傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)發(fā)展史話

曹素琴 王寶

什么是傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)？它的基本設(shè)計(jì)思想是：通過(guò)傳動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)裝在機(jī)翼翼端的兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)上的旋翼。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)位于垂直位置時(shí)，旋翼軸向上，由旋翼產(chǎn)生的拉力可使直升機(jī)垂直起飛。當(dāng)飛機(jī)需要巡航飛行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)連同旋翼軸一起傾轉(zhuǎn)至水平位置，使旋翼變成螺旋槳，此時(shí)，由旋翼產(chǎn)生拉力，機(jī)翼產(chǎn)生升力，以維持飛機(jī)水平飛行。

傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的發(fā)展并非一帆風(fēng)順，在過(guò)去的半個(gè)世紀(jì)里，共開(kāi)發(fā)研制過(guò)43種不同的型號(hào)，但多數(shù)以失敗而告終。只有貝爾公司成功地研制出了XV－3， XV－15及貝爾/波音V－22系列傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)。下面以XV－3、XV－15、V－22為例，將傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)發(fā)展歷程作一簡(jiǎn)單回顧。

XV－3，傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的雛形傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的研制始于50年代的貝爾XV－3。1951年，美國(guó)軍方提出“陸軍－空軍聯(lián)合作戰(zhàn)”計(jì)劃，貝爾直升機(jī)公司在空軍的支持下開(kāi)始研制XV－3傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)。當(dāng)時(shí)，美國(guó)一家飛機(jī)公司已開(kāi)發(fā)出一種輕型傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)“1G”模型，但該機(jī)由于旋翼系統(tǒng)的機(jī)械故障，試飛未能獲得成功。

貝爾直升機(jī)采用“1G”模型的設(shè)計(jì)思想，研制出兩架XV－3原型機(jī)。原型機(jī)的機(jī)身長(zhǎng)9.3米，旋翼直徑7米，翼展16米，全機(jī)總重量約為2218公斤（包括燃油、飛行員和機(jī)載設(shè)備），原設(shè)計(jì)總重為2131公斤。XV－3為單座，設(shè)置了向下彈射的飛行員彈射座椅系統(tǒng)。動(dòng)力裝置采用普惠公司的R985“小黃蜂”發(fā)動(dòng)機(jī)，功率為450馬力。

XV－3的第一架原型機(jī)于1955年8月進(jìn)行了首次飛行試驗(yàn)，但這次飛行僅試驗(yàn)了垂直升降模式。兩個(gè)月后，該機(jī)墜毀，未完成模式轉(zhuǎn)換飛行。貝爾公司不得不對(duì)第二架原型機(jī)進(jìn)行全面風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)。與此同時(shí)，飛行員也練習(xí)飛機(jī)模式轉(zhuǎn)換程序和起落架的收放。完成模式轉(zhuǎn)換程序需要20秒鐘，要求飛行員能熟練操縱槳距操縱桿和燃油控制桿。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)表明，XV－3旋翼系統(tǒng)存在氣動(dòng)彈性不平衡的問(wèn)題，為此，設(shè)計(jì)人員將XV－3的3片槳葉鉸接式旋翼系統(tǒng)改為2片槳葉半剛性旋翼系統(tǒng)。

XV－3的第二架原型機(jī)于1958年12月12日在愛(ài)得華茲空軍基地首飛，6天后，該機(jī)的兩副旋翼實(shí)現(xiàn)了90度完全模式轉(zhuǎn)換飛行，整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程僅需10秒鐘。該機(jī)累計(jì)飛行256次，完成了110次完全模式轉(zhuǎn)換。它以飛機(jī)模式飛行的最大速度可達(dá)213公里/小時(shí)，小角度俯沖速度可達(dá)287公里/小時(shí)。但是，由于愛(ài)得華茲空軍基地海拔高度的影響，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力以顯不足，因此XV－3沒(méi)能進(jìn)行懸停試驗(yàn)。

正如人們推測(cè)：XV－3采用的橫列式旋翼存在著不穩(wěn)定性，飛機(jī)的性能受到嚴(yán)格限制。1965年在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中，第二架原型機(jī)的旋翼與機(jī)身脫離，飛機(jī)以在風(fēng)洞中解體而告終。

但是，XV－3輕型傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的成功飛行試驗(yàn)，證實(shí)了傾轉(zhuǎn)旋翼概念具有強(qiáng)大的生命力，它必將引起美國(guó)航空航天局的關(guān)注。

XV－15，傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的進(jìn)步1972年，美國(guó)航空航天局和陸軍開(kāi)展了一項(xiàng)全新的、以渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)計(jì)劃。該計(jì)劃擬訂生產(chǎn)兩架原型機(jī)，耗資4000萬(wàn)美元。波音和貝爾公司分別提出設(shè)計(jì)方案。經(jīng)過(guò)全面評(píng)估，貝爾公司于1973年獲得此項(xiàng)合同。

貝爾直升機(jī)公司生產(chǎn)的第一架XV－15原型機(jī)，于1977年5月在得克薩斯州阿林頓機(jī)場(chǎng)完成首次懸停試驗(yàn)，在3個(gè)小時(shí)的短暫飛行后，該機(jī)進(jìn)行了多項(xiàng)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)以遙控方式在風(fēng)洞中進(jìn)行，以調(diào)查不同轉(zhuǎn)換飛行模式的情況和尋找動(dòng)力不平衡的原因。第二架原型機(jī)1979年4月23日進(jìn)行首次懸停試驗(yàn)，7月24日完成了直升機(jī)模式和飛機(jī)模式的相互轉(zhuǎn)換。到1986年，該機(jī)累計(jì)完成1500次模式轉(zhuǎn)換飛行。

XV－15的原型機(jī)最初采用T－34C渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力裝置，但實(shí)驗(yàn)證明，T－34C達(dá)不到高性能傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的要求。以后又曾采用過(guò)T－37發(fā)動(dòng)機(jī)，但在一次飛行試驗(yàn)中，由于這種發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)了故障，貝爾公司最終選擇了萊康明公司功率為1155千瓦的T53－TLCIK－4K渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)。試驗(yàn)中，XV－15飛機(jī)在短距起落時(shí)的最大起飛重量為6804公斤，水平飛行速度為555公里/小時(shí)，最大俯沖速度為639公里/小時(shí)，滑行速度為46公里/小時(shí)，滑行距離為61米，飛機(jī)能懸停，并能以74公里/小時(shí)的速度后退飛行。

1981年，第一架XV－15原型機(jī)代表貝爾公司和美國(guó)陸軍在巴黎航展上展出，它在連續(xù)11天的飛行表演中，給世界直升機(jī)協(xié)會(huì)留下了深刻印象。有兩天的飛行表演，XV－15都是當(dāng)天唯一進(jìn)行飛行表演的飛機(jī)。XV－15飛機(jī)在此次航展上卓越的、具有創(chuàng)造性的表演，促使了JVX，即后來(lái)V－22計(jì)劃的誕生。

XV－15的兩架原型機(jī)一直進(jìn)行著飛行試驗(yàn)，直至1992年第一架原型機(jī)失事。第二架原型機(jī)于1994年由美國(guó)國(guó)家航空航天局返回貝爾公司，用作民用傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的試驗(yàn)機(jī)并進(jìn)行聲學(xué)實(shí)驗(yàn)。

傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的成熟V－22“魚(yú)鷹”，1986年，美政府實(shí)施了“多軍種先進(jìn)垂直起落飛機(jī)”計(jì)劃，美國(guó)陸軍全面負(fù)責(zé)計(jì)劃的實(shí)施。不久，資金問(wèn)題迫使陸軍退出“多軍種先進(jìn)垂直起落飛機(jī)”計(jì)劃，該計(jì)劃轉(zhuǎn)而由海軍負(fù)責(zé)。

該計(jì)劃原型機(jī)最早定名為JVX，由貝爾和波音直升機(jī)公司聯(lián)合研制。第一架原型機(jī)于1988年5月出廠，1989年3月首飛，同年9月實(shí)現(xiàn)了模式轉(zhuǎn)換飛行。恰在此時(shí)，生產(chǎn)合同被美國(guó)國(guó)防部取消。事后來(lái)看，取消生產(chǎn)合同是明智之舉，當(dāng)時(shí)“魚(yú)鷹”還不具備生產(chǎn)條件，原型機(jī)存在許多設(shè)計(jì)缺陷，例如：V－22的座艙設(shè)施在遇到緊急情況時(shí)，不能及時(shí)、有效地為飛行員提供關(guān)鍵信息，座艙內(nèi)的儀表布局也與常規(guī)布局不一樣等等?？傊?，機(jī)身設(shè)計(jì)和儀表設(shè)置沒(méi)能借鑒以往的成功經(jīng)驗(yàn)，V－22并不適合軍用。

1992年6月，V－22的第四架原型機(jī)在維吉尼亞州失事。事故調(diào)查表明：飛機(jī)在模式轉(zhuǎn)化飛行時(shí)，右發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生故障。這次意外事故當(dāng)然不是傾轉(zhuǎn)旋翼概念的錯(cuò)誤，所以設(shè)計(jì)人員通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的改進(jìn)和增加保護(hù)措施，已避免了這類事故再次發(fā)生的可能性。

剩下的兩架原型機(jī)繼續(xù)進(jìn)行飛行試驗(yàn)。1995年，已退役的第二架V－22原型機(jī)與保留下來(lái)的XV－15參加了巴黎航展。波音/貝爾合作研制的V－22傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)在航展上大出風(fēng)頭，贏得眾人青睞。

V－22的空機(jī)重量為14433公斤，機(jī)長(zhǎng)17.5米，機(jī)高為6.4米，俯沖速度為556公里/小時(shí)，作戰(zhàn)航程大于853公里，動(dòng)力裝置采用艾利遜公司的兩臺(tái)T406－AD－400渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，單臺(tái)功率達(dá)4586千瓦，由于采用了這種低轉(zhuǎn)速、大功率的發(fā)動(dòng)機(jī)，因而噪音很低，這對(duì)軍用、民用都很有價(jià)值。

V－22的良好性能引起了美國(guó)軍方的極大興趣，美國(guó)各軍種紛紛訂貨，并提出了各自不同的設(shè)計(jì)要求。海軍陸戰(zhàn)隊(duì)把設(shè)計(jì)型號(hào)訂為“MV－22A”型，用于取代正在服役的CH－46和CH－53直升機(jī)，要求能以463公里/小時(shí)的速度飛行，執(zhí)行3700公里作戰(zhàn)半徑的戰(zhàn)斗任務(wù)，具體要能運(yùn)輸24名全副武裝的陸戰(zhàn)隊(duì)士兵，能有4540公斤的外掛重量的能力；海軍則把型號(hào)定為“HV－22A”，用于取代目前在海軍服役的HH－3直升機(jī)，要求能以463公里/小時(shí)的速度飛行，執(zhí)行852公里作戰(zhàn)半徑的戰(zhàn)斗、搜索和救援任務(wù)；海軍還提出一種反潛型，定型為“SV－22”，用于取代目前的固定翼飛機(jī)S－3“海盜”；空軍則把型號(hào)定為“CV－22A”，將用它為特種作戰(zhàn)部隊(duì)提供新的全球范圍作戰(zhàn)能力，要求能在任務(wù)半徑為1297公里的范圍內(nèi)運(yùn)輸12名特種兵，或能在463公里/小時(shí)的速度下，運(yùn)送1300公斤物資飛行1297公里；美國(guó)陸軍則同意以海軍陸戰(zhàn)隊(duì)的型號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)，但要改為比較適用陸上的作戰(zhàn)型，用來(lái)執(zhí)行多種戰(zhàn)斗運(yùn)輸任務(wù)。

1998年9月，V－22進(jìn)入生產(chǎn)型開(kāi)發(fā)階段，該階段的工作包括為期8個(gè)月的作戰(zhàn)評(píng)估，一個(gè)月的海上試驗(yàn)，以及對(duì)動(dòng)力裝置的驗(yàn)證。生產(chǎn)型V－22比原型機(jī)作了許多改進(jìn)，包括：儀表板、操縱桿、起落架定位裝置等，并加強(qiáng)了鋁機(jī)艙的結(jié)構(gòu)。目前4架V－22的生產(chǎn)型試驗(yàn)飛機(jī)已累計(jì)試飛約1000小時(shí)，在試飛過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)任何大的設(shè)計(jì)失誤與性能不良問(wèn)題。

1999年2月，貝爾公司開(kāi)始在阿馬里洛工廠總裝首架海軍用的生產(chǎn)型MV－22傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)，這標(biāo)志著生產(chǎn)型開(kāi)發(fā)階段的結(jié)束。同年5月，首架生產(chǎn)型MV－22交付美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)的VMMT204訓(xùn)練中隊(duì)，第二架于7月交付。

空軍的CV－22型的12項(xiàng)設(shè)計(jì)評(píng)審工作的最后一項(xiàng)，已于1998年12月完成。1999年4月，貝爾公司生產(chǎn)的第七架和第九架V－22被改裝成美國(guó)空軍特種作戰(zhàn)機(jī)型。CV－22的首架生產(chǎn)型樣機(jī)于1999年10月首飛，2000年將交付美國(guó)空軍，以進(jìn)行為期12個(gè)月的試驗(yàn)。

展望從最早的XV－3開(kāi)始，歷時(shí)近半個(gè)世紀(jì)，傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)技術(shù)才趨向成熟。現(xiàn)在，該機(jī)型已向民用發(fā)展。貝爾－609傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)就是軍轉(zhuǎn)民的一個(gè)成功之作，主要采用V－22軍用型的設(shè)計(jì)技術(shù)。

貝爾和波音公司在成功研制了具有兩副旋翼的V－22傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)后，又在此基礎(chǔ)上提出了研制具有四副旋翼的傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)設(shè)計(jì)方案，其目的是想用這種垂直起飛總重和最大有效載荷均為V－22兩倍的大型傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)作為老齡重型運(yùn)輸直升機(jī)和戰(zhàn)術(shù)運(yùn) 輸機(jī)的替代機(jī)種。這個(gè)計(jì)劃已經(jīng)引起了包括海軍陸戰(zhàn)隊(duì)在內(nèi)的一些用戶的興趣。預(yù)計(jì)在21世紀(jì)，傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)將全面投入使用，并將繼續(xù)得到發(fā) 展。■