傾轉旋翼機的發展

尹昱康，王紅州，蔡恒欲，牟 星，湯中恒，葛朝廷

(合肥工業大學 機械工程學院， 合肥 230009)

眾所周知，在戰場上，時間、效率就是生命。全球通信發達的現代戰場，快速準確地運送戰略物資、作戰人員到指定地點，具有極重要的戰略意義。直升機具有能夠垂直起降的優點，對于無機場跑道的狀況非常適用。然而其巡航速度較慢，不能實現快速機動。固定翼飛機巡航速度快，卻需要較長的機場跑道。若機場跑道遭敵人破壞，性能再優異的固定翼飛機也無法顯現其優越性。在這種情況下，傾轉旋翼機應運而生。

傾轉旋翼機的出現是突破常規思維的巨大飛躍。在固定翼飛機和直升機的發展如日中天時，唯有大膽嘗試、善于創新才能另辟蹊徑。傾轉旋翼機是直升機和固定翼飛機的有機結合，不僅可以采用類似直升機垂直起降，且在空中又可以實現較高速度的巡航。可見，傾轉旋翼機在戰略運輸上具有很高的實際價值[1-3]。另一方面，也存在一些明顯的缺點及技術難題[4]，如在垂直飛行和懸停時旋翼-機翼間產生嚴重的氣動干擾[5]。

1 傾轉旋翼機的發展

傾轉旋翼機的發展歷史大致可分為兩個階段，即原型機研制階段和作戰實用型傾轉旋翼機研制階段。不同于普通的飛機和直升機，傾轉旋翼機是新的嘗試。其研制難度之大，花費時間、財力之巨都是很難想象的。在如今“一超多強”的全球格局下，只有美國有足夠的實力研發傾轉旋翼機。美國貝爾直升機公司是研制傾轉旋翼機的典型代表，其研究領域涵蓋軍民兩用，涉及武裝型和預警型等[6]。研制修改的過程是艱難曲折的，不過傾轉旋翼機的優點也在美軍實際使用中得到充分體現。

1.1 原型機研制階段

美國飛機設計師在考慮到普通直升機和固定翼飛機存在的缺點后，提出研制一種新型的介于直升機和固定翼飛機之間的飛行器。該類型飛行器在機翼兩側安裝巨大的傾轉機構，可以使螺旋槳從水平狀態平穩旋轉到垂直狀態。由于其既能夠像普通直升機一樣垂直起降，飛行過程中又可以將螺旋槳平穩過渡到垂直狀態為飛機提供拉力，該類型飛機稱為“傾轉旋翼機”，其三維模型如圖1所示。

美國的貝爾公司和波音公司聯合研制第一代傾轉旋翼機原型機XV-3，其主要用于驗證傾轉旋翼機的飛行原理是否可靠[7]。在其飛行測試階段，研究人員通過大量實驗，獲得許多數據，為其后繼機型奠定基礎。

在XV-3原型機之后，貝爾公司又研制了XV-15傾轉旋翼機[8]。XV-15傾轉旋翼機只生產了2架，研究人員同樣對其進行了大量的飛行試驗。在地面進行風洞吹風試驗，獲取機上各部位的相關參數。在空中進行了各類實戰中可能進行的活動，例如：空中加油、對地空投、發射各類導彈等。

美國軍方一直關注著貝爾公司和波音聯合研制的傾轉旋翼機發展狀況，對傾轉旋翼機的優點十分看重，認為其可以替代軍隊中較為落后的普通直升機。

1.2 實用型傾轉旋翼機研制階段

在獲得研制XV-3和XV-15原型機經驗的基礎上，貝爾公司和波音公司開始研制實用型傾轉旋翼機，即著名的V-22魚鷹[9]。

盡管研究人員在XV-3和XV-15研制過程已進行過大量飛行試驗，但新設計的V-22魚鷹傾轉旋翼機在各方面仍作出了較大的改進。新型的V-22魚鷹機身外形與普通固定翼飛機相似，機翼兩側加裝兩個較大的螺旋槳?？梢酝ㄟ^傾轉機構使螺旋槳實現傾轉動作，最大傾轉角度可達97°30′。

V-22魚鷹在空中巡航時，為獲得較高的速度，將兩個螺旋槳傾轉到垂直狀態，為飛機前行提供拉力，這種狀態類似固定翼飛機。而當其起飛時無較長的機場跑道時，可采取使兩個螺旋槳處于水平狀態，這時就可看做雙旋翼橫列式直升機，能夠實現垂直起降，特別適合于在海上作戰平臺起飛，且能空中懸停。事實上，不僅可以垂直起降，還可以像固定翼飛機一樣滑跑起飛。這時兩個巨大的螺旋槳需要傾轉一個斜度，但不能完全垂直，否則螺旋槳槳葉將打到地面[10]。

根據多次飛行測試的結果，雖然這期間V-22魚鷹也出現幾次致人死亡的事故，但其各方面優點仍使美國軍方給予高度評價。V-22魚鷹得以進入全速生產階段[11]。

2 傾轉旋翼機的技術特性

傾轉旋翼機具有諸多優點，其技術特性十分全面，能同時適應海陸空三軍不同的作戰需求。傾轉旋翼機兼具直升機和普通飛機的優點，飛行包線很寬，有很大的發展潛力[12]。此外，在全球反恐行動中能發揮較大的作用。

傾轉旋翼機依靠兩個巨大的螺旋槳，在螺旋槳處于水平狀態時，可像雙旋橫列式直升機一樣實現垂直起降。這大大降低了對于機場跑道的依賴性，對于海上作戰平臺空間十分寶貴，不必為滑跑留出空間。此外，在陸上機場也可滑跑起飛。

普通直升機雖然能夠實現垂直起降，但飛行速度慢。這對于戰略需求中的快速機動性而言無疑是重大災難，而傾轉旋翼機在兩螺旋槳處于垂直狀態時，可看作螺旋槳拉力固定翼飛機，故巡航速度遠高于普通直升機[13]。

相對普通直升機，傾轉旋翼機由于在巡航時不僅依靠兩個巨大的螺旋槳產生的拉力飛行，同時也利用自身機翼產生的升力飛行。因此，傾轉旋翼機在巡航時能到達更遠的范圍[14]。此外，可以搭載更多的燃料，實現長距離飛行而不需中間加油，這是普通直升機不能實現的。

3 傾轉旋翼機的研制難點

傾轉旋翼機不同于普通直升機和飛機，它具有螺旋槳旋翼和固定翼，且要根據需要實現螺旋槳旋翼的傾轉。因此，傾轉旋翼機相對普通直升機和飛機，研制難度更大，技術難點更加復雜。

由于傾轉旋翼機同時兼具旋翼和固定翼，其所受氣動力不同于普通直升機和飛機。旋翼和固定翼間存在明顯的氣動干擾，機翼受到旋翼氣流沖擊，同時機翼表面氣流也會影響旋翼，這兩者對傾轉旋翼機的有效載荷能力產生顯著影響[15]。當傾轉旋翼機垂直起降時氣動特性與普通直升機相似，巡航飛行時與普通螺旋槳飛機相似。李鵬等[16]基于CFD方法分別對傾轉旋翼的懸停、巡航、過渡3種典型飛行狀態進行了CFD分析。但旋翼在傾轉過程中的氣動特性復雜，需要運用多種方法對傾轉旋翼氣動特性深入研究。

傾轉旋翼機需要通過傾轉機構(如圖2所示)實現旋翼從水平到垂直的運動，這對結構設計提出很高的要求。由于兩臺發動機需吊裝在機翼兩側，對機翼強度同樣產生不良影響[17]。

由于其飛行動力學特性，在緊急情況下其螺旋槳不能像普通直升機在沒有動力來源的情況下旋轉[18-19]，存在很大危險性。楊喜立等[20]建立了傾轉旋翼飛機的數學模型，可對飛行控制系統設計提供幫助。在傾轉過程中，飛行狀態在很大的范圍內變化，飛行員易出現操縱困難。因此，需要安裝自動操縱系統輔助飛行員的駕駛，提高傾轉旋翼機的飛行安全性。

4 發展趨勢

目前傾轉旋翼機還未進入技術穩定期，沒有豐富的經驗積累。許多設計問題在飛行過程中才被發現，最大問題的是傾轉旋翼機在轉換模式時候的啟動，大部分傾轉旋翼機的事故都發生在此過程，如美國V-22“魚鷹”在轉換模式過程中螺旋槳的氣動特性不穩定，由此形成飛行器底部氣流不穩定，飛行器可能失去升力，這對飛行器是致命的。因此，需要對傾轉旋翼機轉換模式的氣動特性進行深入分析和掌握，采取一定措施穩定傾轉旋翼機底部氣流，不致使其失去維持飛行的升力。

盡管現階段傾轉旋翼機事故率較高，但隨著使用過程中對故障問題的發現及解決，傾轉旋翼機的事故率必然會大幅下降。由于傾轉旋翼機的固有特性，即兼具直升機與固定翼飛機優點，使得傾轉旋翼機有著很大發展前景。在軍用方面，配合傾轉旋翼機，軍隊可以作出更快的快速反應，將部隊投入指定的復雜戰場，經改裝后的傾轉旋翼機亦可對前線進行火力支援。在民用方面，各地城市不可能都擁有完善的跑道，常用客機無法到達的區域，傾轉旋翼機成為一個不錯的選擇。當然，在技術成熟的未來，傾轉旋翼機會換裝動力更為強勁的噴氣發動機，從而提高航速和載重量。

5 結論

傾轉旋翼機本身具備普通直升機和固定翼飛機的優點，可垂直起降、巡航速度快、航程范圍遠。在當今信息化時代，時間、效率無比重要，在戰場上實現快速調度是克敵制勝的重要條件。傾轉旋翼機執行任務時不要機場和跑道，生存能力強。另一方面，傾轉旋翼機仍需不斷完善。傾轉旋翼機無疑是未來軍民兩用的重要機型，占有重要地位。

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