傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)軍事需求與關(guān)鍵技術(shù)分析

薛 蒙，孫 強(qiáng)

(1.海裝項(xiàng)目管理中心， 北京 100071；2.中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

常規(guī)直升機(jī)飛行速度已經(jīng)接近構(gòu)型極限，瞬息萬(wàn)變的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)對(duì)其時(shí)效性提出了更高的使用需求，促使人們對(duì)新構(gòu)型直升機(jī)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行更深入的探索。除復(fù)合式直升機(jī)以外，目前一個(gè)方向是針對(duì)旋翼系統(tǒng)性能的提升研究，如ABC旋翼，形成共軸或單旋翼帶單側(cè)機(jī)翼構(gòu)型；另一個(gè)方向是傾轉(zhuǎn)旋翼構(gòu)型，通過(guò)旋翼傾轉(zhuǎn)，大速度飛行時(shí)使旋翼旋轉(zhuǎn)方向與來(lái)流速度垂直，使其理論最大速度可逼近音速。第三代傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)V-280超越了V-22的各項(xiàng)性能，在2019年1月份達(dá)到了280節(jié)(約518千米/小時(shí))的巡航速度，遠(yuǎn)超過(guò)美國(guó)陸軍對(duì)新一代旋翼機(jī)的巡航速度要求(425千米/小時(shí))。不同載重下，V-280的作戰(zhàn)半徑最低為930千米，最高可達(dá)1480千米[1]。

傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)生存力強(qiáng)，速度與航程遠(yuǎn)優(yōu)于常規(guī)構(gòu)型直升機(jī)，油耗是同噸位直升機(jī)的50%，噪聲水平遠(yuǎn)低于同噸位直升機(jī)，綜合運(yùn)輸效率遠(yuǎn)高于共軸剛性旋翼高速直升機(jī)和常規(guī)構(gòu)型直升機(jī)，特別適合執(zhí)行兵員/裝備突擊運(yùn)輸、戰(zhàn)斗搜索和救援、特種作戰(zhàn)、后勤支援、醫(yī)療后撤等方面的任務(wù)。隨著技術(shù)的成熟和發(fā)展，傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)以其卓越的飛行性能和潛力，越來(lái)越顯示出這樣一種可能，即像人們所期望的那樣成為21世紀(jì)的主流機(jī)種之一[2]。

1 傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)軍事需求分析

1.1 傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)是海軍兩棲作戰(zhàn)之利器

在相同噸位情況下，傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)運(yùn)輸效率約為常規(guī)的直升機(jī)4-6倍。艦載旋翼類(lèi)運(yùn)輸機(jī)中，傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)運(yùn)輸效率最高。

強(qiáng)于世界者必盛于海洋。遍觀世界局勢(shì)，大國(guó)之爭(zhēng)與未來(lái)資源之爭(zhēng)直指海洋。海洋、島嶼爭(zhēng)端和摩擦必將不斷升級(jí)。在此背景下，傳統(tǒng)軍事強(qiáng)國(guó)以及新興大國(guó)海軍都有加強(qiáng)兩棲登陸裝備建設(shè)的迫切需求。固定翼飛機(jī)由于對(duì)跑道要求較高，難以在兩棲登陸艦上起降，且受重量尺寸限制，對(duì)機(jī)艦適配性要求較高。而傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)由于具備速度快、可垂直起降、無(wú)視水深和海岸地形等方面的優(yōu)勢(shì)，可作為未來(lái)首選的兩棲登陸裝備。

傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)執(zhí)行兩棲突擊任務(wù)，可從本土沿海機(jī)場(chǎng)或驅(qū)逐艦起飛，覆蓋500千米半徑的圓形區(qū)域，并保持近1個(gè)小時(shí)的任務(wù)時(shí)間，具有極強(qiáng)的戰(zhàn)術(shù)靈活性。在沖突爆發(fā)時(shí)，能夠完成作戰(zhàn)力量的及時(shí)投送，搶得先手優(yōu)勢(shì)。與登陸艇主要用于較低對(duì)抗強(qiáng)度下的大規(guī)模登陸運(yùn)輸不同，傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)主要用于人員和輕型裝備突擊運(yùn)輸、遠(yuǎn)距離/大縱深兩棲突擊機(jī)降等突出機(jī)動(dòng)性、靈活性的任務(wù)。在海軍整體的兩棲作戰(zhàn)中，傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)作為先鋒和奇兵，能顯著增強(qiáng)海軍登陸作戰(zhàn)中的機(jī)動(dòng)部署能力和奇襲能力，有助于迅速開(kāi)辟灘頭陣地和搶占有利地形，取得先手優(yōu)勢(shì)。

1.2 傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)是近?？焖偻端偷睦硐牍ぞ?/h3>

傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)航程和速度都倍優(yōu)于普通直升機(jī)，且可以通過(guò)機(jī)翼和旋翼之間的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)4倍以上的航程，或3倍以上的飛行速度，尤其適合近?？焖偻端汀?/p>

距離本土陸地較遠(yuǎn)的近海，如300千米以外區(qū)域，目前由于缺乏合適的運(yùn)輸工具，對(duì)大多數(shù)島嶼上駐守的官兵的補(bǔ)給和支援主要是依靠船只，其速度慢，對(duì)于突發(fā)事件的應(yīng)對(duì)能力差，難以滿足島嶼物資和人員的快速運(yùn)輸需求。通過(guò)修建機(jī)場(chǎng)跑道雖然能解決日常供給，但是考慮到在戰(zhàn)時(shí)，機(jī)場(chǎng)跑道通常容易受到敵方的首先攻擊和破壞，因此戰(zhàn)時(shí)需要考慮采用非常規(guī)固定翼運(yùn)輸機(jī)的方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)人員和物資的快速補(bǔ)給和增援，以快速應(yīng)對(duì)突發(fā)事件，掌握主動(dòng)權(quán)。而目前常規(guī)直升機(jī)受限于航程和載荷，難以完成上述任務(wù)，因此海軍亟需發(fā)展近?？焖偻端脱b備。而傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)能夠利用其大載荷、遠(yuǎn)航程、垂直起降能力，實(shí)現(xiàn)跨海域直飛，大幅提高前線基地的快速運(yùn)輸和補(bǔ)給能力；也可以以典型前線島嶼基地作為支點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)大范圍海域地區(qū)的覆蓋，大幅提高軍事強(qiáng)國(guó)對(duì)海洋的管控能力。

1.3 傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)是艦載運(yùn)輸反潛搜救的重要組成部分

在海軍航空母艦、大型水面艦艇作戰(zhàn)編隊(duì)中，要求快速運(yùn)輸、反潛能力與之配套提升。傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)相比直升機(jī)具有更快的速度、更遠(yuǎn)的航程、更大的載荷，更適合作為艦載反潛的平臺(tái)，可以攜帶雷達(dá)、聲納、磁探測(cè)等多種搜索設(shè)備，遂行反潛任務(wù)。

傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)可與艦載運(yùn)輸機(jī)等一同構(gòu)成航空母艦等大型水面艦艇的快速運(yùn)輸體系，利用其垂直起降的特性，在沒(méi)有機(jī)場(chǎng)的區(qū)域遂行特種運(yùn)輸任務(wù)，彌補(bǔ)常規(guī)艦載運(yùn)輸機(jī)需要跑道的缺陷，提升海軍特種運(yùn)輸?shù)哪芰Γ貏e是提升了人員、物資的緊急運(yùn)輸能力，可滿足醫(yī)療轉(zhuǎn)移、人員緊急轉(zhuǎn)移等需求。

傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)特別適合作為搜索和救援的平臺(tái)，能夠在第一時(shí)間快速奔赴救援地點(diǎn)，開(kāi)展搜索與救援工作，也能在海上、山區(qū)等特殊環(huán)境中執(zhí)行人員/物資快速運(yùn)輸、傷員轉(zhuǎn)移、災(zāi)難評(píng)估等任務(wù)。作為未來(lái)搜索和救援體系的主力機(jī)型之一，該機(jī)型能夠大幅提升海洋搜救能力。例如在民用航班失事或戰(zhàn)時(shí)搜救行動(dòng)中，若采用傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)，并以大型水面艦艇為搭載平臺(tái)，則能夠?qū)崿F(xiàn)在南海、印度洋等區(qū)域的快速大范圍搜救，提高搜救效率。

此外，傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)還可以對(duì)關(guān)鍵航道進(jìn)行護(hù)航，對(duì)海盜等武裝分子進(jìn)行快速打擊；也可執(zhí)行武裝偵察任務(wù)，攜帶偵察設(shè)備在中低威脅區(qū)域?qū)λ媾炌У冗M(jìn)行監(jiān)視，在海上維權(quán)、海上反恐等方面發(fā)揮獨(dú)特的作用。

2 傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)旋翼-機(jī)翼的氣動(dòng)干擾問(wèn)題

傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)特有的氣動(dòng)干擾問(wèn)題涉及到旋翼-機(jī)翼、旋翼-旋翼、旋翼-機(jī)身、旋翼-尾部等多個(gè)方面，其中以垂直飛行和懸停時(shí)旋翼-機(jī)翼的氣動(dòng)干擾最為重要，它對(duì)傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的有效載荷影響最大。國(guó)外通過(guò)機(jī)翼傾轉(zhuǎn)、部分機(jī)翼傾轉(zhuǎn)以及襟副翼偏轉(zhuǎn)盡量降低相互干擾，見(jiàn)圖1。

圖1 傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)旋翼-機(jī)翼氣動(dòng)干擾

2.2 旋翼傾轉(zhuǎn)過(guò)程中的氣動(dòng)特性問(wèn)題

傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)垂直飛行和懸停時(shí)的氣動(dòng)特性與橫列式直升機(jī)相似，巡航飛行時(shí)與渦槳飛機(jī)類(lèi)似，這兩種狀態(tài)下氣動(dòng)特性的解決都有類(lèi)似的成果或經(jīng)驗(yàn)可借鑒，但旋翼在傾轉(zhuǎn)過(guò)程中的氣動(dòng)特性的確定是傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)獨(dú)有的關(guān)鍵技術(shù)之一，是一個(gè)非常復(fù)雜困難的問(wèn)題，見(jiàn)圖2。

圖2 國(guó)外旋翼傾轉(zhuǎn)過(guò)程中非定常氣動(dòng)特性研究

2.3 傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題

傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的動(dòng)力學(xué)分析是傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)發(fā)展的技術(shù)難題之一。槳葉揮舞/擺振耦合、槳葉之間通過(guò)槳轂的相互運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力耦合等都無(wú)法用傳統(tǒng)的直升機(jī)旋翼動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)行分析。XV-3 傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)曾在飛行中反復(fù)遭遇機(jī)翼/旋翼塔柱/旋翼穩(wěn)定性問(wèn)題，其飛行試驗(yàn)幾乎花了3年時(shí)間才取得有限進(jìn)展。1956年7月，第1架 XV-3因旋翼空中不穩(wěn)定而墜毀。為了消除XV-3的不穩(wěn)定性，機(jī)翼增加了外支撐來(lái)提高機(jī)翼剛度，用半剛硬的2片槳葉旋翼取代全鉸接式3片槳葉旋翼，見(jiàn)圖3。

2.4 傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)過(guò)渡走廊的飛行控制問(wèn)題

傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)過(guò)渡飛行模式的傾轉(zhuǎn)過(guò)程只能在一定的飛行速度范圍內(nèi)進(jìn)行。短艙傾轉(zhuǎn)角度-飛行速度包線稱(chēng)為“過(guò)渡走廊”，只有在這個(gè)范圍內(nèi)過(guò)渡飛行才是安全的。

圖3 2片槳葉的XV-3

傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)在低速飛行模式下類(lèi)似于直升機(jī)，旋翼是主要的升力面、推進(jìn)器。高速飛行模式下，機(jī)翼為升力面，旋翼僅承擔(dān)提供拉力的角色。過(guò)渡飛行模式的旋翼隨發(fā)動(dòng)機(jī)短艙不斷傾轉(zhuǎn)，飛行器的氣動(dòng)外形和飛行速度不斷變化，因而過(guò)渡飛行是一種變構(gòu)型、變速的飛行過(guò)程。短艙開(kāi)始傾轉(zhuǎn)進(jìn)入傾轉(zhuǎn)飛行模式時(shí)，升力從主要由旋翼承擔(dān)過(guò)渡到主要由機(jī)翼承擔(dān)。飛行速度過(guò)低會(huì)導(dǎo)致機(jī)翼失速，飛行速度過(guò)高則受到旋翼前行槳葉壓縮性與后行槳葉失速的限制以及旋翼可用功率的限制，甚至還受旋翼/機(jī)翼動(dòng)力穩(wěn)定性的限制。由于傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)既有直升機(jī)的操縱，又有飛機(jī)操縱，存在操縱冗余，因此，過(guò)渡路徑很多，有必要研究最優(yōu)過(guò)渡路徑，使過(guò)渡飛行模式既安全，又平穩(wěn)。相關(guān)控制律設(shè)計(jì)還涉及冗余操縱、可靠性、安全性和魯棒性等問(wèn)題，較為復(fù)雜。

3 傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)發(fā)展思路建議

除美國(guó)外，加拿大、以色列、韓國(guó)、意大利等國(guó)家均已有傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)實(shí)現(xiàn)了軍事應(yīng)用或商業(yè)化發(fā)展，包含有人和無(wú)人多種構(gòu)型。隨著技術(shù)的成熟，其安全性的優(yōu)勢(shì)也逐漸彰顯。美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)45萬(wàn)小時(shí)的飛行數(shù)據(jù)表明，其事故率僅為常規(guī)直升機(jī)的一半。通過(guò)科研探索，實(shí)現(xiàn)原理樣機(jī)的飛行，對(duì)具有直升機(jī)工業(yè)基礎(chǔ)的國(guó)家和地區(qū)，難度也不大。

但傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)技術(shù)發(fā)展至今，其意義已遠(yuǎn)非一種型號(hào)，而演變?yōu)橐环N與直升機(jī)并列或替代的機(jī)種平臺(tái)。在此基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步拓展傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)適用范圍和提升其發(fā)展?jié)摿?，?yīng)當(dāng)把傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)作為下一代直升機(jī)發(fā)展方向之一進(jìn)行大力推進(jìn)。需要在與傾轉(zhuǎn)旋翼構(gòu)型相匹配的機(jī)體結(jié)構(gòu)、動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、旋翼系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)、航電系統(tǒng)、傳感器、武器系統(tǒng)等諸方面開(kāi)展針對(duì)性的研究，并逐步實(shí)現(xiàn)跨代技術(shù)的工程實(shí)用化。此外，應(yīng)結(jié)合目前人工智能等新興技術(shù)的發(fā)展，針對(duì)性地在智能多旋翼傾轉(zhuǎn)構(gòu)型、變轉(zhuǎn)速變直徑技術(shù)、涵道傾轉(zhuǎn)自主控制、油電混合及特殊動(dòng)力等方面進(jìn)行突破，以研發(fā)出飛行效率更高的傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)。

任何事物都有其兩面性，傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)也存在技術(shù)復(fù)雜度大，精密制造要求嚴(yán)，單機(jī)成本高，執(zhí)行高速突擊任務(wù)時(shí)著彈面廣等局限性。從客觀現(xiàn)實(shí)和長(zhǎng)遠(yuǎn)綜合看，傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)融合了直升機(jī)與固定翼飛機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，是一種軍民兩用的高技術(shù)產(chǎn)品，在未來(lái)高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中必將發(fā)揮巨大和廣泛的作用。