海軍傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)技術(shù)和發(fā)展優(yōu)勢(shì)綜述

摘 要：傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)是一種介于無(wú)人直升機(jī)和固定翼無(wú)人機(jī)的新型無(wú)人機(jī)。它一方面具有垂直起降能力；另一方面還可以作高速巡航飛行，是未來(lái)無(wú)人機(jī)發(fā)展的趨勢(shì)之一。簡(jiǎn)要地介紹了“鷹眼”無(wú)人機(jī)的發(fā)展歷程和技術(shù)特點(diǎn)，綜合分析了傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)海軍傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)的發(fā)展優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：傾轉(zhuǎn)旋翼 無(wú)人機(jī) 固定翼 直升機(jī)

中圖分類號(hào)：V275.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2012）10（a）-0073-03

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，艦載機(jī)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中的地位越來(lái)越重要。但是普通艦艇受到空間、場(chǎng)地的限制，不可能有很長(zhǎng)的起降跑道，所以具有垂直起降功能的傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器越來(lái)越受到各國(guó)的青睞。

傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器是一種將固定翼飛機(jī)與直升機(jī)融為一體的新型飛行器，它既具有常規(guī)直升機(jī)的垂直起降和空中懸停能力，又具有渦輪螺旋槳飛機(jī)高速巡航飛行能力的旋翼飛行器。由于傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)獨(dú)有的動(dòng)力裝置和獨(dú)特的結(jié)構(gòu)布局，使其受到世界航空界的關(guān)注。

傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器的概念最早是由美國(guó)貝爾公司的工程師在二戰(zhàn)期間提出的，1955年，貝爾公司研制了第一架傾轉(zhuǎn)旋翼原形樣機(jī)XV-3，通過(guò)XV-3的飛行試驗(yàn)驗(yàn)證了傾轉(zhuǎn)旋翼飛行的可行性。隨后貝爾公司又相繼研制出了XV-15和V-22“魚鷹”傾轉(zhuǎn)旋翼飛機(jī)。隨著傾轉(zhuǎn)旋翼有人機(jī)的研制成功，以及航空電子尤其是飛行控制技術(shù)的發(fā)展，傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)的研制也提上日程，并得到了迅速發(fā)展，典型的傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)是美國(guó)的“鷹眼”無(wú)人機(jī)，如圖1所示。

1 傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)的發(fā)展及技術(shù)特點(diǎn)

1.1 傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)的發(fā)展歷史

最早的無(wú)人傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器是美國(guó)貝爾和波音直升機(jī)公司合作研究的D-340Pointer。1986年雙方合作研制V-22“魚鷹”傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器，利用V-22的技術(shù)產(chǎn)生了Bell/BoeingD-340Pointer（“瞄準(zhǔn)手”）無(wú)人飛行驗(yàn)證機(jī)，并于1988年完成了首次試飛。該P(yáng)ointer驗(yàn)證機(jī)采用盒形截面的機(jī)身，起落架沿用傳統(tǒng)直升機(jī)的滑翹式。1989年雙方結(jié)束了合作關(guān)系，而后，Bell公司繼續(xù)開(kāi)展自己的傾轉(zhuǎn)旋翼式無(wú)人飛行器“鷹眼”的技術(shù)研究。

“鷹眼”無(wú)人機(jī)是在美國(guó)國(guó)防部TRUS（Tilt rotor UAV System“傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)”）計(jì)劃下研制的垂直起降無(wú)人機(jī)。1993年7月10日，首架原型機(jī)TR-911開(kāi)始懸停驗(yàn)證試飛，7月16日在第六次試飛時(shí)著陸失敗并損壞。11月4日，第二架原型機(jī)試飛，不久它成功地完成了從垂直起飛到平飛和從平飛到垂直降落的轉(zhuǎn)換試驗(yàn)。1994年，由于一些原因TRUS研制計(jì)劃中止。1998年Bell公司在海軍合同支持下又恢復(fù)“鷹眼”無(wú)人機(jī)的飛行試驗(yàn)，并成功地驗(yàn)證了任務(wù)載荷、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、GPS導(dǎo)航、數(shù)據(jù)鏈路的試驗(yàn)。

“鷹眼”無(wú)入機(jī)于1998年3月開(kāi)始正式試飛，在當(dāng)年就飛行了40次，累計(jì)55.5h，飛行高度達(dá)到4450m以上，裝載了95千克任務(wù)載荷和燃油后的水平巡航速度可達(dá)到390km/h，并實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)目標(biāo)圖像傳送?！苞椦邸睙o(wú)人機(jī)的飛行試驗(yàn)表明，它能夠滿足美國(guó)海軍“無(wú)人機(jī)通用自動(dòng)回收系統(tǒng)”（UCARS）的要求，并達(dá)到“垂直起降無(wú)人機(jī)”項(xiàng)目的技術(shù)指標(biāo)，然而，在2000年2月的美國(guó)海軍項(xiàng)目競(jìng)標(biāo)時(shí)，勝出者卻是諾斯羅普·格魯門公司的“火力偵察兵”。盡管如此，貝爾公司還是繼續(xù)該計(jì)劃，并在2003年2月被美國(guó)海岸警衛(wèi)隊(duì)選中，用于它的“深水計(jì)劃”的垂直起降無(wú)人機(jī)系統(tǒng)部分，并簽訂了購(gòu)買合同，貝爾直升機(jī)最終將交付與“鷹眼”TR9l6相似的生產(chǎn)型號(hào)[3]。

1.2 傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)

所謂“傾轉(zhuǎn)旋翼”，簡(jiǎn)單地說(shuō)就是指飛機(jī)依賴旋翼的傾轉(zhuǎn)來(lái)調(diào)節(jié)飛機(jī)的飛行狀態(tài)。具體方案是在機(jī)翼兩端分別安裝發(fā)動(dòng)機(jī)短艙，內(nèi)部裝有渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)旋翼系統(tǒng)。該型飛行器的關(guān)鍵在于發(fā)動(dòng)機(jī)短艙可以繞機(jī)翼軸進(jìn)行由朝前到朝上以及由朝上到朝前的直角轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣就能改變旋翼推力的方向。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)短艙呈水平狀態(tài)時(shí)，旋翼就變成了螺旋槳，加上原有的一段機(jī)翼，飛機(jī)就變成螺旋槳固定翼飛機(jī)；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)短艙呈垂直狀態(tài)時(shí)，飛機(jī)就變?yōu)橐患茈p旋翼或者多旋翼直升機(jī)。性能上，傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)既有普通直升機(jī)的垂直起降和空中懸停能力，又有一般螺旋槳飛機(jī)的巡航飛行能力。所以傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)起降時(shí)，可免去起降跑道，具有直升機(jī)的靈活性，同時(shí)能作高速遠(yuǎn)程飛行，擴(kuò)大了飛行包線（如圖2）。

傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)有三種飛行模態(tài)：直升機(jī)模態(tài)、固定翼飛機(jī)模態(tài)和過(guò)度模態(tài)，它主要是工作在直升機(jī)模態(tài)和固定翼飛機(jī)模態(tài)。傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)的旋翼不同于一般直升機(jī)的旋翼：它在直升機(jī)模態(tài)下提供升力，而在固定翼飛機(jī)模態(tài)下提供推力，此時(shí)升力由固定部分的機(jī)翼來(lái)提供，并且在懸停時(shí)，傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)所需發(fā)動(dòng)機(jī)的功率最大，而一般直升機(jī)的旋翼在前飛時(shí)不但要提供推力還要提供升力。為了兼顧傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)在直升機(jī)模態(tài)和固定翼飛機(jī)模態(tài)下的飛行品質(zhì)，旋翼設(shè)計(jì)采用了折中的辦法。

傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)的旋翼半徑比一般直升機(jī)的旋翼半徑要小，因而和一般直升機(jī)相比，其懸停效率下降。同時(shí)，傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)的旋翼尺寸比一般的螺旋槳飛機(jī)的旋翼要大，使得螺旋槳的推進(jìn)效率減小。因此，傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)的旋翼槳葉采用大扭角設(shè)計(jì)，提高飛機(jī)的懸停性能，而一般直升機(jī)的旋翼槳葉由于前飛時(shí)要同時(shí)提供升力和向前的推力，因而不能采用大扭角設(shè)計(jì)。

傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)翼尖兩側(cè)安裝旋翼系統(tǒng)，為避免一側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)意外停車造成同側(cè)旋翼停止工作，設(shè)計(jì)上使螺旋槳減速器通過(guò)橫軸系統(tǒng)連接，允許1臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)失效時(shí)，由另一側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)兩側(cè)旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)，從而保證兩副旋翼轉(zhuǎn)速同步。因此傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)的安全性較高。

美國(guó)傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)“鷹眼”的主要參數(shù)和性能如表1所示。

2 傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)分析

雖然第二代傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段，然而它的很多關(guān)鍵技術(shù)還并不是很成熟。要研制出性能優(yōu)越同時(shí)又安全可靠的傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)，還有如下幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)需要解決和改進(jìn)。

2.1 旋翼、機(jī)翼系統(tǒng)研究

傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)具有快速、遠(yuǎn)程、垂直起降等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)均依賴其高性能的傾轉(zhuǎn)旋翼系統(tǒng)。傾轉(zhuǎn)旋翼系統(tǒng)既要適用于高速前飛，又要兼顧垂直懸停效率，因此槳葉的形狀、扭轉(zhuǎn)及槳轂形式的設(shè)計(jì)都不同于常規(guī)的旋翼，同時(shí)由于槳盤的高載荷，旋翼與機(jī)翼還存在較嚴(yán)重的氣動(dòng)干擾問(wèn)題。在過(guò)渡模態(tài)時(shí)，旋翼傾轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生陀螺效應(yīng)和斜流問(wèn)題，在高速前飛時(shí)螺旋槳又大大增加了飛行阻力。

傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)在垂直飛行和低速飛行時(shí)類似于橫列式直升機(jī)，因此對(duì)機(jī)翼剛度要求較高，且機(jī)翼氣動(dòng)彈性穩(wěn)定性問(wèn)題十分突出。旋翼的旋轉(zhuǎn)會(huì)帶來(lái)一系列振動(dòng)問(wèn)題，同時(shí)旋翼槳尖尾跡、機(jī)翼尾流和槳尖渦流也會(huì)引起機(jī)體尾面振動(dòng)，因此旋翼、機(jī)翼及機(jī)體存在更為復(fù)雜的振動(dòng)問(wèn)題[3]。

2.2 過(guò)渡轉(zhuǎn)換技術(shù)研究

過(guò)渡模態(tài)是傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)不同于無(wú)人直升機(jī)和固定翼無(wú)人機(jī)的關(guān)鍵飛行狀態(tài)。在該模態(tài)下，旋翼的流場(chǎng)和尾跡都是很復(fù)雜的，其槳葉氣動(dòng)力也是非定常的，這種非定常變化的氣動(dòng)力直接影響到飛行器的平衡和操縱特性。同時(shí)，也對(duì)飛行器的飛行力學(xué)建模的準(zhǔn)確性有重要影響，而高質(zhì)量的飛行力學(xué)模型對(duì)改進(jìn)飛行控制技術(shù)又是十分重要的。如何確定一個(gè)合適的過(guò)渡轉(zhuǎn)換方案，確保傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)平穩(wěn)的實(shí)現(xiàn)直升機(jī)模態(tài)與固定翼模態(tài)之間的相互轉(zhuǎn)換，也是傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

目前關(guān)于過(guò)渡模態(tài)的氣動(dòng)力研究尚不成熟。另外，傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)在兼具直升機(jī)和固定翼飛機(jī)優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)也兼具二者的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，其復(fù)雜性要大于二者之和。傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器復(fù)雜的結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)部件，使得其動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的研究具有較大的挑戰(zhàn)性，特別是過(guò)渡模態(tài)（如圖3）。

2.3 氣動(dòng)干擾研究

主要包括垂直起降狀態(tài)與過(guò)渡低速狀態(tài)下的旋翼/機(jī)翼氣動(dòng)干擾下的氣動(dòng)特性研究。其研究目的就是通過(guò)掌握氣動(dòng)干擾下的氣動(dòng)特性，以便對(duì)旋翼與機(jī)翼進(jìn)行氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使之降低旋翼氣流“噴泉”效應(yīng)，避免垂直下降進(jìn)入渦環(huán)狀態(tài)，增加過(guò)渡模態(tài)下的飛行速度范圍和前飛時(shí)降低氣動(dòng)廢阻等。

2.4 飛行控制系統(tǒng)研究

傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)的飛行不但涉及到復(fù)雜的雙旋翼飛行器的飛行姿態(tài)的控制，而且還要控制固定翼飛機(jī)模態(tài)與直升機(jī)模態(tài)的復(fù)雜轉(zhuǎn)換，其操縱和飛行控制比固定翼無(wú)人機(jī)和無(wú)人直升機(jī)困難很多。傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)在直升機(jī)模態(tài)下，與普通直升機(jī)相比，由于沒(méi)有尾槳，側(cè)向安定性下降，甚至出現(xiàn)靜不穩(wěn)定，使得直升機(jī)模態(tài)下操縱困難，飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜。此外，傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)在過(guò)渡模態(tài)時(shí)，存在明顯的拉力矢量控制特性，由于拉力矢量的存在，三通道之間出現(xiàn)較強(qiáng)的耦合。同時(shí)，還存在著氣動(dòng)舵面操縱與拉力矢量控制之間的協(xié)調(diào)問(wèn)題，使得過(guò)渡模態(tài)下飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)變得更加復(fù)雜。因此飛行控制技術(shù)是傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)的另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

3 海軍傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)的發(fā)展優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用前景

由于傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)起降不需要正規(guī)的跑道，因此，在處理海上的突發(fā)事件上可以完成固定翼無(wú)人機(jī)完成不了的任務(wù)。同時(shí)，它又具有一般無(wú)人直升機(jī)沒(méi)有的遠(yuǎn)程巡航能力，因此，在未來(lái)的海戰(zhàn)中，尤其是登陸作戰(zhàn)中將發(fā)揮重要的作用。通過(guò)對(duì)國(guó)外傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀的了解，結(jié)合我國(guó)的基本國(guó)情可以認(rèn)為，傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)對(duì)我國(guó)海軍的發(fā)展也必將起到很大的作用。

目前，我國(guó)海軍現(xiàn)有的裝備跟水面艦艇大多缺乏低空警戒、監(jiān)視、中繼制導(dǎo)等作戰(zhàn)能力。海軍航空兵受到裝備數(shù)量、作戰(zhàn)半徑、技術(shù)水平等因素的限制，岸基航空兵部隊(duì)難以在第一時(shí)間為遠(yuǎn)海執(zhí)行任務(wù)的水面艦艇提供有效的空中支援。傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)具有垂直起降功能，可以方便地裝備在驅(qū)逐艦，護(hù)衛(wèi)艦，兩棲艦以及航空母艦上，利用紅外，光電等先進(jìn)的傳感器，實(shí)施空中偵察、監(jiān)視、通信中繼、目標(biāo)指示、電子干擾、充當(dāng)誘餌以及配備機(jī)載導(dǎo)彈等武器，完成封鎖、對(duì)海或反艦攻擊等軍事任務(wù)。

我國(guó)是一個(gè)海域遼闊的國(guó)家，在黃海、東海和南海，均與數(shù)個(gè)國(guó)家存在領(lǐng)海和島嶼之爭(zhēng)。尤其是在南海海域，一些國(guó)家明目張膽地侵占了我國(guó)的島嶼。歷史的教訓(xùn)告訴我們，要維護(hù)國(guó)家領(lǐng)土和主權(quán)的完整，就離不開(kāi)一支強(qiáng)大的人民海軍。傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)正是適合我海軍使用的、大航程、無(wú)需起降跑道、能在艦艇上垂直起降的（尤其適合航空母艦）一種武器裝備。在南海的眾多島礁上，由于受到島礁面積的限制，修建機(jī)場(chǎng)幾乎是不可能實(shí)現(xiàn)的。而傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)具有垂直起降特點(diǎn)，不需要起降跑道，并且無(wú)人機(jī)系統(tǒng)操作、使用方便，基本不需要其他的保障條件，因而非常適合于列裝在島礁上，完成偵察、巡邏和對(duì)敵艦攻擊等任務(wù)，也能為遠(yuǎn)離大陸的南海海域提供及時(shí)的空中支援，可以有效地減小作戰(zhàn)反應(yīng)時(shí)間，擴(kuò)大我海軍航空兵的作戰(zhàn)半徑。

我國(guó)對(duì)傾轉(zhuǎn)旋翼技術(shù)的研究開(kāi)始較晚，但經(jīng)過(guò)前期的認(rèn)真研究，在旋翼/機(jī)翼氣動(dòng)干擾、旋翼/短艙/機(jī)翼耦合氣動(dòng)穩(wěn)定性、傾轉(zhuǎn)過(guò)程飛行控制等方面取得了一些階段性的成果。只要我國(guó)對(duì)國(guó)外傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)發(fā)展過(guò)程中存在的技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行充分分析，并加大對(duì)傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)力度，進(jìn)而開(kāi)展傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)的研制，就能使我國(guó)海軍的軍事實(shí)力得到顯著提升，對(duì)于我國(guó)海軍的發(fā)展和保障國(guó)家海洋權(quán)益有重要意義（如圖4）。

4 結(jié)語(yǔ)

雖然目前傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)的一些技術(shù)還不如無(wú)人直升機(jī)和固定翼無(wú)人機(jī)成熟，但是傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)在動(dòng)力裝置、結(jié)構(gòu)布局和作戰(zhàn)使用性能等方面的獨(dú)特設(shè)計(jì)和優(yōu)越性能，使其受到了航空界的廣泛關(guān)注，也代表了21世紀(jì)無(wú)人機(jī)發(fā)展的一個(gè)方向。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)的技術(shù)也將日趨完善和成熟，其使用會(huì)更加安全可靠，操縱也會(huì)更加簡(jiǎn)單，它的良好性能和廣闊的應(yīng)用前景將得到充分展現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊軍，吳希明，凡永華，等.傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)飛行控制[M].北京：航空工業(yè)出版社，2006.

[2] Desopper A，Heuze O，Routhieau V，et al. Study of the low speed characteristics of a tilt rotor[C]//Presented at the 28th European Rotorcraft Forum，Bristol UK：European Rotorcraft Forum，2002，16：1-14.

[3] 王芳，李春華，徐國(guó)華．無(wú)人傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器的技術(shù)特點(diǎn)分析[C]//中國(guó)無(wú)人機(jī)大會(huì)會(huì)議集論文，北京：航空工業(yè)出版社，2006，137-143.

[4] 徐敏.傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的發(fā)展與關(guān)鍵技術(shù)綜述[J].直升機(jī)技術(shù)，2003，12（2）：40-44.

[5] Mehra R K，Prasanth R K，Bennett R L，et al.Model predictive design for XV-15 tilt rotor flight control[C]//American Institute of Aeronautics and Astronautics，Guidance，Navigation，and Control and Exhibit.Montreal：American Institute of Aeronautics and Astronautics，2001：1-11.