张 庆，殷永亮，吴 超

（中国人民解放军61255部队，山西 临汾 041000）

1 调研原因

直升机和固定翼飞机已是很成熟的飞行器，有各自的优势。直升机可以垂直起飞和降落，不需要额外的跑道，而固定翼巡航速度大，航程远。倾转旋翼机通过其特有的飞行模式兼备了两者的优点，同时填补了直升机和固定翼飞行速度包线之间那段空白。

在军事和民用方面倾转旋翼机均能发挥巨大的作用。在军事方面，由于旋翼机出动时所需的支援较少，且不需要机场和跑道，加之维修简单、生存力强，可大大提高军队布防、缉毒、救援、拯救人质等行动的速度。在民用运输方面，倾转旋翼机的飞行速度与支线客机相近，可在没有机场的任何地区执行运输任务，适用于经济不发达地区的开发和建设，可以局部替代支线客机成为现代化空中运输网的一个重要组成部分，在商业上具有极高的价值，其运输成本要比常规直升机和固定翼飞机低。

倾转旋翼机是一种新型的飞行器，目前仍处在发展阶段，技术难度大、研制周期长、研究费用高、重大事故多。调研倾转旋翼机的发展，分析其事故的原因，对于倾转旋翼机的工程项目具有指导和借鉴的意义。

2 倾转旋翼机的发展历程

2.1 初步探索阶段

George Lehberger在1930年构想了一个可以提供升力和前飞的“Flying machine”并获得了专利，这个构想的飞行器可以提供垂直升力和向前飞行，他的构想包含了倾转旋翼两个基本的概念，一是较小的桨盘载荷，二是可以实现旋翼轴从垂直到水平状态的倾转。

1930年Baynes Heliplane设计的飞行器获得了专利，当今的倾转旋翼机外形和其设计的飞行器非常相像，由于资金问题他的设计没有获得继续的发展。

1937年横列式双旋翼的直升机Fw－61（Focke－Wulf）飞行成功，1942年，德国启动了FA－269（Focke－Achgelis）trail－rotor垂直升降飞机的项目。可惜这个项目由于第二次世界大战被迫流产。

1947年特拉华州纽卡斯尔的Transcendental飞机公司制造的Model 1－G出现在倾转旋翼机的舞台上，在一年左右的时间里成功完成了100次飞行，并成为世界上第一架可以在飞行状态完成10度倾转的飞行器，最后Model 1－G由于操作失误而导致旋翼总矩的减少，出现了坠机事故。

2.2 验证和发展阶段

2.2.1 XV－3

1950年8月，美国空军和陆军宣布正式开始倾转旋翼机设计竞争，贝尔直升机公司的Model 200方案赢得了XV－3（原编号为 XH－33）的竞争。它的两副旋翼安装在两机翼翼尖，可在水平与垂直位置之间倾转；尾部有水平尾翼、垂直尾翼、方向舵和升降舵，这种构型成为后来研制倾转旋翼机的经典构型。

1955年8月11日第一架XV－3倾转旋翼试验机以直升机模式进行了首次垂直起降飞行。在飞行试验过程中，飞行员在悬停状态经历了较大的振动。同年8月18日，在飞行测试过程中，由于旋翼动力学不稳定问题导致了XV－3硬着陆，旋翼和机体受到损坏。虽然损害不大，但引起了人们对不稳定性问题的关注。

1956年7月25日不稳定现象再次出现，迫使贝尔公司进行了一系列地面系留试验。为了研究机翼/短舱/旋翼藕合不稳定性问题，采用解析分析和试验相结合的方法。

第2架XV－3在4147号机坠毁后进行了修改以消除不稳定性问题。原来与机身顶部表面齐平的发动机冷却空气进气口被斗式进气口代替，斗的宽度从一个机翼翼根到另一个机翼翼根。

1958年在贝尔直升机公司开始飞行试验。旋翼倾转角达到30 °，空速达到205 km/h。飞行员也做了在模拟一台发动机故障条件下的自转着陆。到5月6日，在飞行测试中又遇到了旋翼振动现象，这时旋翼倾转角为40 °，XV－3再次被迫停飞。

1958年10月，XV－3继续在NASA艾姆斯研究中心风洞试验并进行了许多修改。操纵系统的刚度比原来提高了3倍，旋翼总距操纵机构加装了配重，增加了桨尖后掠角，用外撑杆支持机翼底部。同年 12月恢复飞行，XV－3旋翼倾转角达到70 °。同年12月18号，XV－3完成了从垂直直升机飞行状态到固定翼飞行状态的转换，最后倾转角达到90 °。这使XV－3成为世界上第一种实现直升机与固定翼飞行方式完全转换的倾转旋翼机。

1959年4月13日，在起落滑橇上加装了轮式起落架，仅用2/3发动机功率在60 m的跑道上进行了短距滑跑起飞。发现滑跑起飞的最佳旋翼倾转角为向前倾转10 °。同年4月到7月，美国空军和陆军的联合评定小组飞行了38个起落和29.6个飞行小时，做了40次飞行方式的转换，并在定翼机飞行方式做了20次降低旋翼转速的减速换档，又演示了从固定翼机飞行方式向直升机飞行方式无功率转换，然后安全自转着陆。飞行高度达到3 660 m。在评估报告中，虽然XV－3被指出有很多性能和飞行品质的缺陷，但是XV－3证实倾转旋翼原理用于垂直起落运输飞机是基本可行的，并证实了其技术优点。

1962年6月到7月，在12.192 m×24.384 m的风洞吹风试验，调查挥扭耦合对桨叶挥舞运动的影响和对高速飞机模式稳定性的影响。在实验过程中，通过增加短舱和旋翼的刚度使XV－3达到了287 km/h并未出现气弹不稳定现象。这些措施在一定程度上改变了初期限制XV－3的稳定性问题，但还是达不到军事需求的指标和性能参数。

为了更好地了解XV－3的不稳定性，1965年XV－3再次进入12.192 m×24.384 m风洞进行试验。机翼翼尖由于疲劳受损导致左旋翼松脱降低了刚度，产生了共振现象，从而导致了旋翼和机身分离，飞机以在风洞中解体而告终。

XV－3轻型倾转旋翼机的成功飞行试验，证实了倾转旋翼可行性，综合了直升机和固定翼飞行器的优势。同时VX－3存在着很多缺陷：①发动机功率不够，影响了悬停和巡航性能，最大平飞速度212.98 km/h不足以体现其飞机状态速度的优势，另外飞机模式的速度还受到下机翼/短舱/旋翼藕合运动的限制；②飞行品质存在问题，在地效悬停时存在横向和滚转的不稳定性，航向运动振荡发散，在低速时纵向和航向的操作响应较差；③变速换档非常复杂，转入平飞状态还需要调节油门，增加了飞行员的操作负荷。

2.2.2 XV－15

1972年，美国航空航天局和陆军开展了一项全新的、以涡轮轴发动机驱动的倾转旋翼机计划。该计划拟订生产两架原型机，耗资4 000万美元，波音和贝尔公司分别提出设计方案。经过全面评估，贝尔公司于1973年7月31日获得此项合同。

1977年5月3日，贝尔直升机公司生产的第一架尾号为N702NA的原型机在得克萨斯州阿林顿机场完成首次悬停试验。在3个小时的短暂飞行后，该机被运到 Ames研究中心进行了多项风洞实验。风洞实验以遥控方式在风洞中进行，以调查不同转换飞行模式的情况和寻找动力不平衡的原因。第二架原型机尾号为N703NA于1979年4月23日进行首次悬停试验，同年7月24日完成直升机模式和飞机模式的相互转换，到 1986年，该机累计完成1 500次模式转换飞行。

1981年7月4日至14日，第一架XV－15原型机代表贝尔直升机公司和美国陆军在巴黎航展上展出，连续11天都做了飞行表演，给世界航空爱好者和直升机界的同行留下了深刻印象。XV－15飞机在此次航展上卓越的、具有创造性的表演，促使了JVX，即后来V－22计划的诞生。

1982年夏，对一架XV－15进行了易损性评定和海上舰载试验。

1983年上半年，对另一架XV－15进行了搜索、救援和吊挂货物的评定，同年9月完成了空中模拟加油、武器发射、地形跟踪和其它机动飞行试验。1983年9月至1984年10月进行了贴地飞行评定。

尾号为N702NA的XV－15进行一系列的飞行测试后，被运回贝尔公司进行进一步的研究和改进。

尾号为N703NA的XV－15第二架原型机，在NASA做了各方面的试验，用以验证V－22和BA609（Bell/Agusta公司合作），1994年由美国国家航空航天局返回贝尔公司，用作民用倾转旋翼机的试验机并进行声学实验。

2.3 实用阶段

2.3.1 V－22

基于XV－15的出色表现，美国政府于1981年年底提出了“多军种先进垂直起落飞机”（JVX）计划，要求在XV－15的基础上研制三军共用的倾转旋翼机。1982年这项计划由美国陆军负责，1983年1月后该计划转交给了美国海军。

1983年4月26日，贝尔和波音公司与美国海军航空系统司令部签订了一项为期24个月的合同，对V－22进行初步设计。1985年1月正式将这种旋翼机命名为V－22“鱼鹰”。

1989年3月19日完成首次试飞，同年9月14日完成首次由直升机状态向固定翼状态过渡的飞行转换。

1990年4月美国政府开始对“鱼鹰”进行试验，其中包括三军试飞员15个小时的飞行试验。到1990年底已完成起飞着陆转换试飞、机翼失速试飞、单发试飞以及飞行速度高达647 km/h的试飞。同年获得美国国家航空协会颁发的“航空重大进步奖”。

1992年7月在V－22总计飞行643个起落763 h后，由于4号机在试飞中发动机舱起火后坠毁而造成临时停飞。

1993年，2号和3号机又重新试飞，并且改进了防火墙、发动机舱、放泄口及驱动轴的防热层。

1997年5月7日，首架MV－22B开始生产，1999年5月开始交付14架给海军陆战队试用。

按最初计划，美国国防部应采购913架四种型号的“鱼鹰”飞机，它们是海军陆战队使用的MV－22飞机，海军使用的HV－22飞机，空军的CV－22飞机及SV－22A飞机。但由于美国国防部对研制计划消极抵触，结果研制SV－22A飞机的计划全部被取消，整个的采购数量减少到657架。美军减少采购数量的原因为：①研制经费过高，如果按照1997年的价格来计算，每架飞机的研制经费高达 4 200万美元；②安全性差，V－22“鱼鹰”飞机一直事故频发，其中仅7架原型机就毁了4架。1991年6月11日，一架“鱼鹰”飞机在试飞中突然坠毁，造成两名人员受伤。2000年4月8日，一架“鱼鹰”飞机在进行作战评定飞行中突然坠毁，造成19人丧生。2000年12月11日晚，又一架美海军陆战队的 MV－22“鱼鹰”飞机在北加利福尼亚州进行训练时坠毁，4名机组人员全部遇难。次日（即2000年12月12日），美国国防部就下令推迟这种创新的倾转旋翼飞机的大规模生产。这几次严重飞行事故，更是将早就该完成作战评估的新概念飞行器——V－22“鱼鹰”飞机推向了失败的边缘，甚至差点葬送了它的前程。然而，“鱼鹰”飞机几度恢复飞行试验后，美国海军使用试验与评估部队终于确认 V－22“鱼鹰”飞机达到了作战效能和作战适用性要求，美国海军陆战队也认为该项目基本上接近了可以大批量生产的阶段。

2.3.2 下一代倾转旋翼机

贝尔提出了四旋翼倾转旋翼（Quad Tilt Rotor，简称QTR）方案，用于担当美军战场空运的主力。贝尔X－22是一个新的三军联合项目，采用涵道风扇。

3 事故调研分析

3.1 XV－3

XV－3试验和试飞阶段多次出现了动不稳定现象，对于机翼/短舱/旋翼藕合不稳定性问题，通过增加旋翼操纵系统刚度和给机翼加装外支撑使机翼更刚硬的办法来改善；对于旋翼桨叶颤振问题，采用半刚性旋翼更换它，并采用了较短的旋翼主轴；对于疲劳受损而致使事故的发生，应加强对易受疲劳损伤部位的定检。

3.2 XV－15

1977年9月2日，在一次地面测试中，门锁警告指示灯亮，但是从视觉上看门已闭合牢，试验继续进行，在进行前飞的模式时，舱门突然打开了，造成了右侧旋翼和门同时损坏。

1979年12月和1983年9月7号出现了两次发动机事故，一次是因为疲劳问题，一次是因为因为供油系统供油不足造成的。

此外在飞行测试和试验中还出现了桨尖打在树上、鸟撞、供油系统漏油、起落架意外放下等事故，但都没造成什么损失。

1992年8月20日，XV－15在最后一次悬停飞行中，由于飞行员操作失误，使得一测桨叶总矩达到最大值，从而致使XV－15失控，产生了滚转，导致了最后的坠机。

3.3 V－22

美国在研制军用倾转旋翼机 V－22“鱼鹰”的过程中，几乎事故不断，并且发生了四次坠机重大事故，造成30人死亡，这在航空史上都是罕见的。

1991午6月11日，由于机上3个横滚陀螺中的两个接线有错误，“鱼鹰”5号原型机在首次飞行中坠毁，所幸未造成人员伤亡。

1992年7月20日，4号原型机在弗吉尼亚州匡蒂科海航站降落时坠入波多马克河，造成3名陆战队员和4名平民丧生。事故原因是聚集在发动机短舱内的减速器润滑油被吸入发动机，着火后，燃烧的高温使传动横轴不能正常向两旋翼传输功率，使升力突然下降引起坠机事故。

2000年4月8日，海军陆战队出动两架MV－22，满载全副武装的士兵。出于突击机降的战术试验的目的，驾驶员操作发动机舱向后倾转到95度的位置，前进速度小于30节，下降速度2.5倍于作战手册规定的每分钟800英尺，达到每分钟2 000英尺，这是CH－46在作战中的典型下降速度。第一架 MV－22下降过快失控，尾部着地，受到损坏，但是无人伤亡。第二架MV－22由于下降速度太快而前飞速度太慢，在桨叶内侧产生的上洗流超过了桨叶旋转产生的下洗流，该机进入涡环状态，从而使桨叶失去升力，最后滚转坠地。机上4名机组人员和15名搭载的士兵全部丧生。

2000年11月11日，又一架MV－22因为液压系统泄漏，导致错误动作，同时加上飞行控制系统的一个错误，使错上加错，导致坠毁，4人丧生。其中包括一名美国海军驾驶MV－22经验最丰富的中尉。

4 调研结果

倾转旋翼机在发展过程中遇到了不少挫折和问题，其技术还远谈不上成熟，还有许多技术有待进一步研究和验证。因为既有旋翼又有机翼，并且要实现旋翼从垂直位置向水平位置或水平位置向垂直位置的倾转，因此在旋翼倾转过程中气动特性的确定；旋翼/机翼、旋翼/旋翼、旋翼/机体之间的气动干扰问题；结构设计；旋翼在倾转过程中的动力学分析、旋翼/机翼/短舱耦合动载荷和稳定性问题；操纵控制技术及操纵系统动力学设计等方面都遇到了许多难题。

可靠性和维修性也明显不足，飞行安全性有待提高。众所周知，可靠性的高低直接影响着安全性的好坏。机上液压系统，尤其是发动机舱内与飞行控制系统相关部分的可靠性低的问题，对倾转旋翼机的安全飞行构成了极大威胁。可靠性和维修性之所以不甚理想，除了与维护人员的技术水平、熟练程度等因素相关外，更重要的还源于飞机设计上的欠缺。事故调查人员充分地认识到了这一问题的严重性，要求贝尔和波音公司对发动机舱进行重新设计。

5 后续工作指导

为了更好的控制和模拟倾转旋翼机的飞行，必须建立精确的数学模型。在飞行力学建模的时候，要考虑到多方面的因素，建立旋翼、机翼、机身、起落架、垂尾、平尾气动模型，建立旋翼/机翼、旋翼/旋翼、旋翼/机体之间的气动干扰模型，加入操作量，对给定飞行状态：直升机模式、固定翼模式和过渡模式进行分析配平，分析其静稳定性和动稳定性，建立一个仿真的数学模型，模拟在各个控制操作输入下的倾转旋翼机的飞行，建立一个合理的控制率来实现对倾转旋翼机的控制或增稳，在实物模型上进行验证，拟定顺利实现过渡状态的飞行。

1 Martin D.Maisel, Demo J.Giulianetti, et al., The History of the XV－15 Tilt Rotor Research Aircraft From Concept to Flight,NASA SP－2000－4517, 2000

2 Bill Norton,Bell Boeing V－22 Osprey－Tiltrotor Tactical Transport, ISBN – 1857801652, 2004

3 曹素琴、王莹.旋翼机发展史话［J］.航空知识，2000（5）

4 张广林.倾转旋翼机的发展历程［J］.现代舰船，2005（5）B版