國外傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)發(fā)展綜述

直升機(jī)發(fā)展至今，憑借獨(dú)特的垂直起降、低空低速飛行等優(yōu)勢，在軍用和民用領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。正是因?yàn)檫@種獨(dú)特的構(gòu)型，直升機(jī)飛行速度難以突破360km/h。長期以來，技術(shù)人員一直在探尋更先進(jìn)的技術(shù)，力圖設(shè)計(jì)一種既具有固定翼飛機(jī)高速飛行能力，又具有直升機(jī)垂直起降和空中懸停能力的新構(gòu)型飛行器。

國外傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)發(fā)展

國外傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)發(fā)展分為早期構(gòu)想階段、中期探索階段、型號應(yīng)用階段和未來概念設(shè)計(jì)階段。隨著技術(shù)的發(fā)展，傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)飛行包線不斷拓展，飛行性能不斷提升。

早期構(gòu)想階段

自20世紀(jì)30年代英國航空工程師萊斯利？埃弗雷特？拜恩斯（Leslie Everett Baynes）申請第一個傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)專利以來，國際一直對傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)研究保持高度關(guān)注，并持續(xù)加大研發(fā)投入。

早在1932年，德國飛機(jī)設(shè)計(jì)師海因里希？?？撕透駹柕?？阿赫格利斯便開始設(shè)計(jì)FW 61傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)。該機(jī)由一臺活塞發(fā)動機(jī)為動力，發(fā)動機(jī)前面的小螺旋槳用于冷卻空氣，并產(chǎn)生部分拉力。這種能在垂直方向和前飛方向產(chǎn)生拉力的構(gòu)型，是兼具垂直起降和高速巡航能力的最早飛行器之一。

1938年，德國威悉公司設(shè)計(jì)了一種傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)驗(yàn)證機(jī)，名為“威悉”P 1003/1（Weser P 1003/1）。該機(jī)有兩副傾轉(zhuǎn)旋翼，采用一臺戴姆勒-奔馳公司DB600活塞發(fā)動機(jī)驅(qū)動安裝在每個機(jī)翼翼尖的大型螺旋槳旋轉(zhuǎn)。但由于項(xiàng)目開發(fā)沒有足夠的資金，“威悉”P 1003/1傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)在1944年被放棄。

1943年，德國福克公司設(shè)計(jì)了另一款傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)Fa 269。這架雙發(fā)傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的每個機(jī)翼可安裝一臺戴姆勒-奔馳公司DB-601或DB-605活塞發(fā)動機(jī)，發(fā)動機(jī)驅(qū)動螺旋槳旋轉(zhuǎn)。該機(jī)設(shè)計(jì)最大飛行速度600km/h。在起降時，螺旋槳向下傾轉(zhuǎn)約85度達(dá)到垂直位置，F(xiàn)a 269離開地面。在飛行中，螺旋槳向上傾轉(zhuǎn)到機(jī)翼后方位置。雖然該機(jī)已經(jīng)完成風(fēng)洞試驗(yàn)，但在1944年被放棄。

由上文可知，早期傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)以活塞發(fā)動機(jī)為動力，其構(gòu)型與現(xiàn)今傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)相差無幾。受當(dāng)時航空技術(shù)與外部因素的制約，大部分概念方案僅為圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，幾乎未進(jìn)入制造、試飛階段。但無可否認(rèn)的是，概念方案的提出對后來的傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。

中期探索階段

第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，美國軍方及航空技術(shù)實(shí)力較強(qiáng)的公司展開了傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)研究。例如，陸軍空軍聯(lián)合垂直起降項(xiàng)目（The Joint U.S. Army and U.S. Air Force Convertaplane Program）。美軍開發(fā)出XV-1、XV-3、XV-15、采用傾轉(zhuǎn)涵道的X-22、采用傾轉(zhuǎn)機(jī)翼的XC-142、JVX等諸多垂直起降飛行器。最典型的機(jī)型是XV-3即貝爾公司200型（Model 200）和XV-15即貝爾公司300型（Model 300）傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)。

XV-3是貝爾公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的一種小型傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)，安裝了一臺功率為330kW的活塞發(fā)動機(jī)。XV-3首飛后，由于在懸停時存在較強(qiáng)的振動問題，轉(zhuǎn)而進(jìn)行地面試驗(yàn)和理論分析。后來，當(dāng)旋翼傾轉(zhuǎn)至17度時，XV-3又出現(xiàn)振動問題，并導(dǎo)致傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)損壞和飛行員受傷。隨后，技術(shù)人員對XV-3進(jìn)行大量改進(jìn)，加強(qiáng)了機(jī)翼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，優(yōu)化了旋翼控制系統(tǒng)。最終，XV-3實(shí)現(xiàn)了直升機(jī)模式向固定翼飛機(jī)模式轉(zhuǎn)換的飛行。在固定翼飛機(jī)模式下，該機(jī)最大平飛速度達(dá)到213km/h，最大俯沖速度達(dá)到287km/h。

較為成功的飛行試驗(yàn)對XV-3傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的發(fā)展至關(guān)重要。在隨后的美國空軍試飛中，愛德華空軍基地的軍官和工程師們一致建議美軍認(rèn)真考慮傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的軍用價值。在為期13年的驗(yàn)證試驗(yàn)階段，該機(jī)共飛行125h，開展了110次飛行姿態(tài)轉(zhuǎn)換試驗(yàn)。

隨后，美國進(jìn)行XV-15傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)研究。XV-15計(jì)劃自20世紀(jì)60年代一直持續(xù)到90年代，主要目的是驗(yàn)證技術(shù)，解決XV-3存在的問題，研究傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)如何實(shí)現(xiàn)飛行姿態(tài)轉(zhuǎn)換，為軍用民用傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)制造奠定基礎(chǔ)。

XV-15最大起飛重量6810kg，旋翼直徑7.62m，直升機(jī)模式下的最大飛行速度是222km/h，固定翼飛機(jī)模式下的最大飛行速度突破555km/h，最大飛行高度超過7000m。該機(jī)采用2臺LTC1K-4K渦軸發(fā)動機(jī)提供動力，單臺發(fā)動機(jī)海平面最大功率為1140kW，2min瞬時功率可達(dá)1323kW。槳葉通過張力-扭力條和槳距滾珠軸承聯(lián)結(jié)到鈦合金槳轂上。不銹鋼槳葉具有大扭曲度，既適合直升機(jī)模式飛行，也適合固定翼飛機(jī)模式飛行。槳葉采用貝爾公司經(jīng)過改進(jìn)的NACA 6系列中的翼型。在首次飛行試驗(yàn)前，全尺寸驗(yàn)證機(jī)完成了大量仿真試驗(yàn)。XV-15驗(yàn)證機(jī)的成功研制為后來的V-22軍用傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)、AW609民用傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)發(fā)展提供了重要支撐。

20世紀(jì)50年代至80年代，美國對傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)技術(shù)的持續(xù)探索是成功的，為美軍V-22傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的問世和服役奠定了基礎(chǔ)。隨著技術(shù)的進(jìn)一步成熟，AW609民用傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)于2003年完成首飛。近期，隨著第5架生產(chǎn)型樣機(jī)的下線，該機(jī)適航取證在穩(wěn)步推進(jìn)中。2022年底，美國陸軍宣布，V-280“勇士”傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)在“未來遠(yuǎn)程突擊機(jī)”（Future Long Range Assault Aircraft，F(xiàn)LRAA）項(xiàng)目競標(biāo)中獲勝。該機(jī)成為陸軍下一代主力運(yùn)輸機(jī)，以替代常規(guī)構(gòu)型的“黑鷹”直升機(jī)。從最初的XV-3技術(shù)驗(yàn)證機(jī)，到2022年在競標(biāo)中勝出的V-280“勇士”傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)，兼具垂直起降和高速巡航能力的傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)已經(jīng)走向成熟。

此后，貝爾公司推出了V-247傾轉(zhuǎn)旋翼無人機(jī)，以適應(yīng)未來無人化作戰(zhàn)的發(fā)展趨勢。該機(jī)可執(zhí)行情報、監(jiān)視、打擊等多樣化任務(wù)。相比于之前的傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)，V-247的短艙外部加裝了機(jī)翼，以增大機(jī)翼展弦比，提高巡航效率。短艙外部加裝的機(jī)翼隨短艙一同傾轉(zhuǎn)，可有效減小垂直增重，提高無人機(jī)垂直起飛能力。

自20世紀(jì)50年代以來，美國持續(xù)開展傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)研究，投入巨大資金，同時美國軍方也給予大力支持。最終，傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)從概念方案走向工程應(yīng)用，其中諸多經(jīng)驗(yàn)值得借鑒。

傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)技術(shù)發(fā)展

變直徑旋翼技術(shù)發(fā)展

隨著軍事和型號需求的變化，技術(shù)人員不斷對傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)技術(shù)進(jìn)行探索。傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)采用兼顧懸停效率和巡航效率的變直徑旋翼技術(shù)，能最大程度發(fā)揮空中懸停和高速巡航優(yōu)勢。

美國西科斯基公司率先對可伸縮變直徑旋翼展開研究，并進(jìn)一步探索變直徑旋翼技術(shù)在傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)上的應(yīng)用。在圖5中，當(dāng)飛行器懸停時，旋翼在機(jī)身上方，不受機(jī)身寬度限制，旋翼直徑可以適當(dāng)增大；在高速巡航時，旋翼傾轉(zhuǎn)，此時旋翼直徑需要縮小，以避免旋翼干涉機(jī)身，同時提高巡航效率。

后來，美國進(jìn)行了一系列變直徑旋翼風(fēng)洞試驗(yàn)，得到17%縮比變直徑傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)（VDTR）的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)評估了變直徑傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)在飛行姿態(tài)轉(zhuǎn)換、懸停、巡航時的飛行性能和氣動彈性。這是采用變直徑旋翼技術(shù)的傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)開展第一次風(fēng)洞試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果證明，變直徑傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)具有旋翼載荷重量可降低、懸停性能可提高、巡航模式下的縱向操縱效率可提高等潛在優(yōu)點(diǎn)。

國外技術(shù)人員創(chuàng)建了弦長、扭轉(zhuǎn)、后掠角、槳尖速度、巡航時旋翼直徑、懸停時旋翼直徑等參數(shù)模型，對變直徑旋翼進(jìn)行氣動優(yōu)化設(shè)計(jì)，并利用渦流理論方法對變直徑傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的懸停和巡航性能進(jìn)行計(jì)算。同時，國外有關(guān)文獻(xiàn)指出，槳尖后掠等復(fù)雜氣動外形對巡航性能無關(guān)緊要，并且槳尖速度越小，巡航效率越高。

總的來看，國外主要在變直徑傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)風(fēng)洞試驗(yàn)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面展開了一些實(shí)質(zhì)性工作。

停轉(zhuǎn)/折疊傾轉(zhuǎn)旋翼技術(shù)發(fā)展

另一種兼顧懸停效率和巡航效率的構(gòu)型是停轉(zhuǎn)/折疊傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)（Stop/ Fold Tilt Rotor）。這種構(gòu)型的傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)進(jìn)入固定翼飛機(jī)巡航模式后，旋翼停止旋轉(zhuǎn)，并緊貼短艙折疊起來，以減小全機(jī)阻力。此時，發(fā)動機(jī)由渦軸模式轉(zhuǎn)入渦噴模式，為前飛提供動力。早在1972年2月，貝爾公司就制造了一副直徑為7.62m的停轉(zhuǎn)/折疊傾轉(zhuǎn)旋翼模型，并進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)。但由于該旋翼結(jié)構(gòu)復(fù)雜，以及當(dāng)時項(xiàng)目沒有變循環(huán)發(fā)動機(jī)技術(shù)的支撐，因此研究被暫時擱置。

兼具垂直起降和高速巡航能力的新構(gòu)型飛行器包括復(fù)合飛行器、傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)、傾轉(zhuǎn)機(jī)翼飛行器、傾轉(zhuǎn)涵道飛行器、停轉(zhuǎn)/折疊傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)等。停轉(zhuǎn)/折疊傾轉(zhuǎn)旋翼構(gòu)型對空機(jī)重量和功率的需求適中，并且擁有更大的飛行包線，最符合未來的軍事需求。圖6顯示，傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的最大飛行速度不超過600km/h，飛行高度一般不超過8000m。而停轉(zhuǎn)/折疊傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)最大飛行速度超過800km/h，飛行高度超過10000m，飛行包線接近固定翼民航客機(jī)飛行包線。如此優(yōu)異的飛行性能讓停轉(zhuǎn)/折疊傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)擁有更加廣泛的應(yīng)用場景。

隨著變循環(huán)發(fā)動機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，2021年8月，貝爾公司推出軍用高速垂直起降（HSVOL）旋翼機(jī)概念方案。該方案涵蓋了從最大起飛重量為2t的傾轉(zhuǎn)旋翼無人機(jī)到最大起飛重量為50t的傾轉(zhuǎn)旋翼有人機(jī)等多種機(jī)型。貝爾公司將停轉(zhuǎn)/折疊傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)納入研究計(jì)劃，并于同年12月完成全尺寸驗(yàn)證機(jī)停轉(zhuǎn)/折疊旋翼技術(shù)和飛控技術(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)。該驗(yàn)證機(jī)最大飛行速度預(yù)計(jì)達(dá)到740km/h，是V-22傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)最大飛行速度的1.4倍。與此同時，貝爾公司為停轉(zhuǎn)/折疊傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)申請了專利。由此可見，貝爾公司對停轉(zhuǎn)/折疊傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)研制充滿了信心。

此外，直升機(jī)模式和固定翼飛機(jī)模式下的旋翼變轉(zhuǎn)速技術(shù)可提高傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的巡航效率，旋翼變轉(zhuǎn)速能力主要依賴于發(fā)動機(jī)變轉(zhuǎn)速能力。由于傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)前飛所需的拉力遠(yuǎn)小于懸停時旋翼產(chǎn)生的拉力。因此，傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)以較小的旋翼轉(zhuǎn)速即可實(shí)現(xiàn)高速巡航的目標(biāo)，同時降低旋翼型阻功率和誘導(dǎo)功率。目前的傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)基本都采用旋翼變轉(zhuǎn)速技術(shù)。

綜上所述，國外技術(shù)人員相繼展開了變直徑旋翼、停轉(zhuǎn)/折疊旋翼、變循環(huán)發(fā)動機(jī)等技術(shù)研究，力求不斷拓展傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的飛行包線，希望在可預(yù)見的未來，研制出飛行速度接近亞聲速的傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)。

總結(jié)

本文對傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)構(gòu)型和相關(guān)技術(shù)發(fā)展進(jìn)行分析。伴隨旋翼技術(shù)、發(fā)動機(jī)技術(shù)、氣動分析方法的發(fā)展，傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的飛行性能邊界將不斷拓展，速度-高度飛行包線逐漸向亞聲速固定翼飛機(jī)的飛行包線靠近。隨著傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)技術(shù)的日益成熟以及無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，傾轉(zhuǎn)旋翼無人機(jī)在軍用和民用領(lǐng)域中的應(yīng)用場景將更加廣闊。