傾轉(zhuǎn)類飛行器發(fā)展歷程淺析

王 豪 ，楊昌發(fā) ，江 維

（1.海裝駐長沙地區(qū)軍事代表室，湖南 株洲，412000；2.航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

為了探尋一種既具備直升機垂直起降，又具備固定翼飛機高速飛行能力的飛行器，在20世紀50年代，國外主要研究探索了復(fù)合式旋翼、共軸式旋翼、傾轉(zhuǎn)類等高速直升機。1980年美軍“鷹爪行動”的兵力投放與戰(zhàn)場營救行動中，直接暴露了直升機平臺速度低、航程短，根本不適合執(zhí)行深入陸地縱深的兵力投放任務(wù)，該教訓(xùn)直接催化美國國防部提出JVX計劃(多用途垂直起降飛機研制計劃)，加速了傾轉(zhuǎn)類飛行器的發(fā)展研究。

傾轉(zhuǎn)類飛行器主要包括傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器、傾轉(zhuǎn)涵道飛行器以及傾轉(zhuǎn)機翼飛行器共三大類。傾轉(zhuǎn)類飛行器是一種性能獨特的飛行器，通過機身兩側(cè)可在水平位置與垂直位置之間轉(zhuǎn)動的傾轉(zhuǎn)系統(tǒng)組件，實現(xiàn)傾轉(zhuǎn)旋翼、涵道或是機翼動力的水平和垂直輸出方向[1]。當在起降時，可在空中懸停、前后飛行和側(cè)飛；在起飛達到一定速度后，旋翼軸可向前傾轉(zhuǎn)90°，呈水平狀態(tài)，并且能像固定翼飛機那樣以較高的速度作遠程飛行。傾轉(zhuǎn)類飛行器融合了直升機與固定翼飛機的優(yōu)點，即可垂直起降、空中懸停，又可高速巡航飛行，具有較高的軍事實用價值。

1 發(fā)展歷程

傾轉(zhuǎn)類飛行器的發(fā)展主要有三條主線。傾轉(zhuǎn)旋翼類飛行器經(jīng)歷了漫長曲折的發(fā)展過程，在過去半個多世紀，共研發(fā)了XV-3、XC-124A、“伏托爾”76等40多種不同的型號，但多數(shù)以失敗而告終[2]。只有美國貝爾直升機公司成功研制出了XV-3，XV-15，并在XV-15的基礎(chǔ)上成功研制出軍用型MV-22“魚鷹”、V-280及民用型AW-609傾轉(zhuǎn)旋翼機（見圖1）。經(jīng)過漫長的探索研究之后，傾轉(zhuǎn)旋翼機終于真正投入了實際應(yīng)用。傾轉(zhuǎn)旋翼飛機的研制成功,不僅證明了傾轉(zhuǎn)旋翼飛機概念的可行性，而且也顯示了這一新型飛行器軍民用的廣闊前景。當需要垂直起降性能時,傾轉(zhuǎn)旋翼飛機可以替代直升機,實現(xiàn)垂直飛行。長距離飛行時,速度將變得非常重要,傾轉(zhuǎn)旋翼飛機顯得異常優(yōu)越。傾轉(zhuǎn)旋翼飛機未來將得到更廣泛的應(yīng)用,包括緊急醫(yī)療救護、野外搜救,以及在有限面積上(如屋頂和海上石油平臺)的運輸?shù)取?/p>

圖1 傾轉(zhuǎn)旋翼類飛行器

圖2 傾轉(zhuǎn)涵道類飛行器

傾轉(zhuǎn)涵道類飛行器的發(fā)展共經(jīng)歷了三個階段。第一階段是20世紀50年代的初步探索階段，主要是由院校及設(shè)計研究院開展了涵道設(shè)計技術(shù)，包括槳葉與涵道的匹配性等相關(guān)理論研究，飛行器主要局限于單涵道飛行器技術(shù)研究。第二階段是20世紀60年代至80年代的飛行器技術(shù)研究階段，法國的Nord500涵道旋翼飛行器及美國海軍的X-22A等均開展了驗證飛行，解決了復(fù)合升力飛行器設(shè)計技術(shù)、傾轉(zhuǎn)涵道設(shè)計技術(shù)、傾轉(zhuǎn)涵道轉(zhuǎn)換技術(shù)、傾轉(zhuǎn)涵道飛行器控制技術(shù)[4]。第三階段是21世紀的技術(shù)發(fā)展期，出現(xiàn)多種傾轉(zhuǎn)涵道型式，涵道個數(shù)采用多種類型，如雙涵道傾轉(zhuǎn)、三涵道傾轉(zhuǎn)、四涵道傾轉(zhuǎn)等，涵道與固定翼多種組合方式，如固定翼布局與傾轉(zhuǎn)涵道組合，飛翼布局與傾轉(zhuǎn)涵道組合，涵道安放位置多種形式，如在機翼內(nèi)部，機翼梢部等。此階段控制技術(shù)更成熟，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)重量更輕，空機重量占比更小，主要有美國的Tyrannos AT-TV、Moller M400 Skycar、Transformer TX和以色列的X-Hawk等（見圖2）。

對于傾轉(zhuǎn)機翼類飛行器，相對于另外兩條主線，傾轉(zhuǎn)機翼類飛行器發(fā)展基本終止于19世紀70年代[3]。最早為二戰(zhàn)時期的P1003傾轉(zhuǎn)機翼飛行器，隨后在60、70年代發(fā)展了NASA的XC-142以及Canadair的CL-84（見圖3）。傾轉(zhuǎn)翼飛機的機翼可以整體傾轉(zhuǎn),發(fā)動機艙固定在機翼上,它的機翼始終同螺旋槳的拉力方向一致,發(fā)動機與機翼一同傾轉(zhuǎn)。由于傾轉(zhuǎn)機構(gòu)帶來的不利代價遠大于收益，操作靈敏度差、轉(zhuǎn)換通道小等而未有后續(xù)的相關(guān)機型研究。

結(jié)合傾轉(zhuǎn)類飛行器的發(fā)展歷程和相關(guān)技術(shù)資料，繪制了飛行器的發(fā)展歷程圖（見圖4），從圖中可以看出，在“傾轉(zhuǎn)旋翼、傾轉(zhuǎn)機翼和傾轉(zhuǎn)涵道”三條主線中，傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器，發(fā)展較成熟，如美軍的MV-22飛機，已形成裝備能力；傾轉(zhuǎn)機翼由于發(fā)動機與機翼一同傾轉(zhuǎn)而帶來了操作靈敏度差、轉(zhuǎn)換通道小等影響，其不利代價遠大于收益，發(fā)展較不完備；傾轉(zhuǎn)涵道飛行器多數(shù)以驗證機、概念機為主，尚未形成裝備。

圖3 傾轉(zhuǎn)機翼類飛行器

2 傾轉(zhuǎn)類飛行器的技術(shù)特征及發(fā)展趨勢

2.1 技術(shù)特征

在傾轉(zhuǎn)類飛行器當中，傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器相對于傾轉(zhuǎn)涵道和傾轉(zhuǎn)機翼飛行器，發(fā)展持續(xù)時間最久，是技術(shù)最成熟的一類飛行器。但是各類飛行器具有其技術(shù)特征及優(yōu)劣勢，在裝備的設(shè)計之初，應(yīng)明確裝備的需求，結(jié)合使命任務(wù)選取優(yōu)勢突出的飛行器。

傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器利用翼稍旋翼傾轉(zhuǎn)達到飛機垂直起降和高速飛行的目的，最大速度550km/h以上，作戰(zhàn)半徑500km以上，垂直起降階段采用周期變距對飛機三軸進行控制，技術(shù)成熟度高[5]。但是此類型飛行器為了追求大的懸停效率，旋翼直徑很大，導(dǎo)致前飛氣動效率差，巡航階段升阻比小于11，同時垂直起降以及過渡階段旋翼洗流對固定翼影響大的問題（降低全機升力，影響裝載，升力降低10%左右），作為艦載飛機，旋翼暴露于艦尾流動和復(fù)雜氣象環(huán)境中，氣動效率變差。如果裝備突出懸停性能，追求一定快速抵達和遠距離輸送能力，傾轉(zhuǎn)旋翼為最佳選擇。

傾轉(zhuǎn)涵道飛行器利用涵道傾轉(zhuǎn)達到飛行器垂直起降高速飛行的目的，最大飛行速度600km/h以上，作戰(zhàn)半徑大于600km，垂直起降利用涵道尾部輔助舵面對飛行器三軸進行控制，飛機能源利用率高。基于涵道螺旋懸停效率高、力效大的特點，涵道直徑可以降低，減小前飛阻力，提高前飛性能。但涵道直徑達到一定程度，涵道阻力嚴重影響飛行器前飛性能，因此涵道類飛行器重量不能太重，適用于輕型突擊運輸裝備，如果裝備追求快速抵達、遠距離輸送以及高懸停性能，裝備噸位小于10t，傾轉(zhuǎn)涵道則是最佳選擇。

圖4 傾轉(zhuǎn)類飛行器發(fā)展歷程

傾轉(zhuǎn)機翼飛行器利用機翼與螺旋槳一起傾轉(zhuǎn)達到垂直起降高速飛行的目的,該飛行器具有大的巡航效率和作戰(zhàn)半徑，但飛行器過渡階段轉(zhuǎn)換效率差，同時轉(zhuǎn)換過渡階段機翼處于大迎角分離狀態(tài)，直接影響尾翼氣動特性，給飛機操縱特性帶來很大困難，存在垂直起降階段穩(wěn)定性和可靠性的問題。

2.2 發(fā)展趨勢

傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器將直升機垂直起降的優(yōu)點和固定翼巡航效率、飛行速度高的優(yōu)點相結(jié)合。正是這種結(jié)合，極大地提升了飛行器的平飛速度和巡航效率，V-22傾轉(zhuǎn)旋翼飛機是相同動力下直升機航程的1.8倍?？傊?，對于需要保證垂直起降能力，同時追求高平飛速度、高巡航效率的長航程飛機而言，傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器是一個必然的發(fā)展趨勢。

傾轉(zhuǎn)涵道類飛行器與傾轉(zhuǎn)旋翼或螺旋槳動力的飛行器相比，設(shè)計得更加靈活，因為涵道風(fēng)扇可以設(shè)置在機身或機翼上從而提供直接的升力。從實際應(yīng)用角度講，涵道風(fēng)扇由于涵道對旋轉(zhuǎn)葉片的保護作用，它允許飛行器與周圍物體有輕度的碰撞，并且涵道結(jié)構(gòu)對槳葉氣動噪聲也有一定的屏蔽作用，因此特別適用于城市等復(fù)雜狹隘環(huán)境下的垂直起降飛行器方案。

傾轉(zhuǎn)機翼類飛行器是傾轉(zhuǎn)類飛行器技術(shù)研究探索中必不可少的階段。動力與機翼一起傾轉(zhuǎn)的方案中，垂直起降時旋翼產(chǎn)生的向下氣流順利通過機翼剖面，對提高旋翼氣動效率很有利，但是，豎起來的機翼如果處在地面風(fēng)場中，會產(chǎn)生很大的水平方向氣動力，給起降過程帶來很大的麻煩。在飛行器過渡階段轉(zhuǎn)換效率、飛機操縱特性穩(wěn)定性和可靠性的問題解決之后，也是一個不錯的發(fā)展方向。

3 啟示及建議

1）“垂直起降、遠程、快速”的空中突擊運輸需求緊迫。

目前空中突擊運輸力量為直升機，具有垂直起降、快速機動、遠距投送等能力的裝備捉襟見肘?？紤]現(xiàn)有空中突擊運輸力量的不足，要應(yīng)對不同規(guī)模和對抗強度下小規(guī)模地區(qū)性快速干預(yù)作戰(zhàn)，迫切需要發(fā)展更高效能的空中突擊運輸力量[6]。在2019年美陸軍、特種作戰(zhàn)司令部和海軍陸戰(zhàn)隊聯(lián)合發(fā)布了“未來遠程突擊飛機”（FLRAA）的信息征詢書中特別強調(diào)了飛行器航程和速度等方面的性能。在美軍《2025：美國海軍陸戰(zhàn)隊愿景和戰(zhàn)略》報告中，特別提出艦載航空裝備在復(fù)雜地形中直接向腹地作戰(zhàn)區(qū)進行力量投送的能力。

2）傾轉(zhuǎn)涵道飛行器是構(gòu)建未來空中突擊運輸能力的重點手段。

對于發(fā)展更高效能的空中突擊運輸力量，美軍面向未來正在同步推進“傾轉(zhuǎn)涵道飛機”和“傾轉(zhuǎn)旋翼飛機”的技術(shù)發(fā)展，傾轉(zhuǎn)旋翼飛機技術(shù)相對成熟，但傾轉(zhuǎn)涵道飛機懸停效率、有效載荷占比方面優(yōu)勢明顯。DARPA資助的空中可重構(gòu)傾轉(zhuǎn)涵道飛機研究項目，其旨在為發(fā)展性能更好的垂直起降高速飛機進行概念探索和技術(shù)儲備。應(yīng)該說，發(fā)展傾轉(zhuǎn)涵道飛行器既是技術(shù)進步使然，也是滿足遠程、快速的空中突擊運輸需求使然。在美國國防科學(xué)委員會《2030年保持優(yōu)勢的技術(shù)與創(chuàng)新》中，“性能提高的垂直升降飛機”已將涵道風(fēng)扇飛行器列入2030年發(fā)展目標。

3）盡早啟動研究，加強技術(shù)積累，奠定研制基礎(chǔ)。

美國貝爾直升機公司早在20世紀60年代，就研制了四傾轉(zhuǎn)涵道風(fēng)扇X-22A驗證機，直到1988年，累積飛行時間約200小時，約500架次。由于涵道旋翼飛行器的多方面技術(shù)尚未研究成熟，涵道傾轉(zhuǎn)控制技術(shù)、槳葉與涵道的匹配性等關(guān)鍵技術(shù)尚未有效突破，研究進展止步于試飛驗證階段。雖然X-22A未走上型號研制，但是其傾轉(zhuǎn)技術(shù)，飛行控制技術(shù)等均為后續(xù)的MV-22傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器研制奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。由于傾轉(zhuǎn)涵道飛行器技術(shù)研究積累少，技術(shù)難等原因，應(yīng)盡早開展傾轉(zhuǎn)涵道飛行器設(shè)計技術(shù)研究，解決技術(shù)難題和關(guān)鍵技術(shù)，為傾轉(zhuǎn)涵道類飛行器系統(tǒng)的研制提供技術(shù)支撐。

4 結(jié)語

本文總結(jié)了傾轉(zhuǎn)類飛行器中傾轉(zhuǎn)旋翼、傾轉(zhuǎn)涵道及傾轉(zhuǎn)機翼三類飛行器的發(fā)展歷程，并對傾轉(zhuǎn)類飛行器中的典型代表進行了介紹，通過歸納傾轉(zhuǎn)類飛行器的技術(shù)特征、優(yōu)劣勢以及啟示和建議，為后續(xù)設(shè)計出滿足在復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境下執(zhí)行特種作戰(zhàn)、城市反恐、特種運輸、戰(zhàn)地救護等任務(wù)需求的飛行器提供參考。