PaperClip × dyson 直升机、斯特塔管与吸尘器

这是美军现役最大的直升机， CH-53E “超级种马”，重达 15 吨，有 7 根旋翼，翼展长达 24 米。它能承载 37 名士兵，并吊起与机身同等重量的货物或武器。

但强劲的动力意味着它在起降时会扬起巨大风沙，而这些风沙就可能侵入发动机引发故障让直升机直接报废。所以它必须装配一种特殊的“吸尘器”，称为 EAPS 发动机空气颗粒分离器。

这种“吸尘器”是怎么工作的？又如何保障直升机的飞行安全？

首先，我们得先了解直升机的旋翼结构。

一般来说，直升机在顶部会有一个主旋翼，包含多个叶片。叶片与水平面成一定的夹角，在高速旋转时切割空气，让叶片上方的空气流速快于下方，进而使叶片下方受到的压强大于上方，产生垂直向上的升力，让直升机起飞。

像 CH-53E 这种重型直升机，旋翼转速可达每分钟 180 转甚至更高，全靠这样一台自由涡轮式涡轮轴发动机提供动力。

在启动时，空气首先进入压气机，压气机和高压涡轮通过一根空心轴套在动力轴外，气体经过压气机旋转的转子和固定的静子叶片，逐级增压。

中温高压的气体向两侧进入导管，瞬间吞没燃烧室，与雾化燃料结合燃烧，并将气体推向涡轮，产生的高能燃气通过翼型的涡轮叶片，使涡轮带动传动轴转动。

高速转动的传动轴接入减速器，降低到最优转速带动直升机旋翼进行旋转，进而产生升力。

CH-53E 上的 3 台通用 T64-GE-416 涡轮轴发动机，总功率高达 9810 kW ，相当于 75 辆汽车。且可以看到，这种发动机结构非常依赖大量空气的流通。

而面对复杂的工作环境，在直径 200 微米，浓度为中等水平 0.03 g/m³ 的沙尘环境下，一台功率为 745 kw 涡轮轴发动机在不加防护的情况下，寿命只有 10 小时。

1967 年，CH-53 的历史机型 CH-53A 在越南战场上，就曾频繁因发动机吸入沙尘而停飞，发动机平均更换寿命仅为 80 小时 。

之后，直升机开始装配毛毡、泡沫塑料、滤网等制作的阻拦式过滤器，一举将平均更换寿命提升到了 800 小时 ，但过滤的同时加大了进气阻力，在恶劣环境下，滤网的寿命极低，需要经常更换清洗。

那么怎样才能保证在满足进气量的同时，又能除去空气中的沙尘，且无需频繁维护呢？

20 世纪 60 年代，美国的唐纳森公司为直升机设计了一种气旋分离器，称为斯特塔管，长这样，当混有尘土的空气进入管内后，在螺旋气室的作用下会形成强大的旋转气流。根据向心力公式：

F = m * r * ω^2（F = 向心力，m = 物质质量，r = 半径，ω = 角速度）

在进入速度不变的情况下，质量越大的物体，向心力越大，离心力也越大。这样一来，质量较大的杂质和尘土就会被甩到管壁外围的出口离开管道，掉入最外侧的集尘网中，从而过滤空气。

在 CH-53A 的后续机型 CH-53D 中，你就可以看到这种发动机空气粒子分离器，它共有 759 根不同尺寸的斯特塔管，排列成多层，用来分离直径不同的颗粒。

这种管状气旋分离器不仅拯救了直升机，今天你还可以在各种越野车、坦克、气垫船上看到它。

而除了军事用途，这种气旋分离器同样可用于吸尘器，毕竟，它本来就是拿来除尘的。

传统的真空吸尘器其实面临着和直升机同样的问题：风扇旋转制造内部真空，将尘埃随着气流进入吸尘器桶体内，经过集尘袋过滤，尘垢留在集尘袋，净化的空气则回到室内。

但使用一段时间后，小尺寸的微尘会堵死集尘袋，降低吸力、影响过滤效果。不得不更换才能恢复性能。

英国工程师詹姆斯·戴森通过同样的原理发明了全球第一台双气旋无尘袋吸尘器。

首先，空气通过第一个气旋，将大尺寸颗粒物分离到最外侧的集尘桶内，然后气体从中央的气旋流出，这种不依赖滤网的结构大大增加了吸尘器的效率和使用寿命。

2002 年，戴森采用了多层锥体分布方式，在有限的空间里安装了更多小锥体，将多个小圆锥代替单一大圆锥气旋，向心力公式告诉我们，通过缩小圆锥直径，风速和离心力都将增加，从而分离空气中直径更小的颗粒物。

作为第一个将气旋技术引入家庭清洁，颠覆了吸尘器行业的品牌，戴森持续地创造着技术革命。2013 年上市的圆筒吸尘器（Dyson Cinetic Big Ball），锥体数量提升至了惊人的 54 个。

并且搭载全新的微振气旋分离技术（ Dyson Cinetic Cyclones ），将叶片末端设计成柔软灵活的状态，在气流进入时，叶片会以 5000 赫兹频率发生振荡，避免阻塞，这样的结构使得叶片永不磨损，实现了无需清洗，也不会损失吸力的效果。

这就是戴森一直所做的努力，在用工具解放你的双手同时，也在解放工具本身。