美国海军的X-22是作为V/STOL(垂直/短距起降飞机)项目开发的。它被证明是众多V/STOL飞机中功能最多、寿命最长的飞机之一。它还是唯一一架从一开始就将可变稳定性系统纳入基本设计的飞机。
X-22采用双串联涵道风扇配置,使飞机可以实现限定重量内更短的翼展,更好地适应航母升降机的尺寸,并可以除去复杂的机翼折叠机构。另外,环绕四个螺旋桨的涵道设计不仅可以提高发动机推力,还可以为狭窄飞行甲板上的工作人员提供一个安全的环境。
四个涵道风扇的垂直起降运输机
年11月,海军与位于纽约尼亚加拉瀑布的贝尔直升机公司签订了一份价值万美元的合同,用于设计和开发两架原型机。贝尔给予该机的内部编号是D。拟建的X-22将是一架小型V/STOL运输机,有效载荷公斤。作为商业运输时,最多可搭载6名乘客。它的长度和翼展均略高于11.9米,最大总重量为公斤。
X-22配备了四个涵道风扇,可在各种飞行模式的垂直和水平位置之间一同旋转。四台通用电气的YT58-GE-8B/D涡轮轴发动机,每台额定功率为马力,成对安装在每个机翼根部。它们为一个共同的传动轴提供动力,以驱动所有四个风扇。发动机上的“B”和“D”代表两个不同的油门控制,可在悬停模式和巡航模式之间自动切换。机身内部油箱可装载加仑燃料。
X-22的动力传输装置由十个齿轮箱组成。它们将发动机的标准转速从每分钟19,转降低到螺旋桨所需的标准转速-每分钟2,转。这种设置还可让所有四个螺旋桨在任何数量的发动机故障或意外关闭的时继续旋转。
汉密尔顿标准(HamiltonStandard)公司制造了这些螺旋桨。它由三个直径2.1米玻璃纤维叶片组成,装在钢制轴心上,比全金属螺旋桨轻了25%,但疲劳强度却是其三倍。镍护套安装在前缘上。将螺旋桨安放在涵道内实现了非常高的螺旋桨效率,这样X-22使用三台发动机仍可起飞,只使用两台发动机也能飞行,只剩一台发动机时还能进行常规降落。
液压作动器负责涵道装置的旋转,而机械和电气互连确保所有涵道能同时旋转。X-22的涵道装置处于垂直状态时飞机便能垂直起飞,当它们向前转,飞机就过渡到翼载飞行。由于搭载前面两个涵道的支撑翼面较短,此时它们就成了最早的鸭翼,这对于年代来说还是相当新颖和激进的(实际上并非如此,莱特兄弟的第一架飞机也是鸭式设计!)
所有四个螺旋桨通过改变桨叶角度则可以获得非常快速和精确的推力控制。而将升降副翼安放在螺旋桨之后,使其在低空速下也非常有效。X-22虽然安装了垂直尾翼,但没有方向舵,因为依靠升降副翼的运动和螺旋桨俯仰的变化就可以实现所有飞行姿态。
水平飞行的控制是使用传统的俯仰和滚转控制杆来实现的。偏航则是通过方向舵踏板改变螺旋桨叶片角度以产生不同的推力来实现的。每个发动机还有油门和控制喷口角度的杠杆。在向前飞行时,前部涵道从水平面向上旋转3度,后部涵道则旋转到水平面以下2度,两对涵道呈现5度的最佳入射角。
在悬停时,飞行员使用相同的控制杆来控制俯仰和倾斜运动。操纵杆上的力度传输会使飞行控制计算机操纵螺旋桨叶片角度的微小变化以改变推力,从而使X-22向前、向后飞或向侧面倾斜。飞行员还可以旋转喷管以在悬停期间帮助前后移动。
开创的可变稳定性系统
X-22的飞行控制还包括一个可变稳定性系统。这是另一台飞行控制计算机,它可以生成其他飞机的特性,无论是真实的还是想象的。按照今天的术语中,它被称为飞行模拟器。由于每架飞机都是独一无二的,都有自己的飞行特性。可变稳定性系统是按照每次测试而开发并编程到计算机中的算法来运作。他们产生额外的控制面运动,导致X-22的飞行特性发生变化,从而产生不是X-22机身特征的运动,而是被模拟飞机的。这使X-22能够进行适用于范围广泛的其他飞机的研究。
纽约州布法罗市的Calspan公司(当时称为康奈尔航空实验室)设计了这套可变稳定性系统。Calspan在为空军开发和操作飞行模拟器方面有着悠久的历史。然而,将可变稳定性系统融入飞机系统之中却对贝尔的设计产生了一些挑战。例如,任何飞行控制都必须几乎没有滞后。要理解滞后现象,想象一下飞行员移动然后松开操纵杆。当他的手从操纵杆上移开后,操纵杆可能无法回到确切的起点,这是机械连接和铰链中的摩擦或机身表面不规则的结果。滞后是对移动组件从其原始起点结束的距离的度量。对于普通飞机,百分之几的误差是可以容忍的,并且很容易被飞行员补偿。然而,为了使可变稳定性系统正常运行,滞后必须几乎为零,以便计算机知道控件的精确位置。贝尔工程师在他们的设计中考虑了这一要求和其他Calspan要求,以确保X-22在可变稳定性程序中正常运行。
在可变稳定模式下,左侧座位的飞行员会体验到不同的飞行特性。而右侧座位的飞行员则担任安全助手。当发生紧急情况需要从左座飞行员手中接管控制权时,安全飞行员总是确切地知道将要面对的飞行特性。
不幸的先驱
第一架X-22,尾号,于年5月25日下线,随后在试验台上进行了50小时的推进试验。直到年3月17日才进行了首次悬停模式飞行。在这10分钟的飞行中,共进行了4次垂直起降和度的转向试验。然后,它在涵道倾斜30度的情况下进行了一系列垂直起飞和着陆测试。不幸的是,第一架X-22在年8月8日的第15次飞行中损坏并无法修复。当时它发生了双重液压故障。飞机在着陆中断成两半,好在飞行员均未受伤。这个事件给出了一个关于双冗余原理的有趣例子,因为两个系统是相同的,并且在几分钟内先后发生相同的故障。涵道中使用了旋转接头以向升降舵动作器提供液压油,但两者都因过度振动而失效。改进工作包括用软管环替换旋转接头,用不锈钢制成的液压管路替换铝制液压管路,并在液压管路上放置额外的夹子以最大限度地减少振动。
第二架X-22,尾号,于年1月26日首飞。来自贝尔、陆军、海军和空军的飞行员在接下来的几年中进行了频繁的飞行。年1月它完成了三军测试。这架X-22完成了次、小时的飞行,多次垂直起降、多次短距起降、多次飞行模式转换。它还在米的高度盘旋,并达到公里/小时的最高速度。这些飞行表明X-22具有良好的基本稳定性,垂直起降可以轻松进行。地面效应飞行时虽然有些不稳定,但仍然是积极的。悬停比大多数直升机更容易。在水平飞行中,飞机对飞行员控制杆的动作响应都非常好。飞行模式的过渡是在飞行员最小工作量下完成的。他可以精确控制着陆位置。飞机的稳定性增强系统在过渡和悬停期间极大地帮助了飞行员。这架飞机在增强系统关闭的情况下仍然是可控的,但飞行员的工作量会显著增加。
由于海军对基本操作感到满意,他们于年7月与康奈尔航空实验室(Calspan)签订了使用X-22进行飞行研究的合同,并强调其在可变稳定性模式下的操作试验。在接下来的十年中,Calspan完成了五个测试项目。
然而到最后一个研究项目完成时,军方已经对V/STOL研究失去了兴趣,海军内部的X-22办公室也解散了。Calspan虽努力寻求增加研究计划,但他们最多只是让海军试飞员学校在年和年期间用这架飞机为学员进行一些V/STOL演示飞行。这架飞机于年10月进行了最后一次飞行。如今它被纽约尼亚加拉航空航天博物馆收藏和展示。