一種新型可傾轉旋翼機概念設計研究

連 亮 盧欣欣 黃睿杰 高 濤

（江蘇工程職業技術學院 航空與交通工程學院，南通 226007）

現有的空氣動力航空器主要分為固定翼飛機和直升機兩大類。前者航程遠、水平飛行速度快，但是需要較長的起降跑道。后者不需要起降跑道，能夠在復雜地形條件下起降，但是因為推力是靠旋翼升力的水平方向分量實現的，故水平方向速度沒有固定翼飛機快。此外，因為直升機升力的產生是靠發動機驅動主旋翼產生而不是氣流經過固定翼產生，故耗油率或同樣飛行距離的耗電量比固定翼飛機多。在這種情況下，可傾轉旋翼機應運而生。世界上第一款成熟的可傾轉旋翼機是美國貝爾直升機公司研制的V-22 魚鷹。它既可以像雙旋翼橫列式直升機垂直起降，也可以像螺旋槳飛機水平飛行[1-2]。

雖然可傾轉旋翼機兼有固定翼飛機和直升機的優點，但是也因此導致這種構型的飛行器更加復雜，研發存在較多困難[3-4]。可傾轉旋翼機的旋翼和固定翼之間存在明顯的氣動干擾。機翼受到旋翼氣流沖擊，同時機翼表面氣流影響旋翼，對可傾轉旋翼機的有效載荷能力產生顯著影響[5]。可傾轉旋翼機需要通過傾轉機構（如圖1 所示）實現旋翼從水平到垂直的運動，對結構設計提出了高要求。兩臺發動機需吊裝在機翼兩端，對機翼強度同樣產生了不良影響[6]。因此，需要在前人的基礎上進一步改進可傾轉旋翼機的設計。

1 新型可傾轉旋翼機的結構方案

如圖2 所示，新型可傾轉旋翼機有四組旋翼，其中兩組安裝在機身上，兩組安裝在機翼端部。四組旋翼呈“十”字布局。載荷較大時，四組旋翼由兩臺發動機驅動，以產生飛行所需的升力或推力。每臺發動機都可以通過傳動裝置向四個旋翼輸送功率。兩臺發動機互相備份，當其中一臺發動機失效后，整架飛行器仍能夠有效運行不致于墜機，只是分配到各個旋翼上的功率會有所減少。載荷較小時，旋翼可以由四個電動機來驅動。電動機相比于發動機更容易控制轉速，加速性能也更好。

對于固定翼飛機，空速管通常安裝在機身頭部，因為此處氣流不受機身、機翼以及發動機的干擾。由于四個旋翼及其下洗流的存在，本方案將空速管布置在機翼中部，以避免受到旋翼的影響。為了減少水平巡航時前方旋翼對后方旋翼的氣動干擾，后方旋翼的安裝位置要高于前方旋翼。這一設計理念在CH-47支奴干等縱列雙旋翼直升機上已有應用。通常情況下，固定翼飛機的垂尾位于機身尾部垂直向上，用于控制飛機的偏航。本方案在機身上部布置了兩組旋翼，該旋翼在水平巡航狀態會產生尾流影響垂尾的氣動效率。因此，本方案將尾翼設計成“丫”字形，以避免尾翼受到其前方兩組旋翼的尾流的干擾。“丫”字形尾翼受飛行控制系統控制，既可以使飛機實現偏航動作，也可以使飛機實現俯仰動作。

傳統的固定翼飛機的機翼是固定不動的。V-22魚鷹可傾轉旋翼機的機翼固定不動，只有旋翼可傾轉，造成了旋翼與機翼之間存在嚴重的氣動干擾問題。為了克服這一問題，本方案的機翼有一部分是和左右兩旋翼一起偏轉的。如圖3 所示，機翼可偏轉部分的長度約等于旋翼半徑。這樣的設計使得無論在什么模式下飛行，機翼對旋翼下洗流的阻塞都是最小的。本方案的固有缺點在于機翼兩端的旋翼會對機翼帶來較大的彎曲力矩，需要對旋翼與機翼的結合部、機翼本身進行額外的結構加強。

新型可傾轉旋翼機的旋翼有兩種類型可供選擇：一類是槳葉角恒定不變；另一類是槳葉角可控可變。對于選裝了第一類旋翼的可傾轉旋翼機，安裝在機翼端部的兩組旋翼可以在傾轉機構的驅動下跟隨機翼可偏轉部分一起轉動，安裝在機身前后的兩組旋翼則始終保持旋轉軸線豎直向上。對于選裝了第二類旋翼的可傾轉旋翼機，可以通過四個旋翼同步變總距的方式實現可傾轉旋翼機的上升和降落，也可以通過周期變距的方式改變可傾轉旋翼機的飛行姿態。第二類旋翼變總距相較于第一類旋翼變轉速，具有轉速恒定、減速器的傳動比恒定等優點。第一類旋翼由電動機驅動，具有控制靈敏、重量輕等優點。新型可傾轉旋翼機也可將兩類旋翼混合使用，機身前后的兩組旋翼選用第二類旋翼，機翼兩端的旋翼選用第一類旋翼。這樣可利用第二類旋翼的周期變距協同第一類旋翼的傾轉運動，以產生更大的使飛行器向前飛行的推力。

作為無人機時，新型可傾轉旋翼機可根據需求靈活選擇搭載多種任務載荷，如三軸增穩云臺、廣角相機、紅外熱成像相機以及激光測距儀等。本方案采用模塊化設計，可實現快速拆卸和維護。拆解后的傾轉旋翼機大大縮小了橫向尺寸和縱向尺寸，可裝入鋁合金航空箱，方便長距離轉場運輸。本方案的機身大量采用比強度、比剛度高的復合材料，以達到降低機身重量、提高傾轉旋翼機續航能力的目的。本方案的旋翼采用已在無人機領域大規模應用的碳纖維材料。作為載人飛行器時，需要擴大新型可傾轉旋翼機的內部容積，但飛行器的基本構型不變，機身可采用固定翼飛機常用的鋁合金材料。

2 新型可傾轉旋翼機的控制方法

本新型可傾轉旋翼機的飛行模式和控制方法如下。

2.1 垂直起降

如圖4 所示，四個旋翼的軸都保持豎直狀態，可通過改變四組旋翼轉速或總距來增加或減少升力。起飛時，四組旋翼的轉速或總距同時增加。降落和起飛時，四組旋翼的轉速或總距同時減少。對于第一類旋翼：俯仰時，左右旋翼轉速保持不變，前后旋翼的轉速一增一減；橫滾時，左右旋翼轉速不同；左偏航時，順時針旋轉的兩組旋翼增加轉速，逆時針旋轉的兩組旋翼減少轉速；右偏航時，反之。對于第二類旋翼，可以使用周期變距的方式實現俯仰和橫滾。

2.2 過渡狀態

如圖5 所示，安裝在機身上的兩組旋翼的軸保持豎直狀態且轉速略有增加，以產生飛行所需的升力。同時，安裝在機翼端部的兩組旋翼在傾轉機構的驅動下向前傾轉，以產生飛行所需的推力。傾轉旋翼機在過渡狀態的氣動特性非常復雜，既需要計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）仿真模擬，也需要多次試飛驗證。過渡狀態的復雜性對傾轉旋翼機的飛行控制系統也提出了很高要求。本方案相較于V-22 魚鷹具有較高的穩定性和冗余度，能夠有效提高過渡狀態的飛行安全性，同時降低飛行員的操縱難度。

2.3 低速水平飛行

如圖6 所示，安裝在機身上的兩組旋翼轉速下降，由此導致的升力缺失由機翼的水平運動提供。飛機水平飛行所需的推力由安裝在機翼端部的兩組旋翼提供。該模式下，飛機的俯仰既可以由“丫”字形尾翼上半部分的偏轉動作來實現，也可以由前后兩組旋翼轉速一增一減來實現；飛機的偏航既可以由“丫”字形尾翼下半部分的偏轉動作來實現，也可以由左右兩組旋翼轉速一增一減來實現。

2.4 高速水平飛行

如圖7 所示，安裝在機身上的兩組旋翼停止轉動，并沿機身縱軸自鎖，以減少整架飛機的氣動阻力。安裝在機翼端部的兩組旋翼增加轉速，以提高飛機的飛行速度。較高的飛行速度會產生較大的升力，以維持飛機的水平飛行。高速飛行模式相較于垂直起降模式更節省能源，適合長距離飛行。該模式下，飛機的俯仰主要由“丫”字形尾翼上半部分的偏轉動作來實現，飛機的偏航主要由“丫”字形尾翼下半部分的偏轉動作來實現。

本新型可傾轉旋翼機由地面站控制。地面站安裝有專業的飛行控制軟件，后期還可融入人工智能技術，使可傾轉旋翼機能實現一鍵自動起降、失聯自動返航、自主跟蹤目標以及地形跟隨/規避等功能。地面站具備人性化交互界面，可實時顯示傾轉旋翼機的飛行狀態，并可根據實際任務需求添加航點和規劃航線。此外，地面站與可傾轉旋翼機之間采用雙冗余通信，以確保控制指令通暢。

3 新型可傾轉旋翼機的效果

探討的新型可傾轉旋翼機設計方案有效融合了直升機垂直起降和固定翼飛機長時續航的雙重優勢，能夠根據實際需要靈活切換飛行模式。它通過自鎖旋翼的方式減少了高速飛行時的氣動阻力，并經由“丫”字形尾翼的設計實現了傳統飛機水平尾翼和垂尾的雙重功能。相比于美國的V-22 魚鷹可傾轉旋翼機，本方案的偏轉機翼不存在對旋翼下洗流的阻塞影響。由于傾轉過程中仍有前后兩個旋翼提供升力，故垂直起降模式和水平飛行模式之間轉換的速度范圍也更寬。此外，提供相同升力的情況下，四個旋翼的直徑要比兩個旋翼的直徑小，使其亦可通過將左右兩個旋翼作為螺旋槳以滑跑的姿態實現起降。

所述新型可傾轉旋翼機既可用于無人機領域，如邊境巡邏、電力巡檢、野外搜救、森林防護等，也可用于載人飛行器。如果作為無人機，本飛行器可以在很大程度上代替傳統的巡邏、巡檢方式，大大減輕從業人員的工作強度和面臨的風險，顯著提高工作效率。此外，相比于步巡、車巡，無人機巡查具有杰出的靜音性能，通常飛行高度在200 m 以上時難以被目標察覺。如果用于通航，本飛行器可以不受地理條件限制實現起降，同時能實現比直升機更遠距離的航行，特別適合往返于海島、海上鉆井平臺與大陸之間。如果用于軍航，本飛行器既能像螺旋槳飛機一樣快速抵達航空母艦或兩棲攻擊艦，又能像直升機一樣在目的地上空長時間滯留以便突擊。