻力示意圖
圖 15 飛行器各部件升力示意圖
一點簡單的總結
圖 16 總結的本質是對自己的激勵
總結其實都是些老生常談的東西，寫下來主要也是對自己的一些激勵吧。
總的來説，對於好的東西、優秀的東西、先進的東西，無非就是拿來主義，學以致用，“見賢思齊焉”。
首先是學，要學的是先進的技術方法和形成這種技術方法的內在邏輯。其實在西科斯基對於S-97的數值氣動分析研究中，他們並沒有採用自寫代碼這種方式來進行研究，而是採用了一套成熟的CFD分析軟件來進行自定義改造以此來形成自己的計算框架。
這樣做的好處主要還是採用一個經過驗證的方法模型可以大幅縮短開發週期和成本，並儘可能加快研究的進度。雖然由此可能會帶來一些“自由度”方面的缺失（比如説對於自身構型的某些特殊特點無法完美復現，比如説剛性旋翼的揮舞特點），但是西科斯基公司完全可以藉助縮比模型測試和試飛數據的修正來彌補這些小瑕疵。
對於我們來説，其中有一個關鍵點就是——邏輯懂了，那麼去哪裏找一款合適的成熟商用軟件呢？
其次是用，一方面是直接用西科斯基公司已經得出的結論來指導研究的前進方向，重複造輪子在某些情況下（比如純理論研究或者預先研究）實際上是沒有太大的必要的；另一方面就是用相應的先進的技術方法來進行研究，從內在邏輯出發，形成自己的方法體系。
學以致用往上走就是“創造和改進”，我認為主要就是“務實”地針對實際情況改造相應的技術方法，使其能夠實實在在與“本地”的研究內容相結合，如果這一步能夠順利走通的話，那麼在此基礎上創造出包含一系列“微創新”的改進方法也不是不可能。
願與諸君共勉。