美國海軍的X-22是作為 V/STOL(垂直/短距起降飛機)專案開發的。它被證明是眾多V/STOL飛機中功能最多、壽命最長的飛機之一。它還是唯一一架從一開始就將可變穩定性系統納入基本設計的飛機。
X-22採用雙串聯涵道風扇配置,使飛機可以實現限定重量內更短的翼展,更好地適應航母升降機的尺寸,並可以除去複雜的機翼摺疊機構。另外,環繞四個螺旋槳的涵道設計不僅可以提高發動機推力,還可以為狹窄飛行甲板上的工作人員提供一個安全的環境。
四個涵道風扇的垂直起降運輸機
1962年11月,海軍與位於紐約尼亞加拉瀑布的貝爾直升機公司簽訂了一份價值 2750萬美元的合同,用於設計和開發兩架原型機。貝爾給予該機的內部編號是 D2127。擬建的X-22將是一架小型V/STOL運輸機,有效載荷540公斤。作為商業運輸時,最多可搭載6名乘客。它的長度和翼展均略高於11.9米,最大總重量為7530公斤。
X-22 配備了四個涵道風扇,可在各種飛航模式的垂直和水平位置之間一同旋轉。四臺通用電氣的YT58-GE-8B/D渦輪軸發動機,每臺額定功率為1250馬力,成對安裝在每個機翼根部。它們為一個共同的傳動軸提供動力,以驅動所有四個風扇。發動機上的“B”和“D”代表兩個不同的油門控制,可在懸停模式和巡航模式之間自動切換。機身內部油箱可裝載465加侖燃料。
X-22的動力傳輸裝置由十個齒輪箱組成。它們將發動機的標準轉速從每分鐘19,500轉降低到螺旋槳所需的標準轉速-每分鐘2,600轉。這種設定還可讓所有四個螺旋槳在任何數量的發動機故障或意外關閉的時繼續旋轉。
漢密爾頓標準(Hamilton Standard)公司製造了這些螺旋槳。它由三個直徑2.1米玻璃纖維葉片組成,裝在鋼製軸心上,比全金屬螺旋槳輕了25%,但疲勞強度卻是其三倍。鎳護套安裝在前緣上。將螺旋槳安放在涵道內實現了非常高的螺旋槳效率,這樣X-22使用三臺發動機仍可起飛,只使用兩臺發動機也能飛行,只剩一臺發動機時還能進行常規降落。
液壓作動器負責涵道裝置的旋轉,而機械和電氣互連確保所有涵道能同時旋轉。X-22 的涵道裝置處於垂直狀態時飛機便能垂直起飛,當它們向前轉,飛機就過渡到翼載飛行。由於搭載前面兩個涵道的支撐翼面較短,此時它們就成了最早的鴨翼,這對於1960年代來說還是相當新穎和激進的(實際上並非如此,萊特兄弟的第一架飛機也是鴨式設計!)
所有四個螺旋槳透過改變槳葉角度則可以獲得非常快速和精確的推力控制。而將升降副翼安放在螺旋槳之後,使其在低空速下也非常有效。X-22雖然安裝了垂直尾翼,但沒有方向舵,因為依靠升降副翼的運動和螺旋槳俯仰的變化就可以實現所有飛行姿態。
水平飛行的控制是使用傳統的俯仰和滾轉控制桿來實現的。偏航則是透過方向舵踏板改變螺旋槳葉片角度以產生不同的推力來實現的。每個發動機還有油門和控制噴口角度的槓桿。在向前飛行時,前部涵道從水平面向上旋轉3度,後部涵道則旋轉到水平面以下2度,兩對涵道呈現5度的最佳入射角。
在懸停時,飛行員使用相同的控制桿來控制俯仰和傾斜運動。操縱桿上的力度傳輸會使飛行控制計算機操縱螺旋槳葉片角度的微小變化以改變推力,從而使X-22向前、向後飛或向側面傾斜。飛行員還可以旋轉噴管以在懸停期間幫助前後移動。
開創的可變穩定性系統
X-22的飛行控制還包括一個可變穩定性系統。這是另一臺飛行控制計算機,它可以生成其他飛機的特性,無論是真實的還是想象的。按照今天的術語中,它被稱為飛行模擬器。由於每架飛機都是獨一無二的,都有自己的飛行特性。可變穩定性系統是按照每次測試而開發並程式設計到計算機中的演算法來運作。他們產生額外的控制面運動,導致 X-22 的飛行特性發生變化,從而產生不是X-22機身特徵的運動,而是被模擬飛機的。這使X-22能夠進行適用於範圍廣泛的其他飛機的研究。
紐約州布法羅市的 Calspan 公司(當時稱為康奈爾航空實驗室)設計了這套可變穩定性系統。Calspan在為空軍開發和操作飛行模擬器方面有著悠久的歷史。然而,將可變穩定性系統融入飛機系統之中卻對貝爾的設計產生了一些挑戰。例如,任何飛行控制都必須幾乎沒有滯後。要理解滯後現象,想象一下飛行員移動然後鬆開操縱桿。當他的手從操縱桿上移開後,操縱桿可能無法回到確切的起點,這是機械連線和鉸鏈中的摩擦或機身表面不規則的結果。滯後是對移動元件從其原始起點結束的距離的度量。對於普通飛機,百分之幾的誤差是可以容忍的,並且很容易被飛行員補償。然而,為了使可變穩定性系統正常執行,滯後必須幾乎為零,以便計算機知道控制元件的精確位置。貝爾工程師在他們的設計中考慮了這一要求和其他 Calspan 要求,以確保 X-22 在可變穩定性程式中正常執行。
在可變穩定模式下,左側座位的飛行員會體驗到不同的飛行特性。而右側座位的飛行員則擔任安全助手。當發生緊急情況需要從左座飛行員手中接管控制權時,安全飛行員總是確切地知道將要面對的飛行特性。
不幸的先驅
第一架X-22,尾號1520,於1965年5月25日下線,隨後在試驗檯上進行了 50小時的推進試驗。直到1966年3月17日才進行了首次懸停模式飛行。在這 10 分鐘的飛行中,共進行了4次垂直起降和180度的轉向試驗。然後,它在涵道傾斜30度的情況下進行了一系列垂直起飛和著陸測試。不幸的是,第一架X-22在1966年8月8日的第15次飛行中損壞並無法修復。當時它發生了雙重液壓故障。飛機在著陸中斷成兩半,好在飛行員均未受傷。這個事件給出了一個關於雙冗餘原理的有趣例子,因為兩個系統是相同的,並且在幾分鐘內先後發生相同的故障。涵道中使用了旋轉接頭以向升降舵動作器提供液壓油,但兩者都因過度振動而失效。改進工作包括用軟管環替換旋轉接頭,用不鏽鋼製成的液壓管路替換鋁製液壓管路,並在液壓管路上放置額外的夾子以最大限度地減少振動。
第二架X-22,尾號 1521,於1967年1月26日首飛。來自貝爾、陸軍、海軍和空軍的飛行員在接下來的幾年中進行了頻繁的飛行。1971年1月它完成了三軍測試。這架X-22完成了228次、125小時的飛行,400多次垂直起降、200多次短距起降、250多次飛航模式轉換。它還在2440米的高度盤旋,並達到507公里/小時的最高速度。這些飛行表明X-22具有良好的基本穩定性,垂直起降可以輕鬆進行。地面效應飛行時雖然有些不穩定,但仍然是積極的。懸停比大多數直升機更容易。在水平飛行中,飛機對飛行員控制桿的動作響應都非常好。飛航模式的過渡是在飛行員最小工作量下完成的。他可以精確控制著陸位置。飛機的穩定性增強系統在過渡和懸停期間極大地幫助了飛行員。這架飛機在增強系統關閉的情況下仍然是可控的,但飛行員的工作量會顯著增加。
由於海軍對基本操作感到滿意,他們於1970年7月與康奈爾航空實驗室(Calspan)簽訂了使用 X-22進行飛行研究的合同,並強調其在可變穩定性模式下的操作試驗。在接下來的十年中,Calspan 完成了五個測試專案。
然而到最後一個研究專案完成時,軍方已經對 V/STOL 研究失去了興趣,海軍內部的X-22辦公室也解散了。Calspan雖努力尋求增加研究計劃,但他們最多隻是讓海軍試飛員學校在1981年和1982年期間用這架飛機為學員進行一些 V/STOL演示飛行。這架飛機於1984年10月進行了最後一次飛行。如今它被紐約尼亞加拉航空航天博物館收藏和展示。