一種新型可傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)概念設(shè)計研究

連 亮 盧欣欣 黃睿杰 高 濤

（江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航空與交通工程學(xué)院，南通 226007）

現(xiàn)有的空氣動力航空器主要分為固定翼飛機(jī)和直升機(jī)兩大類。前者航程遠(yuǎn)、水平飛行速度快，但是需要較長的起降跑道。后者不需要起降跑道，能夠在復(fù)雜地形條件下起降，但是因為推力是靠旋翼升力的水平方向分量實現(xiàn)的，故水平方向速度沒有固定翼飛機(jī)快。此外，因為直升機(jī)升力的產(chǎn)生是靠發(fā)動機(jī)驅(qū)動主旋翼產(chǎn)生而不是氣流經(jīng)過固定翼產(chǎn)生，故耗油率或同樣飛行距離的耗電量比固定翼飛機(jī)多。在這種情況下，可傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)應(yīng)運而生。世界上第一款成熟的可傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)是美國貝爾直升機(jī)公司研制的V-22 魚鷹。它既可以像雙旋翼橫列式直升機(jī)垂直起降，也可以像螺旋槳飛機(jī)水平飛行[1-2]。

雖然可傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)兼有固定翼飛機(jī)和直升機(jī)的優(yōu)點，但是也因此導(dǎo)致這種構(gòu)型的飛行器更加復(fù)雜，研發(fā)存在較多困難[3-4]?？蓛A轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的旋翼和固定翼之間存在明顯的氣動干擾。機(jī)翼受到旋翼氣流沖擊，同時機(jī)翼表面氣流影響旋翼，對可傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的有效載荷能力產(chǎn)生顯著影響[5]。可傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)需要通過傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)（如圖1 所示）實現(xiàn)旋翼從水平到垂直的運動，對結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了高要求。兩臺發(fā)動機(jī)需吊裝在機(jī)翼兩端，對機(jī)翼強(qiáng)度同樣產(chǎn)生了不良影響[6]。因此，需要在前人的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)可傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的設(shè)計。

1 新型可傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的結(jié)構(gòu)方案

如圖2 所示，新型可傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)有四組旋翼，其中兩組安裝在機(jī)身上，兩組安裝在機(jī)翼端部。四組旋翼呈“十”字布局。載荷較大時，四組旋翼由兩臺發(fā)動機(jī)驅(qū)動，以產(chǎn)生飛行所需的升力或推力。每臺發(fā)動機(jī)都可以通過傳動裝置向四個旋翼輸送功率。兩臺發(fā)動機(jī)互相備份，當(dāng)其中一臺發(fā)動機(jī)失效后，整架飛行器仍能夠有效運行不致于墜機(jī)，只是分配到各個旋翼上的功率會有所減少。載荷較小時，旋翼可以由四個電動機(jī)來驅(qū)動。電動機(jī)相比于發(fā)動機(jī)更容易控制轉(zhuǎn)速，加速性能也更好。

對于固定翼飛機(jī)，空速管通常安裝在機(jī)身頭部，因為此處氣流不受機(jī)身、機(jī)翼以及發(fā)動機(jī)的干擾。由于四個旋翼及其下洗流的存在，本方案將空速管布置在機(jī)翼中部，以避免受到旋翼的影響。為了減少水平巡航時前方旋翼對后方旋翼的氣動干擾，后方旋翼的安裝位置要高于前方旋翼。這一設(shè)計理念在CH-47支奴干等縱列雙旋翼直升機(jī)上已有應(yīng)用。通常情況下，固定翼飛機(jī)的垂尾位于機(jī)身尾部垂直向上，用于控制飛機(jī)的偏航。本方案在機(jī)身上部布置了兩組旋翼，該旋翼在水平巡航狀態(tài)會產(chǎn)生尾流影響垂尾的氣動效率。因此，本方案將尾翼設(shè)計成“丫”字形，以避免尾翼受到其前方兩組旋翼的尾流的干擾?！把尽弊中挝惨硎茱w行控制系統(tǒng)控制，既可以使飛機(jī)實現(xiàn)偏航動作，也可以使飛機(jī)實現(xiàn)俯仰動作。

傳統(tǒng)的固定翼飛機(jī)的機(jī)翼是固定不動的。V-22魚鷹可傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的機(jī)翼固定不動，只有旋翼可傾轉(zhuǎn)，造成了旋翼與機(jī)翼之間存在嚴(yán)重的氣動干擾問題。為了克服這一問題，本方案的機(jī)翼有一部分是和左右兩旋翼一起偏轉(zhuǎn)的。如圖3 所示，機(jī)翼可偏轉(zhuǎn)部分的長度約等于旋翼半徑。這樣的設(shè)計使得無論在什么模式下飛行，機(jī)翼對旋翼下洗流的阻塞都是最小的。本方案的固有缺點在于機(jī)翼兩端的旋翼會對機(jī)翼帶來較大的彎曲力矩，需要對旋翼與機(jī)翼的結(jié)合部、機(jī)翼本身進(jìn)行額外的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。

新型可傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的旋翼有兩種類型可供選擇：一類是槳葉角恒定不變；另一類是槳葉角可控可變。對于選裝了第一類旋翼的可傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)，安裝在機(jī)翼端部的兩組旋翼可以在傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動下跟隨機(jī)翼可偏轉(zhuǎn)部分一起轉(zhuǎn)動，安裝在機(jī)身前后的兩組旋翼則始終保持旋轉(zhuǎn)軸線豎直向上。對于選裝了第二類旋翼的可傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)，可以通過四個旋翼同步變總距的方式實現(xiàn)可傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的上升和降落，也可以通過周期變距的方式改變可傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的飛行姿態(tài)。第二類旋翼變總距相較于第一類旋翼變轉(zhuǎn)速，具有轉(zhuǎn)速恒定、減速器的傳動比恒定等優(yōu)點。第一類旋翼由電動機(jī)驅(qū)動，具有控制靈敏、重量輕等優(yōu)點。新型可傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)也可將兩類旋翼混合使用，機(jī)身前后的兩組旋翼選用第二類旋翼，機(jī)翼兩端的旋翼選用第一類旋翼。這樣可利用第二類旋翼的周期變距協(xié)同第一類旋翼的傾轉(zhuǎn)運動，以產(chǎn)生更大的使飛行器向前飛行的推力。

作為無人機(jī)時，新型可傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)可根據(jù)需求靈活選擇搭載多種任務(wù)載荷，如三軸增穩(wěn)云臺、廣角相機(jī)、紅外熱成像相機(jī)以及激光測距儀等。本方案采用模塊化設(shè)計，可實現(xiàn)快速拆卸和維護(hù)。拆解后的傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)大大縮小了橫向尺寸和縱向尺寸，可裝入鋁合金航空箱，方便長距離轉(zhuǎn)場運輸。本方案的機(jī)身大量采用比強(qiáng)度、比剛度高的復(fù)合材料，以達(dá)到降低機(jī)身重量、提高傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)續(xù)航能力的目的。本方案的旋翼采用已在無人機(jī)領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用的碳纖維材料。作為載人飛行器時，需要擴(kuò)大新型可傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的內(nèi)部容積，但飛行器的基本構(gòu)型不變，機(jī)身可采用固定翼飛機(jī)常用的鋁合金材料。

2 新型可傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的控制方法

本新型可傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的飛行模式和控制方法如下。

2.1 垂直起降

如圖4 所示，四個旋翼的軸都保持豎直狀態(tài)，可通過改變四組旋翼轉(zhuǎn)速或總距來增加或減少升力。起飛時，四組旋翼的轉(zhuǎn)速或總距同時增加。降落和起飛時，四組旋翼的轉(zhuǎn)速或總距同時減少。對于第一類旋翼：俯仰時，左右旋翼轉(zhuǎn)速保持不變，前后旋翼的轉(zhuǎn)速一增一減；橫滾時，左右旋翼轉(zhuǎn)速不同；左偏航時，順時針旋轉(zhuǎn)的兩組旋翼增加轉(zhuǎn)速，逆時針旋轉(zhuǎn)的兩組旋翼減少轉(zhuǎn)速；右偏航時，反之。對于第二類旋翼，可以使用周期變距的方式實現(xiàn)俯仰和橫滾。

2.2 過渡狀態(tài)

如圖5 所示，安裝在機(jī)身上的兩組旋翼的軸保持豎直狀態(tài)且轉(zhuǎn)速略有增加，以產(chǎn)生飛行所需的升力。同時，安裝在機(jī)翼端部的兩組旋翼在傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動下向前傾轉(zhuǎn)，以產(chǎn)生飛行所需的推力。傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)在過渡狀態(tài)的氣動特性非常復(fù)雜，既需要計算流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）仿真模擬，也需要多次試飛驗證。過渡狀態(tài)的復(fù)雜性對傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的飛行控制系統(tǒng)也提出了很高要求。本方案相較于V-22 魚鷹具有較高的穩(wěn)定性和冗余度，能夠有效提高過渡狀態(tài)的飛行安全性，同時降低飛行員的操縱難度。

2.3 低速水平飛行

如圖6 所示，安裝在機(jī)身上的兩組旋翼轉(zhuǎn)速下降，由此導(dǎo)致的升力缺失由機(jī)翼的水平運動提供。飛機(jī)水平飛行所需的推力由安裝在機(jī)翼端部的兩組旋翼提供。該模式下，飛機(jī)的俯仰既可以由“丫”字形尾翼上半部分的偏轉(zhuǎn)動作來實現(xiàn)，也可以由前后兩組旋翼轉(zhuǎn)速一增一減來實現(xiàn)；飛機(jī)的偏航既可以由“丫”字形尾翼下半部分的偏轉(zhuǎn)動作來實現(xiàn)，也可以由左右兩組旋翼轉(zhuǎn)速一增一減來實現(xiàn)。

2.4 高速水平飛行

如圖7 所示，安裝在機(jī)身上的兩組旋翼停止轉(zhuǎn)動，并沿機(jī)身縱軸自鎖，以減少整架飛機(jī)的氣動阻力。安裝在機(jī)翼端部的兩組旋翼增加轉(zhuǎn)速，以提高飛機(jī)的飛行速度。較高的飛行速度會產(chǎn)生較大的升力，以維持飛機(jī)的水平飛行。高速飛行模式相較于垂直起降模式更節(jié)省能源，適合長距離飛行。該模式下，飛機(jī)的俯仰主要由“丫”字形尾翼上半部分的偏轉(zhuǎn)動作來實現(xiàn)，飛機(jī)的偏航主要由“丫”字形尾翼下半部分的偏轉(zhuǎn)動作來實現(xiàn)。

本新型可傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)由地面站控制。地面站安裝有專業(yè)的飛行控制軟件，后期還可融入人工智能技術(shù)，使可傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)能實現(xiàn)一鍵自動起降、失聯(lián)自動返航、自主跟蹤目標(biāo)以及地形跟隨/規(guī)避等功能。地面站具備人性化交互界面，可實時顯示傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的飛行狀態(tài)，并可根據(jù)實際任務(wù)需求添加航點和規(guī)劃航線。此外，地面站與可傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)之間采用雙冗余通信，以確?？刂浦噶钔〞场?/p>

3 新型可傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的效果

探討的新型可傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)設(shè)計方案有效融合了直升機(jī)垂直起降和固定翼飛機(jī)長時續(xù)航的雙重優(yōu)勢，能夠根據(jù)實際需要靈活切換飛行模式。它通過自鎖旋翼的方式減少了高速飛行時的氣動阻力，并經(jīng)由“丫”字形尾翼的設(shè)計實現(xiàn)了傳統(tǒng)飛機(jī)水平尾翼和垂尾的雙重功能。相比于美國的V-22 魚鷹可傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)，本方案的偏轉(zhuǎn)機(jī)翼不存在對旋翼下洗流的阻塞影響。由于傾轉(zhuǎn)過程中仍有前后兩個旋翼提供升力，故垂直起降模式和水平飛行模式之間轉(zhuǎn)換的速度范圍也更寬。此外，提供相同升力的情況下，四個旋翼的直徑要比兩個旋翼的直徑小，使其亦可通過將左右兩個旋翼作為螺旋槳以滑跑的姿態(tài)實現(xiàn)起降。

所述新型可傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)既可用于無人機(jī)領(lǐng)域，如邊境巡邏、電力巡檢、野外搜救、森林防護(hù)等，也可用于載人飛行器。如果作為無人機(jī)，本飛行器可以在很大程度上代替?zhèn)鹘y(tǒng)的巡邏、巡檢方式，大大減輕從業(yè)人員的工作強(qiáng)度和面臨的風(fēng)險，顯著提高工作效率。此外，相比于步巡、車巡，無人機(jī)巡查具有杰出的靜音性能，通常飛行高度在200 m 以上時難以被目標(biāo)察覺。如果用于通航，本飛行器可以不受地理條件限制實現(xiàn)起降，同時能實現(xiàn)比直升機(jī)更遠(yuǎn)距離的航行，特別適合往返于海島、海上鉆井平臺與大陸之間。如果用于軍航，本飛行器既能像螺旋槳飛機(jī)一樣快速抵達(dá)航空母艦或兩棲攻擊艦，又能像直升機(jī)一樣在目的地上空長時間滯留以便突擊。