傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)特點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)分析*

張 波 吳 雄 卜振鵬 王 海

（中國(guó)人民解放軍92728部隊(duì) 上海 200436）

1 引言

傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)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［1］?？稍趦蓷襞?、航母、前線野外場(chǎng)地起降，部署靈活，機(jī)動(dòng)性好，能夠顯著提升遠(yuǎn)程快速投送能力［2～3］。

目前，只有美國(guó)、以色列和歐洲等少數(shù)國(guó)家和地區(qū)掌握先進(jìn)傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)研制關(guān)鍵技術(shù)［4］。在諸多傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)中，較為典型的是美國(guó)的V-22“魚(yú)鷹”傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)、V-280“勇士”傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)和“鷹眼”無(wú)人傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)等［5～8］。國(guó)內(nèi)尚未見(jiàn)有大中型傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)或其推進(jìn)系統(tǒng)在研或在役的相關(guān)報(bào)道，包括發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)在內(nèi)的推進(jìn)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)研制的關(guān)鍵［9～13］。

本文總結(jié)了傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)需求推進(jìn)系統(tǒng)的特征和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，詳細(xì)提出傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)需重點(diǎn)研究突破的四類關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)發(fā)展裝備和開(kāi)展技術(shù)研究提出建議。

2 傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)分類與特點(diǎn)

與飛機(jī)和直升機(jī)不同，傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)配有旋翼傾轉(zhuǎn)系統(tǒng)，兼具垂直起降和懸停、固定翼飛機(jī)狀態(tài)高速飛行能力，是一種同時(shí)具備高速巡航、大航程、短距/垂直起降功能的高效運(yùn)輸裝備［14］。由于傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)自身的特點(diǎn)，要求其推進(jìn)系統(tǒng)能夠適應(yīng)垂直起降、平飛、過(guò)渡態(tài)等多種飛行狀態(tài)，較直升機(jī)而言其推進(jìn)系統(tǒng)復(fù)雜性和研制難度也大大增加［15～19］。

按照推進(jìn)系統(tǒng)布置及傾轉(zhuǎn)方式，傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)可分為：1）傾轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)短艙式，代表機(jī)型為V-22傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)；2）傾轉(zhuǎn)旋翼/螺旋槳式，代表機(jī)型為V-280傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)；3）發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)置機(jī)身式，代表機(jī)型為“鷹眼”無(wú)人傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)。各類推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)詳見(jiàn)表1。

表1 傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)形式及特點(diǎn)

3 國(guó)外典型傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)

3.1 V-22傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)

V-22傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)是美國(guó)貝爾直升機(jī)公司與波音直升機(jī)公司在XV-15技術(shù)驗(yàn)證機(jī)基礎(chǔ)上研制。該機(jī)最大垂直起飛重量23.7t，最大速度達(dá)509km/h，典型任務(wù)半徑達(dá)到722km。推進(jìn)系統(tǒng)方面，該機(jī)采用了在兩側(cè)翼尖分別安裝傾轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)艙的布局，動(dòng)力裝置為兩臺(tái)羅·羅公司的T406-AD-400渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，其起飛功率4585kW，耗油率為0.259kg/（kW·h）（最大連續(xù)）。傳動(dòng)系統(tǒng)具備互耦驅(qū)動(dòng)功能，單發(fā)失效時(shí)由一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)旋翼，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急飛行。在垂直起降狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速15000r/min，為100%工作狀態(tài)，轉(zhuǎn)換為固定翼飛行狀態(tài)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)部件轉(zhuǎn)速降為84%。V-22傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)及T406-AD-400渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)如圖1所示。

圖1 V-22傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)及推進(jìn)系統(tǒng)

3.2 V-280傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)

在V-22傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)研制技術(shù)基礎(chǔ)上，貝爾直升機(jī)和洛·馬公司正在聯(lián)合開(kāi)展V-280傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的技術(shù)驗(yàn)證，該機(jī)于2017年12月實(shí)現(xiàn)首飛。據(jù)報(bào)道，該傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的巡航速度超過(guò)500km/h航程可以達(dá)到930km～1480km。在推進(jìn)系統(tǒng)方面，V280傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)采用了旋翼傾轉(zhuǎn)而發(fā)動(dòng)機(jī)短艙不傾轉(zhuǎn)的構(gòu)型。動(dòng)力裝置為兩臺(tái)T64-GE-419發(fā)動(dòng)機(jī)，分別被水平安裝在翼尖上。其起飛功率為3500kW，耗油率為0.286kg/（kW·h）（巡航狀態(tài)）。該構(gòu)型避免了起降狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴燃?xì)庵苯幼饔糜诘孛嫫脚_(tái)，可以減輕懸停狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)高溫燃?xì)鈱?duì)機(jī)身下部人員的傷害，還能大大減少了發(fā)動(dòng)機(jī)的工作姿態(tài)范圍，降低發(fā)動(dòng)機(jī)研制難度［20～21］。同時(shí)，因傾轉(zhuǎn)部件較少，減少了復(fù)雜的液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，提高了可靠性。但也因減速器空間緊湊、安裝載荷大，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了更高的設(shè)計(jì)研制要求。圖2為V-280傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)布局。

圖2 V-280傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)布局

3.3 “鷹眼”無(wú)人傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)

2003年，貝爾公司在V-22“魚(yú)鷹”有人傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的基礎(chǔ)上開(kāi)始研制“鷹眼”無(wú)人傾轉(zhuǎn)旋翼驗(yàn)證機(jī)，2016年實(shí)現(xiàn)首飛，最大起飛重量1020kg，最大巡航速度360km/h?！苞椦邸睙o(wú)人傾轉(zhuǎn)旋翼驗(yàn)證機(jī)為單發(fā)無(wú)人傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)位于機(jī)身中間，從而使得吊艙的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力通過(guò)中間減速器分流后分別傳遞到左、右兩側(cè)傾轉(zhuǎn)/旋翼減速器，通過(guò)減速后帶動(dòng)旋翼旋轉(zhuǎn)。該構(gòu)型缺點(diǎn)也同樣明顯，因發(fā)動(dòng)機(jī)占用機(jī)身內(nèi)部空間影響了平臺(tái)運(yùn)輸性能，同時(shí)動(dòng)力輸出傳力路線更為復(fù)雜?！苞椦邸睙o(wú)人傾轉(zhuǎn)旋翼驗(yàn)證機(jī)構(gòu)型如圖3所示。

圖3 “鷹眼”無(wú)人傾轉(zhuǎn)旋翼驗(yàn)證機(jī)

綜合來(lái)看，V-280傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)所采用的發(fā)動(dòng)機(jī)固定傾轉(zhuǎn)旋翼/螺旋槳式應(yīng)該是未來(lái)傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的主流結(jié)構(gòu)形式，有必要針對(duì)這一結(jié)構(gòu)形式的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入分析，為后續(xù)我國(guó)開(kāi)展相關(guān)研究提供支撐。

4 傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

4.1 發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)多模態(tài)工作與控制

傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)工作融合了直升機(jī)、固定翼飛機(jī)和兩者轉(zhuǎn)換的過(guò)渡態(tài)等多種工作模態(tài)，使工作范圍大幅擴(kuò)展和操作模式復(fù)雜化［22］。其推進(jìn)系統(tǒng)多模態(tài)工作和控制技術(shù)是其核心技術(shù)，該技術(shù)主要研究推進(jìn)系統(tǒng)在各工作模態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間工作的影響因素及其影響特性，尋找消除或降低影響的控制方法或措施。如工作模態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)進(jìn)氣畸變和工作穩(wěn)定性、發(fā)動(dòng)機(jī)承傳力、空氣系統(tǒng)和燃油系統(tǒng)等工作模式均發(fā)生較大變化，需對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)多模態(tài)工作特性、影響因素和控制措施進(jìn)行分析研究。

4.2 發(fā)動(dòng)機(jī)變轉(zhuǎn)速動(dòng)力渦輪設(shè)計(jì)

為確保飛行器在直升機(jī)、固定翼飛機(jī)和過(guò)渡態(tài)等不同功率模式下發(fā)動(dòng)機(jī)均具有較高效率，傾轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)需采用變轉(zhuǎn)速動(dòng)力渦輪設(shè)計(jì)。變轉(zhuǎn)速動(dòng)力渦輪由于轉(zhuǎn)速變化范圍大，低轉(zhuǎn)速工作時(shí)葉片負(fù)荷要遠(yuǎn)高于常規(guī)動(dòng)力渦輪的負(fù)荷水平。同時(shí)，在不同轉(zhuǎn)速工況下工作時(shí)，渦輪葉片還需要面臨很大范圍的攻角變化，如轉(zhuǎn)速在60%～100%范圍內(nèi)變化時(shí)，葉片攻角變化范圍可能超過(guò)60°。因此，需解決變轉(zhuǎn)速引發(fā)的攻角大范圍變化及低轉(zhuǎn)速下渦輪負(fù)荷急劇增加帶來(lái)的渦輪效率降低問(wèn)題，使動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子能夠在寬廣的工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)安全工作。

4.3 傳動(dòng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)需要適應(yīng)直升機(jī)、傾轉(zhuǎn)過(guò)渡、固定翼飛機(jī)的模式變化，在姿態(tài)變化中帶動(dòng)旋翼實(shí)現(xiàn)傾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在各種姿態(tài)工況和復(fù)雜載荷下，傳動(dòng)系統(tǒng)總體匹配設(shè)計(jì)對(duì)于傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)總體性能起到至關(guān)重要的作用［23］。相比傳統(tǒng)直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)，傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)在構(gòu)型和功能上具有非常大的差異，除了向旋翼/螺旋槳傳遞功率外，還要適應(yīng)旋翼/螺旋槳傾轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)帶來(lái)的過(guò)渡態(tài)復(fù)雜氣動(dòng)載荷。此外，在單發(fā)失效時(shí)，傳動(dòng)系統(tǒng)必須具有向兩個(gè)旋翼同時(shí)傳遞相近功率的功能，在飛行姿態(tài)變化過(guò)程中還必須保障旋翼/螺旋槳工作協(xié)調(diào)性，以上對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)提出了較高要求。

4.4 傳動(dòng)系統(tǒng)大姿態(tài)潤(rùn)滑系統(tǒng)兼容性設(shè)計(jì)

不同于直升機(jī)和戰(zhàn)斗機(jī)的大姿態(tài)機(jī)動(dòng)，傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)要求在各種姿態(tài)下均能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)依靠?jī)A轉(zhuǎn)減速器實(shí)現(xiàn)旋翼的姿態(tài)變化，其潤(rùn)滑系統(tǒng)需要適應(yīng)傾轉(zhuǎn)減速器大姿態(tài)飛行條件下穩(wěn)定工作的要求，保證在各種姿態(tài)下有足夠的滑油流量和滑油壓力，從而確保傾轉(zhuǎn)旋翼高速直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，否則容易出現(xiàn)潤(rùn)滑系統(tǒng)報(bào)警甚至危害飛行安全。因此，大姿態(tài)潤(rùn)滑系統(tǒng)兼容性設(shè)計(jì)是傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)之一。

5 結(jié)語(yǔ)

傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)及其配套推進(jìn)系統(tǒng)在國(guó)外已經(jīng)過(guò)數(shù)十年研究，部分型號(hào)列裝服役，國(guó)內(nèi)在相關(guān)領(lǐng)域雖然也探索性開(kāi)展了理論和試驗(yàn)研究，但研究技術(shù)成熟度較低，尚無(wú)法滿足傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)研制需求。總地來(lái)說(shuō)，包括發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)在內(nèi)的推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)是中國(guó)傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)發(fā)展的重要瓶頸，有必要針對(duì)性開(kāi)展研究工作。為推動(dòng)國(guó)內(nèi)傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)展，建議深化研究平臺(tái)對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)能力需求，頂層規(guī)劃傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)譜系，明確發(fā)展路線，針對(duì)變轉(zhuǎn)速動(dòng)力渦輪設(shè)計(jì)、傾轉(zhuǎn)減速器等發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)制約性技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)研究，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)集成突破。