傾轉旋翼機這麼好，為什麼仍不能取代直升機？

軍情 01-15

圖——貝爾直升機參與美國軍方FVL(未來垂直升級計劃)的競標機型V-280勇氣

本文作者：南京航空航天大學旋翼飛行器總體氣動方向博士生

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在開始長篇大論之前，我先簡要概括下本文的主要焦點。

1. 傾轉旋翼機變形機制及主要優勢

2. 從V-22魚鷹的經驗來看，就傾轉旋翼機的旋翼而言，其與常規直升機的主要區別在哪裡？

3. 傾轉旋翼機真的可以說「兼具」直升機和固定翼飛機的綜合優點嗎？

還是那句話——對專業理論興趣不大的讀者朋友，可直接到文末看結論，有任何想法歡迎探討。

1. 傾轉旋翼機的變形機制和主要優勢

圖——模型傾轉旋翼機旋翼內部系統

眾所周知，直升機旋翼獎葉在懸停狀態和前飛狀態下的工作環境是截然不同的，直升機在前飛時最大速度通常受到前行獎時壓縮性影響及後行漿葉氣流分離的限制，旋翼前飛時的氣動效率通常要比機裂低。這就使常規直升機雖然具有固定翼飛機所不具備的垂直起落和懸停能力，但是，其固有的弱點是飛得慢、飛不遠，常規直升機的最大飛行速度一般難以突破370千米時。

直升機如果能夠展術般地在空中轉換成飛機，那麼它就既能像直升機垂直起落和懸停，又能像飛機那樣飛得快、飛得遠。這就是20世紀70年代碼製成功的傾轉旋翼飛行器（或稱傾轉旋翼機）。

早在20世紀60年代，美國貝爾公司就在XV-3研究機上對這種飛行器涉及的基礎技術和關鍵設計技術進行前期研究，70年代在XV-15傾轉旋翼機上取得突破。80年代起美國軍方投入巨資由貝爾/波音公司聯合研製V-22傾轉旋翼飛行器，90年代V-22取得成功，並於1999年交付部隊使用。

傾轉旋翼飛行器將直升機的優點和固定翼飛機的優點綜合在一架飛行器上，發動機短艙安裝在機翼翼稍，發動機通過減速器帶動旋翼，旋翼/短艙組件通過一套控制機構可以在90°範圍內傾轉，兩副旋翼同轉速、轉向相反。橫向穿過機翼的協調軸把機翼兩端的發動機連接起來，以保證兩旋翼同轉速。如果一台發動機出現故障，另一台發動機可以通過該橫軸帶動兩付旋翼旋轉。兩付旋翼有各自獨立的自動傾斜器用於直升機模式的撮縱；機翼和尾翼上有副翼、襟翼、方向舵和升降舵用于飛機模式操縱。當旋翼/短艙位於垂直方向時，傾轉旋翼機像橫列式直升機一樣工作，當旋翼/短艙位於水平方向時，傾轉旋翼機像螺旋槳飛機一樣工作，當旋翼處於傾轉過程時，傾轉旋翼機的升力由機翼和旋翼共同承擔，並同時使用飛機和直升機兩套操縱。

傾轉旋翼機是新一代高速、變性能旋翼飛行器，它既能像直升機那樣不需要機場就可起飛著陸，又具有比普通直升機塊得多的巡航速度和夫的航程。V-22傾轉旋翼機速度可達到500km/h以上，航程可達到3000km。因此，這種旋翼飛行器具有廣闊的應用前景和發展潛力。

2. 傾轉旋翼與常規直升機大旋翼的差異

圖——常規直升機旋翼

傾轉旋翼機由於要兼顧直升機模式和固定翼飛機模式的要求，因此，其旋翼與常規直升機旋翼有明顯不同。

1. 首選是旋翼的尺寸相比於常規直升機要小許多；

2. 旋翼的轉速一般要比直升機更大；

3. 旋翼一般都是剛性槳葉，不想直升機中那樣既有剛性、半剛性還有全鉸接；

4. 槳葉採用了很大的負扭轉（V-22槳葉負扭轉達47°——也就是說槳根部位的槳葉安裝角比槳尖部位的安裝角大了47°），並且沿展向翼型布置與弦長變化大；

5. 旋翼連同發動機短艙支撐在彈性機翼上，其支持剛度低，不同狀態下支持剛度是變化的。

由於這些特點，使傾轉旋翼機的空氣動力學特性、動力學特性及飛行動力學特性與常規直升機有很大的差異，特別是旋翼傾轉過程中的動態氣動特性、氣彈動力學特性、飛行動力學及飛行控制等問題都是其他飛行器所沒有的。

3. 傾轉旋翼機「兼具」直升機和固定翼飛機的優勢？

不見得。

3.1 首先是直升機

平常我們說傾轉旋翼機具備直升機的優點，一般就是說他能夠像直升機一樣垂直起降、懸停、以及進行一些低速機動飛行。

沒錯，這的確是直升機相對其他飛行器來說具備的獨特優勢，但不能簡單的說，只要具備了這種能力的飛行器，就是具備了直升機的優勢。

一個東西能不能幹一件事情不能說是優勢，只能說是能力而已，一個東西擅不擅長干一件事情，這才是優勢。

圖——典型大尺寸旋翼的直升機懸停

a. 先說懸停

氣動方面的情況：

直升機的懸停性能此處不在贅言，我著重說說，為什麼傾轉旋翼機的懸停性能達不到直升機的水平。

在展開論述之前，我先說一下，在行業內一般是怎麼評判一架旋翼飛行器的懸停性能的，我們一般採用一個叫誘導功率，這樣一個值來評判這個懸停性能。誘導功率是個什麼概念呢？眾所周知，直升機懸停的時候，他會消耗多種多樣的功率，其中一種功率是用來牽引這個氣流，從槳盤上方運動到槳盤下方，然後氣流就會對旋翼產生一個反作用力，而這個力就是旋翼的拉力，直升機就是通過這個與總重相同的拉力來保持直升機懸停在空中，這種牽引氣流所需的功率被稱為誘導功率，在懸停和低速狀態下，誘導功率是發動機輸出總功率的主要組成部分，一般而言，懸停狀態下，誘導功率會佔到總功率的75%及以上。

根據能量守恆的原理，要產生一個相同的拉力，就要牽引相同量的氣流到旋翼的下方，那麼，相對於常規直升機而言，傾轉旋翼的旋翼尺寸更小，也就是說槳盤面積更小，那麼他要牽引和常規直升機大尺寸旋翼相同的氣流，就需要更大的牽引速度。這個牽引速度呢，在行業內被稱為誘導速度，誘導速度和旋翼拉力的成績就是誘導功率，那麼現在旋翼拉力和總重都是保持一致的，誘導速度越大，誘導功率就會越大。因為傾轉旋翼的鍵盤尺寸遠小於常規直升機，所以它的誘導功率也比直升機都用的功率要大許多，因而它的誘導功率要大許多，這對於懸停來說是很不經濟的。

懸停穩定性方面的情況：

假如現在有一陣突風吹來，直升機駕駛員僅僅需要通過對旋翼的總距桿和周期變矩桿進行一些調整，就可以抵消突風對懸停狀態中直升機的影響，而傾轉旋翼機呢？

突風不僅會影響傾轉旋翼機橫列的雙旋翼，而且會影響到傾轉旋翼機較長的兩側機翼。傾轉旋翼機飛行員往往要通過複雜的操縱，才能抵消突風的影響。從這個方面來說，傾轉旋翼機的懸停穩定性也不如直升機。

b. 低速機動能力

就以V-22為例吧，其旋翼系統的過載能力為1.4，而典型直升機的旋翼過載能力為3.5，差距有一倍之多，這是為何？

可能有些讀者朋友對這個過載能力這個詞不太清楚，我先解釋一下過載能力，過載能力的意思就是說，這個旋翼在進行大機動轉彎或者突然拔高等大機動特種飛行時候，其旋翼系統會承受比總重更大的拉力，這個拉力與總重的比值就是過載係數，也就是過載能力，比如說過載能力1.4，就是旋翼可以承受1.4倍的總重，過載能力3.5，就是旋翼可以承受3.5倍的總重。

傾轉旋翼之所以過載能力比較弱，主要原因還是因為他旋翼尺寸比較小，因為他旋翼尺寸比較小，卻仍要承擔全部的總重，因而它的旋翼載荷本身就會比較高，在這種高負載運轉下的旋翼是很難承受更大的過載的。

3.2 然後是固定翼