连 亮 卢欣欣 黄睿杰 高 涛

（江苏工程职业技术学院 航空与交通工程学院，南通 226007）

现有的空气动力航空器主要分为固定翼飞机和直升机两大类。前者航程远、水平飞行速度快，但是需要较长的起降跑道。后者不需要起降跑道，能够在复杂地形条件下起降，但是因为推力是靠旋翼升力的水平方向分量实现的，故水平方向速度没有固定翼飞机快。此外，因为直升机升力的产生是靠发动机驱动主旋翼产生而不是气流经过固定翼产生，故耗油率或同样飞行距离的耗电量比固定翼飞机多。在这种情况下，可倾转旋翼机应运而生。世界上第一款成熟的可倾转旋翼机是美国贝尔直升机公司研制的V-22 鱼鹰。它既可以像双旋翼横列式直升机垂直起降，也可以像螺旋桨飞机水平飞行[1-2]。

虽然可倾转旋翼机兼有固定翼飞机和直升机的优点，但是也因此导致这种构型的飞行器更加复杂，研发存在较多困难[3-4]。可倾转旋翼机的旋翼和固定翼之间存在明显的气动干扰。机翼受到旋翼气流冲击，同时机翼表面气流影响旋翼，对可倾转旋翼机的有效载荷能力产生显著影响[5]。可倾转旋翼机需要通过倾转机构（如图1 所示）实现旋翼从水平到垂直的运动，对结构设计提出了高要求。两台发动机需吊装在机翼两端，对机翼强度同样产生了不良影响[6]。因此，需要在前人的基础上进一步改进可倾转旋翼机的设计。

1 新型可倾转旋翼机的结构方案

如图2 所示，新型可倾转旋翼机有四组旋翼，其中两组安装在机身上，两组安装在机翼端部。四组旋翼呈“十”字布局。载荷较大时，四组旋翼由两台发动机驱动，以产生飞行所需的升力或推力。每台发动机都可以通过传动装置向四个旋翼输送功率。两台发动机互相备份，当其中一台发动机失效后，整架飞行器仍能够有效运行不致于坠机，只是分配到各个旋翼上的功率会有所减少。载荷较小时，旋翼可以由四个电动机来驱动。电动机相比于发动机更容易控制转速，加速性能也更好。

对于固定翼飞机，空速管通常安装在机身头部，因为此处气流不受机身、机翼以及发动机的干扰。由于四个旋翼及其下洗流的存在，本方案将空速管布置在机翼中部，以避免受到旋翼的影响。为了减少水平巡航时前方旋翼对后方旋翼的气动干扰，后方旋翼的安装位置要高于前方旋翼。这一设计理念在CH-47支奴干等纵列双旋翼直升机上已有应用。通常情况下，固定翼飞机的垂尾位于机身尾部垂直向上，用于控制飞机的偏航。本方案在机身上部布置了两组旋翼，该旋翼在水平巡航状态会产生尾流影响垂尾的气动效率。因此，本方案将尾翼设计成“丫”字形，以避免尾翼受到其前方两组旋翼的尾流的干扰。“丫”字形尾翼受飞行控制系统控制，既可以使飞机实现偏航动作，也可以使飞机实现俯仰动作。

传统的固定翼飞机的机翼是固定不动的。V-22鱼鹰可倾转旋翼机的机翼固定不动，只有旋翼可倾转，造成了旋翼与机翼之间存在严重的气动干扰问题。为了克服这一问题，本方案的机翼有一部分是和左右两旋翼一起偏转的。如图3 所示，机翼可偏转部分的长度约等于旋翼半径。这样的设计使得无论在什么模式下飞行，机翼对旋翼下洗流的阻塞都是最小的。本方案的固有缺点在于机翼两端的旋翼会对机翼带来较大的弯曲力矩，需要对旋翼与机翼的结合部、机翼本身进行额外的结构加强。

新型可倾转旋翼机的旋翼有两种类型可供选择：一类是桨叶角恒定不变；另一类是桨叶角可控可变。对于选装了第一类旋翼的可倾转旋翼机，安装在机翼端部的两组旋翼可以在倾转机构的驱动下跟随机翼可偏转部分一起转动，安装在机身前后的两组旋翼则始终保持旋转轴线竖直向上。对于选装了第二类旋翼的可倾转旋翼机，可以通过四个旋翼同步变总距的方式实现可倾转旋翼机的上升和降落，也可以通过周期变距的方式改变可倾转旋翼机的飞行姿态。第二类旋翼变总距相较于第一类旋翼变转速，具有转速恒定、减速器的传动比恒定等优点。第一类旋翼由电动机驱动，具有控制灵敏、重量轻等优点。新型可倾转旋翼机也可将两类旋翼混合使用，机身前后的两组旋翼选用第二类旋翼，机翼两端的旋翼选用第一类旋翼。这样可利用第二类旋翼的周期变距协同第一类旋翼的倾转运动，以产生更大的使飞行器向前飞行的推力。

作为无人机时，新型可倾转旋翼机可根据需求灵活选择搭载多种任务载荷，如三轴增稳云台、广角相机、红外热成像相机以及激光测距仪等。本方案采用模块化设计，可实现快速拆卸和维护。拆解后的倾转旋翼机大大缩小了横向尺寸和纵向尺寸，可装入铝合金航空箱，方便长距离转场运输。本方案的机身大量采用比强度、比刚度高的复合材料，以达到降低机身重量、提高倾转旋翼机续航能力的目的。本方案的旋翼采用已在无人机领域大规模应用的碳纤维材料。作为载人飞行器时，需要扩大新型可倾转旋翼机的内部容积，但飞行器的基本构型不变，机身可采用固定翼飞机常用的铝合金材料。

2 新型可倾转旋翼机的控制方法

本新型可倾转旋翼机的飞行模式和控制方法如下。

2.1 垂直起降

如图4 所示，四个旋翼的轴都保持竖直状态，可通过改变四组旋翼转速或总距来增加或减少升力。起飞时，四组旋翼的转速或总距同时增加。降落和起飞时，四组旋翼的转速或总距同时减少。对于第一类旋翼：俯仰时，左右旋翼转速保持不变，前后旋翼的转速一增一减；横滚时，左右旋翼转速不同；左偏航时，顺时针旋转的两组旋翼增加转速，逆时针旋转的两组旋翼减少转速；右偏航时，反之。对于第二类旋翼，可以使用周期变距的方式实现俯仰和横滚。

2.2 过渡状态

如图5 所示，安装在机身上的两组旋翼的轴保持竖直状态且转速略有增加，以产生飞行所需的升力。同时，安装在机翼端部的两组旋翼在倾转机构的驱动下向前倾转，以产生飞行所需的推力。倾转旋翼机在过渡状态的气动特性非常复杂，既需要计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）仿真模拟，也需要多次试飞验证。过渡状态的复杂性对倾转旋翼机的飞行控制系统也提出了很高要求。本方案相较于V-22 鱼鹰具有较高的稳定性和冗余度，能够有效提高过渡状态的飞行安全性，同时降低飞行员的操纵难度。

2.3 低速水平飞行

如图6 所示，安装在机身上的两组旋翼转速下降，由此导致的升力缺失由机翼的水平运动提供。飞机水平飞行所需的推力由安装在机翼端部的两组旋翼提供。该模式下，飞机的俯仰既可以由“丫”字形尾翼上半部分的偏转动作来实现，也可以由前后两组旋翼转速一增一减来实现；飞机的偏航既可以由“丫”字形尾翼下半部分的偏转动作来实现，也可以由左右两组旋翼转速一增一减来实现。

2.4 高速水平飞行

如图7 所示，安装在机身上的两组旋翼停止转动，并沿机身纵轴自锁，以减少整架飞机的气动阻力。安装在机翼端部的两组旋翼增加转速，以提高飞机的飞行速度。较高的飞行速度会产生较大的升力，以维持飞机的水平飞行。高速飞行模式相较于垂直起降模式更节省能源，适合长距离飞行。该模式下，飞机的俯仰主要由“丫”字形尾翼上半部分的偏转动作来实现，飞机的偏航主要由“丫”字形尾翼下半部分的偏转动作来实现。

本新型可倾转旋翼机由地面站控制。地面站安装有专业的飞行控制软件，后期还可融入人工智能技术，使可倾转旋翼机能实现一键自动起降、失联自动返航、自主跟踪目标以及地形跟随/规避等功能。地面站具备人性化交互界面，可实时显示倾转旋翼机的飞行状态，并可根据实际任务需求添加航点和规划航线。此外，地面站与可倾转旋翼机之间采用双冗余通信，以确保控制指令通畅。

3 新型可倾转旋翼机的效果

探讨的新型可倾转旋翼机设计方案有效融合了直升机垂直起降和固定翼飞机长时续航的双重优势，能够根据实际需要灵活切换飞行模式。它通过自锁旋翼的方式减少了高速飞行时的气动阻力，并经由“丫”字形尾翼的设计实现了传统飞机水平尾翼和垂尾的双重功能。相比于美国的V-22 鱼鹰可倾转旋翼机，本方案的偏转机翼不存在对旋翼下洗流的阻塞影响。由于倾转过程中仍有前后两个旋翼提供升力，故垂直起降模式和水平飞行模式之间转换的速度范围也更宽。此外，提供相同升力的情况下，四个旋翼的直径要比两个旋翼的直径小，使其亦可通过将左右两个旋翼作为螺旋桨以滑跑的姿态实现起降。

所述新型可倾转旋翼机既可用于无人机领域，如边境巡逻、电力巡检、野外搜救、森林防护等，也可用于载人飞行器。如果作为无人机，本飞行器可以在很大程度上代替传统的巡逻、巡检方式，大大减轻从业人员的工作强度和面临的风险，显著提高工作效率。此外，相比于步巡、车巡，无人机巡查具有杰出的静音性能，通常飞行高度在200 m 以上时难以被目标察觉。如果用于通航，本飞行器可以不受地理条件限制实现起降，同时能实现比直升机更远距离的航行，特别适合往返于海岛、海上钻井平台与大陆之间。如果用于军航，本飞行器既能像螺旋桨飞机一样快速抵达航空母舰或两栖攻击舰，又能像直升机一样在目的地上空长时间滞留以便突击。