圖——貝爾直升機(jī)參與美國(guó)軍方FVL(未來(lái)垂直升級(jí)計(jì)劃)的競(jìng)標(biāo)機(jī)型V-280勇氣

在開(kāi)始長(zhǎng)篇大論之前，我先簡(jiǎn)要概括下本文的主要焦點(diǎn)。

• 1. 傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)變形機(jī)制及主要優(yōu)勢(shì)
• 2. 從V-22魚(yú)鷹的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，就傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的旋翼而言，其與常規(guī)直升機(jī)的主要區(qū)別在哪里？
• 3. 傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)真的可以說(shuō)“兼具”直升機(jī)和固定翼飛機(jī)的綜合優(yōu)點(diǎn)嗎？

還是那句話——對(duì)專業(yè)理論興趣不大的讀者朋友，可直接到文末看結(jié)論，有任何想法歡迎探討。

1. 傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的變形機(jī)制和主要優(yōu)勢(shì)

圖——模型傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)旋翼內(nèi)部系統(tǒng)

眾所周知，直升機(jī)旋翼獎(jiǎng)葉在懸停狀態(tài)和前飛狀態(tài)下的工作環(huán)境是截然不同的，直升機(jī)在前飛時(shí)最大速度通常受到前行獎(jiǎng)時(shí)壓縮性影響及后行漿葉氣流分離的限制，旋翼前飛時(shí)的氣動(dòng)效率通常要比機(jī)裂低。這就使常規(guī)直升機(jī)雖然具有固定翼飛機(jī)所不具備的垂直起落和懸停能力，但是，其固有的弱點(diǎn)是飛得慢、飛不遠(yuǎn)，常規(guī)直升機(jī)的最大飛行速度一般難以突破370千米時(shí)。

直升機(jī)如果能夠展術(shù)般地在空中轉(zhuǎn)換成飛機(jī)，那么它就既能像直升機(jī)垂直起落和懸停，又能像飛機(jī)那樣飛得快、飛得遠(yuǎn)。這就是20世紀(jì)70年代碼制成功的傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器（或稱傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)）。

早在20世紀(jì)60年代，美國(guó)貝爾公司就在XV-3研究機(jī)上對(duì)這種飛行器涉及的基礎(chǔ)技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行前期研究，70年代在XV-15傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)上取得突破。80年代起美國(guó)軍方投入巨資由貝爾/波音公司聯(lián)合研制V-22傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器，90年代V-22取得成功，并于1999年交付部隊(duì)使用。

傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器將直升機(jī)的優(yōu)點(diǎn)和固定翼飛機(jī)的優(yōu)點(diǎn)綜合在一架飛行器上，發(fā)動(dòng)機(jī)短艙安裝在機(jī)翼翼稍，發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)減速器帶動(dòng)旋翼，旋翼/短艙組件通過(guò)一套控制機(jī)構(gòu)可以在90°范圍內(nèi)傾轉(zhuǎn)，兩副旋翼同轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向相反。橫向穿過(guò)機(jī)翼的協(xié)調(diào)軸把機(jī)翼兩端的發(fā)動(dòng)機(jī)連接起來(lái)，以保證兩旋翼同轉(zhuǎn)速。如果一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障，另一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)可以通過(guò)該橫軸帶動(dòng)兩付旋翼旋轉(zhuǎn)。兩付旋翼有各自獨(dú)立的自動(dòng)傾斜器用于直升機(jī)模式的撮縱；機(jī)翼和尾翼上有副翼、襟翼、方向舵和升降舵用于飛機(jī)模式操縱。當(dāng)旋翼/短艙位于垂直方向時(shí)，傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)像橫列式直升機(jī)一樣工作，當(dāng)旋翼/短艙位于水平方向時(shí)，傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)像螺旋槳飛機(jī)一樣工作，當(dāng)旋翼處于傾轉(zhuǎn)過(guò)程時(shí)，傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的升力由機(jī)翼和旋翼共同承擔(dān)，并同時(shí)使用飛機(jī)和直升機(jī)兩套操縱。

傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)是新一代高速、變性能旋翼飛行器，它既能像直升機(jī)那樣不需要機(jī)場(chǎng)就可起飛著陸，又具有比普通直升機(jī)塊得多的巡航速度和夫的航程。V-22傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)速度可達(dá)到500km/h以上，航程可達(dá)到3000km。因此，這種旋翼飛行器具有廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2. 傾轉(zhuǎn)旋翼與常規(guī)直升機(jī)大旋翼的差異

圖——常規(guī)直升機(jī)旋翼

傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)由于要兼顧直升機(jī)模式和固定翼飛機(jī)模式的要求，因此，其旋翼與常規(guī)直升機(jī)旋翼有明顯不同。

• 1. 首選是旋翼的尺寸相比于常規(guī)直升機(jī)要小許多；
• 2. 旋翼的轉(zhuǎn)速一般要比直升機(jī)更大；
• 3. 旋翼一般都是剛性槳葉，不想直升機(jī)中那樣既有剛性、半剛性還有全鉸接；
• 4. 槳葉采用了很大的負(fù)扭轉(zhuǎn)（V-22槳葉負(fù)扭轉(zhuǎn)達(dá)47°——也就是說(shuō)槳根部位的槳葉安裝角比槳尖部位的安裝角大了47°），并且沿展向翼型布置與弦長(zhǎng)變化大；
• 5. 旋翼連同發(fā)動(dòng)機(jī)短艙支撐在彈性機(jī)翼上，其支持剛度低，不同狀態(tài)下支持剛度是變化的。

由于這些特點(diǎn)，使傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)特性、動(dòng)力學(xué)特性及飛行動(dòng)力學(xué)特性與常規(guī)直升機(jī)有很大的差異，特別是旋翼傾轉(zhuǎn)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)氣動(dòng)特性、氣彈動(dòng)力學(xué)特性、飛行動(dòng)力學(xué)及飛行控制等問(wèn)題都是其他飛行器所沒(méi)有的。

3. 傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)“兼具”直升機(jī)和固定翼飛機(jī)的優(yōu)勢(shì)？

不見(jiàn)得。

3.1 首先是直升機(jī)

平常我們說(shuō)傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)具備直升機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，一般就是說(shuō)他能夠像直升機(jī)一樣垂直起降、懸停、以及進(jìn)行一些低速機(jī)動(dòng)飛行。

沒(méi)錯(cuò)，這的確是直升機(jī)相對(duì)其他飛行器來(lái)說(shuō)具備的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，但不能簡(jiǎn)單的說(shuō)，只要具備了這種能力的飛行器，就是具備了直升機(jī)的優(yōu)勢(shì)。

一個(gè)東西能不能干一件事情不能說(shuō)是優(yōu)勢(shì)，只能說(shuō)是能力而已，一個(gè)東西擅不擅長(zhǎng)干一件事情，這才是優(yōu)勢(shì)。

圖——典型大尺寸旋翼的直升機(jī)懸停

a. 先說(shuō)懸停

氣動(dòng)方面的情況：

直升機(jī)的懸停性能此處不在贅言，我著重說(shuō)說(shuō)，為什么傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的懸停性能達(dá)不到直升機(jī)的水平。

在展開(kāi)論述之前，我先說(shuō)一下，在行業(yè)內(nèi)一般是怎么評(píng)判一架旋翼飛行器的懸停性能的，我們一般采用一個(gè)叫誘導(dǎo)功率，這樣一個(gè)值來(lái)評(píng)判這個(gè)懸停性能。誘導(dǎo)功率是個(gè)什么概念呢？眾所周知，直升機(jī)懸停的時(shí)候，他會(huì)消耗多種多樣的功率，其中一種功率是用來(lái)牽引這個(gè)氣流，從槳盤(pán)上方運(yùn)動(dòng)到槳盤(pán)下方，然后氣流就會(huì)對(duì)旋翼產(chǎn)生一個(gè)反作用力，而這個(gè)力就是旋翼的拉力，直升機(jī)就是通過(guò)這個(gè)與總重相同的拉力來(lái)保持直升機(jī)懸停在空中，這種牽引氣流所需的功率被稱為誘導(dǎo)功率，在懸停和低速狀態(tài)下，誘導(dǎo)功率是發(fā)動(dòng)機(jī)輸出總功率的主要組成部分，一般而言，懸停狀態(tài)下，誘導(dǎo)功率會(huì)占到總功率的75%及以上。

根據(jù)能量守恒的原理，要產(chǎn)生一個(gè)相同的拉力，就要牽引相同量的氣流到旋翼的下方，那么，相對(duì)于常規(guī)直升機(jī)而言，傾轉(zhuǎn)旋翼的旋翼尺寸更小，也就是說(shuō)槳盤(pán)面積更小，那么他要牽引和常規(guī)直升機(jī)大尺寸旋翼相同的氣流，就需要更大的牽引速度。這個(gè)牽引速度呢，在行業(yè)內(nèi)被稱為誘導(dǎo)速度，誘導(dǎo)速度和旋翼拉力的成績(jī)就是誘導(dǎo)功率，那么現(xiàn)在旋翼拉力和總重都是保持一致的，誘導(dǎo)速度越大，誘導(dǎo)功率就會(huì)越大。因?yàn)閮A轉(zhuǎn)旋翼的鍵盤(pán)尺寸遠(yuǎn)小于常規(guī)直升機(jī)，所以它的誘導(dǎo)功率也比直升機(jī)都用的功率要大許多，因而它的誘導(dǎo)功率要大許多，這對(duì)于懸停來(lái)說(shuō)是很不經(jīng)濟(jì)的。

懸停穩(wěn)定性方面的情況：

假如現(xiàn)在有一陣突風(fēng)吹來(lái)，直升機(jī)駕駛員僅僅需要通過(guò)對(duì)旋翼的總距桿和周期變矩桿進(jìn)行一些調(diào)整，就可以抵消突風(fēng)對(duì)懸停狀態(tài)中直升機(jī)的影響，而傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)呢？

突風(fēng)不僅會(huì)影響傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)橫列的雙旋翼，而且會(huì)影響到傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)較長(zhǎng)的兩側(cè)機(jī)翼。傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)飛行員往往要通過(guò)復(fù)雜的操縱，才能抵消突風(fēng)的影響。從這個(gè)方面來(lái)說(shuō)，傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的懸停穩(wěn)定性也不如直升機(jī)。

b. 低速機(jī)動(dòng)能力

就以V-22為例吧，其旋翼系統(tǒng)的過(guò)載能力為1.4， 而典型直升機(jī)的旋翼過(guò)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(duì)這個(gè)過(guò)載能力這個(gè)詞不太清楚，我先解釋一下過(guò)載能力，過(guò)載能力的意思就是說(shuō)，這個(gè)旋翼在進(jìn)行大機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)彎或者突然拔高等大機(jī)動(dòng)特種飛行時(shí)候，其旋翼系統(tǒng)會(huì)承受比總重更大的拉力，這個(gè)拉力與總重的比值就是過(guò)載系數(shù)，也就是過(guò)載能力，比如說(shuō)過(guò)載能力1.4，就是旋翼可以承受1.4倍的總重，過(guò)載能力3.5，就是旋翼可以承受3.5倍的總重。

傾轉(zhuǎn)旋翼之所以過(guò)載能力比較弱，主要原因還是因?yàn)樗沓叽绫容^小，因?yàn)樗沓叽绫容^小，卻仍要承擔(dān)全部的總重，因而它的旋翼載荷本身就會(huì)比較高，在這種高負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)下的旋翼是很難承受更大的過(guò)載的。

3.2 然后是固定翼

圖——固定翼飛機(jī)

為什么說(shuō)傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)其實(shí)并沒(méi)有兼具固定翼飛行器的優(yōu)勢(shì)呢？主要原因還是它不夠快。畢竟傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器的旋翼在設(shè)計(jì)的時(shí)候要兼顧垂直起降、懸停以及前飛能力，因而它在氣動(dòng)設(shè)計(jì)上比較折衷，這就導(dǎo)致它在前飛的時(shí)候，旋翼并不能像常規(guī)螺旋槳飛機(jī)一樣在最優(yōu)氣動(dòng)條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，因而它的前飛速度和效率還是趕不上固定翼飛行器的。

這個(gè)問(wèn)題的解決或許有賴于旋翼變形（變直徑、變扭轉(zhuǎn)、甚至變翼型）等技術(shù)的成熟吧，目前這方面國(guó)內(nèi)外都已經(jīng)展開(kāi)研究了。

總結(jié)

總結(jié)的話說(shuō)多了你們又要嫌我啰嗦，那就說(shuō)一句——傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)懸停和低速能力及經(jīng)濟(jì)性還遠(yuǎn)不如同檔次直升機(jī)，前飛能力又遠(yuǎn)不如同檔次固定翼飛機(jī)，但是它的存在填補(bǔ)了兩者之間的空白，給航空界帶來(lái)了新的思路，也催生了各種新概念飛行器的進(jìn)步，從這個(gè)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，它確實(shí)很優(yōu)秀！

圖——美國(guó)防務(wù)最新傾轉(zhuǎn)風(fēng)扇飛行器（計(jì)劃投入10億美金研制，但是主要由于發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)困難，目前已經(jīng)暫停）