尹昱康，王红州，蔡恒欲，牟 星，汤中恒，葛朝廷

(合肥工业大学 机械工程学院， 合肥 230009)

众所周知，在战场上，时间、效率就是生命。全球通信发达的现代战场，快速准确地运送战略物资、作战人员到指定地点，具有极重要的战略意义。直升机具有能够垂直起降的优点，对于无机场跑道的状况非常适用。然而其巡航速度较慢，不能实现快速机动。固定翼飞机巡航速度快，却需要较长的机场跑道。若机场跑道遭敌人破坏，性能再优异的固定翼飞机也无法显现其优越性。在这种情况下，倾转旋翼机应运而生。

倾转旋翼机的出现是突破常规思维的巨大飞跃。在固定翼飞机和直升机的发展如日中天时，唯有大胆尝试、善于创新才能另辟蹊径。倾转旋翼机是直升机和固定翼飞机的有机结合，不仅可以采用类似直升机垂直起降，且在空中又可以实现较高速度的巡航。可见，倾转旋翼机在战略运输上具有很高的实际价值[1-3]。另一方面，也存在一些明显的缺点及技术难题[4]，如在垂直飞行和悬停时旋翼-机翼间产生严重的气动干扰[5]。

1 倾转旋翼机的发展

倾转旋翼机的发展历史大致可分为两个阶段，即原型机研制阶段和作战实用型倾转旋翼机研制阶段。不同于普通的飞机和直升机，倾转旋翼机是新的尝试。其研制难度之大，花费时间、财力之巨都是很难想象的。在如今“一超多强”的全球格局下，只有美国有足够的实力研发倾转旋翼机。美国贝尔直升机公司是研制倾转旋翼机的典型代表，其研究领域涵盖军民两用，涉及武装型和预警型等[6]。研制修改的过程是艰难曲折的，不过倾转旋翼机的优点也在美军实际使用中得到充分体现。

1.1 原型机研制阶段

美国飞机设计师在考虑到普通直升机和固定翼飞机存在的缺点后，提出研制一种新型的介于直升机和固定翼飞机之间的飞行器。该类型飞行器在机翼两侧安装巨大的倾转机构，可以使螺旋桨从水平状态平稳旋转到垂直状态。由于其既能够像普通直升机一样垂直起降，飞行过程中又可以将螺旋桨平稳过渡到垂直状态为飞机提供拉力，该类型飞机称为“倾转旋翼机”，其三维模型如图1所示。

美国的贝尔公司和波音公司联合研制第一代倾转旋翼机原型机XV-3，其主要用于验证倾转旋翼机的飞行原理是否可靠[7]。在其飞行测试阶段，研究人员通过大量实验，获得许多数据，为其后继机型奠定基础。

在XV-3原型机之后，贝尔公司又研制了XV-15倾转旋翼机[8]。XV-15倾转旋翼机只生产了2架，研究人员同样对其进行了大量的飞行试验。在地面进行风洞吹风试验，获取机上各部位的相关参数。在空中进行了各类实战中可能进行的活动，例如：空中加油、对地空投、发射各类导弹等。

美国军方一直关注着贝尔公司和波音联合研制的倾转旋翼机发展状况，对倾转旋翼机的优点十分看重，认为其可以替代军队中较为落后的普通直升机。

1.2 实用型倾转旋翼机研制阶段

在获得研制XV-3和XV-15原型机经验的基础上，贝尔公司和波音公司开始研制实用型倾转旋翼机，即著名的V-22鱼鹰[9]。

尽管研究人员在XV-3和XV-15研制过程已进行过大量飞行试验，但新设计的V-22鱼鹰倾转旋翼机在各方面仍作出了较大的改进。新型的V-22鱼鹰机身外形与普通固定翼飞机相似，机翼两侧加装两个较大的螺旋桨。可以通过倾转机构使螺旋桨实现倾转动作，最大倾转角度可达97°30′。

V-22鱼鹰在空中巡航时，为获得较高的速度，将两个螺旋桨倾转到垂直状态，为飞机前行提供拉力，这种状态类似固定翼飞机。而当其起飞时无较长的机场跑道时，可采取使两个螺旋桨处于水平状态，这时就可看做双旋翼横列式直升机，能够实现垂直起降，特别适合于在海上作战平台起飞，且能空中悬停。事实上，不仅可以垂直起降，还可以像固定翼飞机一样滑跑起飞。这时两个巨大的螺旋桨需要倾转一个斜度，但不能完全垂直，否则螺旋桨桨叶将打到地面[10]。

根据多次飞行测试的结果，虽然这期间V-22鱼鹰也出现几次致人死亡的事故，但其各方面优点仍使美国军方给予高度评价。V-22鱼鹰得以进入全速生产阶段[11]。

2 倾转旋翼机的技术特性

倾转旋翼机具有诸多优点，其技术特性十分全面，能同时适应海陆空三军不同的作战需求。倾转旋翼机兼具直升机和普通飞机的优点，飞行包线很宽，有很大的发展潜力[12]。此外，在全球反恐行动中能发挥较大的作用。

倾转旋翼机依靠两个巨大的螺旋桨，在螺旋桨处于水平状态时，可像双旋横列式直升机一样实现垂直起降。这大大降低了对于机场跑道的依赖性，对于海上作战平台空间十分宝贵，不必为滑跑留出空间。此外，在陆上机场也可滑跑起飞。

普通直升机虽然能够实现垂直起降，但飞行速度慢。这对于战略需求中的快速机动性而言无疑是重大灾难，而倾转旋翼机在两螺旋桨处于垂直状态时，可看作螺旋桨拉力固定翼飞机，故巡航速度远高于普通直升机[13]。

相对普通直升机，倾转旋翼机由于在巡航时不仅依靠两个巨大的螺旋桨产生的拉力飞行，同时也利用自身机翼产生的升力飞行。因此，倾转旋翼机在巡航时能到达更远的范围[14]。此外，可以搭载更多的燃料，实现长距离飞行而不需中间加油，这是普通直升机不能实现的。

3 倾转旋翼机的研制难点

倾转旋翼机不同于普通直升机和飞机，它具有螺旋桨旋翼和固定翼，且要根据需要实现螺旋桨旋翼的倾转。因此，倾转旋翼机相对普通直升机和飞机，研制难度更大，技术难点更加复杂。

由于倾转旋翼机同时兼具旋翼和固定翼，其所受气动力不同于普通直升机和飞机。旋翼和固定翼间存在明显的气动干扰，机翼受到旋翼气流冲击，同时机翼表面气流也会影响旋翼，这两者对倾转旋翼机的有效载荷能力产生显著影响[15]。当倾转旋翼机垂直起降时气动特性与普通直升机相似，巡航飞行时与普通螺旋桨飞机相似。李鹏等[16]基于CFD方法分别对倾转旋翼的悬停、巡航、过渡3种典型飞行状态进行了CFD分析。但旋翼在倾转过程中的气动特性复杂，需要运用多种方法对倾转旋翼气动特性深入研究。

倾转旋翼机需要通过倾转机构(如图2所示)实现旋翼从水平到垂直的运动，这对结构设计提出很高的要求。由于两台发动机需吊装在机翼两侧，对机翼强度同样产生不良影响[17]。

由于其飞行动力学特性，在紧急情况下其螺旋桨不能像普通直升机在没有动力来源的情况下旋转[18-19]，存在很大危险性。杨喜立等[20]建立了倾转旋翼飞机的数学模型，可对飞行控制系统设计提供帮助。在倾转过程中，飞行状态在很大的范围内变化，飞行员易出现操纵困难。因此，需要安装自动操纵系统辅助飞行员的驾驶，提高倾转旋翼机的飞行安全性。

4 发展趋势

目前倾转旋翼机还未进入技术稳定期，没有丰富的经验积累。许多设计问题在飞行过程中才被发现，最大问题的是倾转旋翼机在转换模式时候的启动，大部分倾转旋翼机的事故都发生在此过程，如美国V-22“鱼鹰”在转换模式过程中螺旋桨的气动特性不稳定，由此形成飞行器底部气流不稳定，飞行器可能失去升力，这对飞行器是致命的。因此，需要对倾转旋翼机转换模式的气动特性进行深入分析和掌握，采取一定措施稳定倾转旋翼机底部气流，不致使其失去维持飞行的升力。

尽管现阶段倾转旋翼机事故率较高，但随着使用过程中对故障问题的发现及解决，倾转旋翼机的事故率必然会大幅下降。由于倾转旋翼机的固有特性，即兼具直升机与固定翼飞机优点，使得倾转旋翼机有着很大发展前景。在军用方面，配合倾转旋翼机，军队可以作出更快的快速反应，将部队投入指定的复杂战场，经改装后的倾转旋翼机亦可对前线进行火力支援。在民用方面，各地城市不可能都拥有完善的跑道，常用客机无法到达的区域，倾转旋翼机成为一个不错的选择。当然，在技术成熟的未来，倾转旋翼机会换装动力更为强劲的喷气发动机，从而提高航速和载重量。

5 结论

倾转旋翼机本身具备普通直升机和固定翼飞机的优点，可垂直起降、巡航速度快、航程范围远。在当今信息化时代，时间、效率无比重要，在战场上实现快速调度是克敌制胜的重要条件。倾转旋翼机执行任务时不要机场和跑道，生存能力强。另一方面，倾转旋翼机仍需不断完善。倾转旋翼机无疑是未来军民两用的重要机型，占有重要地位。

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