傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的發(fā)展

尹昱康，王紅州，蔡恒欲，牟 星，湯中恒，葛朝廷

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 合肥 230009)

眾所周知，在戰(zhàn)場(chǎng)上，時(shí)間、效率就是生命。全球通信發(fā)達(dá)的現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)，快速準(zhǔn)確地運(yùn)送戰(zhàn)略物資、作戰(zhàn)人員到指定地點(diǎn)，具有極重要的戰(zhàn)略意義。直升機(jī)具有能夠垂直起降的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于無(wú)機(jī)場(chǎng)跑道的狀況非常適用。然而其巡航速度較慢，不能實(shí)現(xiàn)快速機(jī)動(dòng)。固定翼飛機(jī)巡航速度快，卻需要較長(zhǎng)的機(jī)場(chǎng)跑道。若機(jī)場(chǎng)跑道遭敵人破壞，性能再優(yōu)異的固定翼飛機(jī)也無(wú)法顯現(xiàn)其優(yōu)越性。在這種情況下，傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。

傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的出現(xiàn)是突破常規(guī)思維的巨大飛躍。在固定翼飛機(jī)和直升機(jī)的發(fā)展如日中天時(shí)，唯有大膽嘗試、善于創(chuàng)新才能另辟蹊徑。傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)是直升機(jī)和固定翼飛機(jī)的有機(jī)結(jié)合，不僅可以采用類(lèi)似直升機(jī)垂直起降，且在空中又可以實(shí)現(xiàn)較高速度的巡航。可見(jiàn)，傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)在戰(zhàn)略運(yùn)輸上具有很高的實(shí)際價(jià)值[1-3]。另一方面，也存在一些明顯的缺點(diǎn)及技術(shù)難題[4]，如在垂直飛行和懸停時(shí)旋翼-機(jī)翼間產(chǎn)生嚴(yán)重的氣動(dòng)干擾[5]。

1 傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的發(fā)展

傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的發(fā)展歷史大致可分為兩個(gè)階段，即原型機(jī)研制階段和作戰(zhàn)實(shí)用型傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)研制階段。不同于普通的飛機(jī)和直升機(jī)，傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)是新的嘗試。其研制難度之大，花費(fèi)時(shí)間、財(cái)力之巨都是很難想象的。在如今“一超多強(qiáng)”的全球格局下，只有美國(guó)有足夠的實(shí)力研發(fā)傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)。美國(guó)貝爾直升機(jī)公司是研制傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的典型代表，其研究領(lǐng)域涵蓋軍民兩用，涉及武裝型和預(yù)警型等[6]。研制修改的過(guò)程是艱難曲折的，不過(guò)傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的優(yōu)點(diǎn)也在美軍實(shí)際使用中得到充分體現(xiàn)。

1.1 原型機(jī)研制階段

美國(guó)飛機(jī)設(shè)計(jì)師在考慮到普通直升機(jī)和固定翼飛機(jī)存在的缺點(diǎn)后，提出研制一種新型的介于直升機(jī)和固定翼飛機(jī)之間的飛行器。該類(lèi)型飛行器在機(jī)翼兩側(cè)安裝巨大的傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，可以使螺旋槳從水平狀態(tài)平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)到垂直狀態(tài)。由于其既能夠像普通直升機(jī)一樣垂直起降，飛行過(guò)程中又可以將螺旋槳平穩(wěn)過(guò)渡到垂直狀態(tài)為飛機(jī)提供拉力，該類(lèi)型飛機(jī)稱(chēng)為“傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)”，其三維模型如圖1所示。

美國(guó)的貝爾公司和波音公司聯(lián)合研制第一代傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)原型機(jī)XV-3，其主要用于驗(yàn)證傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的飛行原理是否可靠[7]。在其飛行測(cè)試階段，研究人員通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，獲得許多數(shù)據(jù)，為其后繼機(jī)型奠定基礎(chǔ)。

在XV-3原型機(jī)之后，貝爾公司又研制了XV-15傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)[8]。XV-15傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)只生產(chǎn)了2架，研究人員同樣對(duì)其進(jìn)行了大量的飛行試驗(yàn)。在地面進(jìn)行風(fēng)洞吹風(fēng)試驗(yàn)，獲取機(jī)上各部位的相關(guān)參數(shù)。在空中進(jìn)行了各類(lèi)實(shí)戰(zhàn)中可能進(jìn)行的活動(dòng)，例如：空中加油、對(duì)地空投、發(fā)射各類(lèi)導(dǎo)彈等。

美國(guó)軍方一直關(guān)注著貝爾公司和波音聯(lián)合研制的傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)發(fā)展?fàn)顩r，對(duì)傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的優(yōu)點(diǎn)十分看重，認(rèn)為其可以替代軍隊(duì)中較為落后的普通直升機(jī)。

1.2 實(shí)用型傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)研制階段

在獲得研制XV-3和XV-15原型機(jī)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，貝爾公司和波音公司開(kāi)始研制實(shí)用型傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)，即著名的V-22魚(yú)鷹[9]。

盡管研究人員在XV-3和XV-15研制過(guò)程已進(jìn)行過(guò)大量飛行試驗(yàn)，但新設(shè)計(jì)的V-22魚(yú)鷹傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)在各方面仍作出了較大的改進(jìn)。新型的V-22魚(yú)鷹機(jī)身外形與普通固定翼飛機(jī)相似，機(jī)翼兩側(cè)加裝兩個(gè)較大的螺旋槳?？梢酝ㄟ^(guò)傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)使螺旋槳實(shí)現(xiàn)傾轉(zhuǎn)動(dòng)作，最大傾轉(zhuǎn)角度可達(dá)97°30′。

V-22魚(yú)鷹在空中巡航時(shí)，為獲得較高的速度，將兩個(gè)螺旋槳傾轉(zhuǎn)到垂直狀態(tài)，為飛機(jī)前行提供拉力，這種狀態(tài)類(lèi)似固定翼飛機(jī)。而當(dāng)其起飛時(shí)無(wú)較長(zhǎng)的機(jī)場(chǎng)跑道時(shí)，可采取使兩個(gè)螺旋槳處于水平狀態(tài)，這時(shí)就可看做雙旋翼橫列式直升機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)垂直起降，特別適合于在海上作戰(zhàn)平臺(tái)起飛，且能空中懸停。事實(shí)上，不僅可以垂直起降，還可以像固定翼飛機(jī)一樣滑跑起飛。這時(shí)兩個(gè)巨大的螺旋槳需要傾轉(zhuǎn)一個(gè)斜度，但不能完全垂直，否則螺旋槳槳葉將打到地面[10]。

根據(jù)多次飛行測(cè)試的結(jié)果，雖然這期間V-22魚(yú)鷹也出現(xiàn)幾次致人死亡的事故，但其各方面優(yōu)點(diǎn)仍使美國(guó)軍方給予高度評(píng)價(jià)。V-22魚(yú)鷹得以進(jìn)入全速生產(chǎn)階段[11]。

2 傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的技術(shù)特性

傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，其技術(shù)特性十分全面，能同時(shí)適應(yīng)海陸空三軍不同的作戰(zhàn)需求。傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)兼具直升機(jī)和普通飛機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，飛行包線(xiàn)很寬，有很大的發(fā)展?jié)摿12]。此外，在全球反恐行動(dòng)中能發(fā)揮較大的作用。

傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)依靠?jī)蓚€(gè)巨大的螺旋槳，在螺旋槳處于水平狀態(tài)時(shí)，可像雙旋橫列式直升機(jī)一樣實(shí)現(xiàn)垂直起降。這大大降低了對(duì)于機(jī)場(chǎng)跑道的依賴(lài)性，對(duì)于海上作戰(zhàn)平臺(tái)空間十分寶貴，不必為滑跑留出空間。此外，在陸上機(jī)場(chǎng)也可滑跑起飛。

普通直升機(jī)雖然能夠?qū)崿F(xiàn)垂直起降，但飛行速度慢。這對(duì)于戰(zhàn)略需求中的快速機(jī)動(dòng)性而言無(wú)疑是重大災(zāi)難，而傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)在兩螺旋槳處于垂直狀態(tài)時(shí)，可看作螺旋槳拉力固定翼飛機(jī)，故巡航速度遠(yuǎn)高于普通直升機(jī)[13]。

相對(duì)普通直升機(jī)，傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)由于在巡航時(shí)不僅依靠?jī)蓚€(gè)巨大的螺旋槳產(chǎn)生的拉力飛行，同時(shí)也利用自身機(jī)翼產(chǎn)生的升力飛行。因此，傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)在巡航時(shí)能到達(dá)更遠(yuǎn)的范圍[14]。此外，可以搭載更多的燃料，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離飛行而不需中間加油，這是普通直升機(jī)不能實(shí)現(xiàn)的。

3 傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的研制難點(diǎn)

傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)不同于普通直升機(jī)和飛機(jī)，它具有螺旋槳旋翼和固定翼，且要根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)螺旋槳旋翼的傾轉(zhuǎn)。因此，傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)相對(duì)普通直升機(jī)和飛機(jī)，研制難度更大，技術(shù)難點(diǎn)更加復(fù)雜。

由于傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)同時(shí)兼具旋翼和固定翼，其所受氣動(dòng)力不同于普通直升機(jī)和飛機(jī)。旋翼和固定翼間存在明顯的氣動(dòng)干擾，機(jī)翼受到旋翼氣流沖擊，同時(shí)機(jī)翼表面氣流也會(huì)影響旋翼，這兩者對(duì)傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的有效載荷能力產(chǎn)生顯著影響[15]。當(dāng)傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)垂直起降時(shí)氣動(dòng)特性與普通直升機(jī)相似，巡航飛行時(shí)與普通螺旋槳飛機(jī)相似。李鵬等[16]基于CFD方法分別對(duì)傾轉(zhuǎn)旋翼的懸停、巡航、過(guò)渡3種典型飛行狀態(tài)進(jìn)行了CFD分析。但旋翼在傾轉(zhuǎn)過(guò)程中的氣動(dòng)特性復(fù)雜，需要運(yùn)用多種方法對(duì)傾轉(zhuǎn)旋翼氣動(dòng)特性深入研究。

傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)需要通過(guò)傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(如圖2所示)實(shí)現(xiàn)旋翼從水平到垂直的運(yùn)動(dòng)，這對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出很高的要求。由于兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)需吊裝在機(jī)翼兩側(cè)，對(duì)機(jī)翼強(qiáng)度同樣產(chǎn)生不良影響[17]。

由于其飛行動(dòng)力學(xué)特性，在緊急情況下其螺旋槳不能像普通直升機(jī)在沒(méi)有動(dòng)力來(lái)源的情況下旋轉(zhuǎn)[18-19]，存在很大危險(xiǎn)性。楊喜立等[20]建立了傾轉(zhuǎn)旋翼飛機(jī)的數(shù)學(xué)模型，可對(duì)飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供幫助。在傾轉(zhuǎn)過(guò)程中，飛行狀態(tài)在很大的范圍內(nèi)變化，飛行員易出現(xiàn)操縱困難。因此，需要安裝自動(dòng)操縱系統(tǒng)輔助飛行員的駕駛，提高傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的飛行安全性。

4 發(fā)展趨勢(shì)

目前傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)還未進(jìn)入技術(shù)穩(wěn)定期，沒(méi)有豐富的經(jīng)驗(yàn)積累。許多設(shè)計(jì)問(wèn)題在飛行過(guò)程中才被發(fā)現(xiàn)，最大問(wèn)題的是傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)在轉(zhuǎn)換模式時(shí)候的啟動(dòng)，大部分傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的事故都發(fā)生在此過(guò)程，如美國(guó)V-22“魚(yú)鷹”在轉(zhuǎn)換模式過(guò)程中螺旋槳的氣動(dòng)特性不穩(wěn)定，由此形成飛行器底部氣流不穩(wěn)定，飛行器可能失去升力，這對(duì)飛行器是致命的。因此，需要對(duì)傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)轉(zhuǎn)換模式的氣動(dòng)特性進(jìn)行深入分析和掌握，采取一定措施穩(wěn)定傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)底部氣流，不致使其失去維持飛行的升力。

盡管現(xiàn)階段傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)事故率較高，但隨著使用過(guò)程中對(duì)故障問(wèn)題的發(fā)現(xiàn)及解決，傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的事故率必然會(huì)大幅下降。由于傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的固有特性，即兼具直升機(jī)與固定翼飛機(jī)優(yōu)點(diǎn)，使得傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)有著很大發(fā)展前景。在軍用方面，配合傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)，軍隊(duì)可以作出更快的快速反應(yīng)，將部隊(duì)投入指定的復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)，經(jīng)改裝后的傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)亦可對(duì)前線(xiàn)進(jìn)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(jī)無(wú)法到達(dá)的區(qū)域，傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)成為一個(gè)不錯(cuò)的選擇。當(dāng)然，在技術(shù)成熟的未來(lái)，傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)會(huì)換裝動(dòng)力更為強(qiáng)勁的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，從而提高航速和載重量。

5 結(jié)論

傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)本身具備普通直升機(jī)和固定翼飛機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，可垂直起降、巡航速度快、航程范圍遠(yuǎn)。在當(dāng)今信息化時(shí)代，時(shí)間、效率無(wú)比重要，在戰(zhàn)場(chǎng)上實(shí)現(xiàn)快速調(diào)度是克敵制勝的重要條件。傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)執(zhí)行任務(wù)時(shí)不要機(jī)場(chǎng)和跑道，生存能力強(qiáng)。另一方面，傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)仍需不斷完善。傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)無(wú)疑是未來(lái)軍民兩用的重要機(jī)型，占有重要地位。

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