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内阁首辅的航空航天与历史博客

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中国版的V-22“鱼鹰”何时能起飞?  

2013-09-08 15:24:13|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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[引言]95日举行的第二届天津国际直升机博览会上,中航工业直升机设计研究所展出一款名为“蓝鲸”的倾转旋翼机模型,从外形上看与更加先进的V-44有些雷同,被喻为中国版的V-22“鱼鹰”。根据相关资料,“蓝鲸”四倾转旋翼机起飞重量可达到60吨级,目前美军使用V-22“鱼鹰”倾转旋翼机最大起飞重量为27.44吨,显然“蓝鲸”要比“鱼鹰”大很多。姑且不论“蓝鲸”能否按时出现在我军装备序列中,但它的出现使得军迷们对我国未来大型直通甲板两栖登陆舰有了更加充分的想象空间。

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1 第二届天津国际直升机博览会上展出的“蓝鲸”的倾转旋翼机模型与V-44作战想象图

倾转旋翼机属于旋翼飞行器,依靠旋翼高速旋转产生升力,旋翼飞行器中最耳熟能详的就是(单旋翼)直升机了,其最大的特点是有一个巨大的旋翼结构和平衡扭矩的尾桨,这样的结构在进行前飞时会形成严重不对称的气动,摆振环境非常复杂,而共轴反转的双旋翼可以解决这一问题,比如Ka-50/52等,但此类气动布局的旋翼飞行器受到速度限制,即旋翼桨叶垂直桨尖随着速度增加出现激波失速,反流导致升力下降,因此单旋翼直升机最大速度一般在360公里每小时左右。

由此一种具有固定翼飞行器和旋翼直升机特点的概念就被提出,即倾转旋翼机。以美军的V-22为例,在其机翼两端安装了倾转短舱,通过倾转机构实现不同角度的倾转,完整的机翼结构由对称的倾转短舱、机翼、控制系统以及桨毂、叶组成,似横列双旋翼飞行器,从起飞到平飞阶段都由旋翼倾转角度实现。倾转旋翼机可进行垂直起降、悬停、侧/后飞等旋翼飞行器必备的飞行本领,当倾转短舱倾转角为90°时又可获得螺旋桨飞机的速度,提高飞行航程,倾转旋翼机的飞行包线较大,几乎涵盖了直升机和涡轮螺旋桨飞机的飞行包线,可在9000米下完美结合两种飞行器的气动特点。当然,并不可认为倾转旋翼机可完成固定翼螺旋桨飞行的任一动作,比如倾转旋翼机无法使用90°倾转角着陆,巨大的旋翼会碰到地面,这决定了倾转旋翼机的起降需要从直升机模式到过渡段模式,再到固定翼模式。

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2 传统的直升机受到速度限制,最大速度一般在360公里每小时左右

倾转旋翼机拥有速度快、大航程、装得多和技术门槛高等特点,美军的V-22携带两个大油箱转场航程可接近4000公里,完全可以从关岛直飞上海,运载能力强,150米高度悬停时噪声可控制在80分贝左右,其最大时速可达到每小时650公里,平飞状态时机翼可产生升力,油耗率相对较低。但是倾转旋翼机的研制技术难度大,弹性机翼和两个巨大的旋翼之间有着复杂的气动和惯性耦合,体积和质量较大的倾转短舱放置在机翼远端,可导致机翼出现弯曲变形,耦合变形明显。目前较为成熟的V-22倾转旋翼机更是贝尔直升机公司等经过半个多世纪的技术积累结果,在研发过程中七架原型机摔了一半,总投资在500亿美元以上。从以上信息可以看出,“蓝鲸”倾转旋翼机的研发工作应该说面临着多重困难,资金和技术这两个方向上需要大规模投入,但由于此类飞行器具有极强机动能力,通过纯推力矢量控制技术实现垂直/短距起降和高速巡航,是未来两栖登陆作战的理想空中平台。

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3 美军装备的V-22是倾转旋翼机的代表之作

倾转旋翼飞行器概念最早可追溯到上个世纪三十年代,Weserflug飞机制造公司的德国工程师们开始研制横列式双旋翼飞行器,其主要任务是对地火力打击,由于其具有直升机的悬停性能,因此在对坦克目标的攻击上精度更高,德军指挥官希望其能阻击苏联的坦克集群。第二次世界大战结束后,德军相当前卫的横列式双旋翼飞行器计划也不了了之。1947年,特拉华州的飞机公司研制出Model 1G倾转旋翼飞行器,但是技术上依然没有突破。1950年,贝尔直升机公司推出了XH-33倾转旋翼方案,倾转短舱布置的机翼两端,通过控制倾角实现垂直起飞、过渡前飞和平飞动作,XH-33方案的尾部都设计了垂尾平尾以及舵面。1955年是倾转旋翼机研发史上的关键一年,XV-3验证机第一次完成垂直起降飞行,1958XV-3验证机实现了倾转角为直角的飞行,但是XV-3验证机依然存在气动弹性不稳定的问题,直接导致了一次损毁事故。可以认为XV-3验证机完成了固定翼飞行器与旋翼飞行器的自由切换,是倾转旋翼机的技术原型。当然XV-3验证机的结局似乎有些戏剧性,1965年的测试中出现了翼尖疲劳和共振,导致XV-3的机身与旋翼解体。

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4 XV-3验证机是早期的倾转旋翼方案

1970年代,波音和贝尔开始争夺美国陆军的倾转旋翼计划,贝尔直升机公司研制的XV-15原型机表现不俗,甚至在巴黎航展上大秀一番,其最大起飞重量可达到6吨,水平飞行速度在550630千米每小时之间,美国陆军随即对XV-15进行了一系列测试飞行,在1992年之前共完成了空中加/受油、上舰评估、地形跟踪飞行能力评估、火力打击、吊运能力、飞行品质、噪声等验证性测试。80年代后,倾转旋翼机无疑获得了美国陆军的支持,并提出JVX“多军种先进垂直起降飞行器”项目,旨在研制出可海陆空三军通用的倾转旋翼平台,由此引出了V-22“鱼鹰”。80年代末到90年代初是V-22的蓬勃发展期,单发、失速、倾转短舱自由切换等测试上表现完美,然后就开始出现各种“摔”,就目前看来,V-22是最成功的案例,横列式双旋翼成为倾转旋翼机的经典布局。除了V-22“鱼鹰”外,还有多款倾转旋翼机方案,比如波音公司的高级民用倾转旋翼(ACT)方案,无人驾驶的“鹰眼”倾转旋翼机、NASA大型民用倾转旋翼机计划、西科斯基公司的RVR反转速旋翼机、贝尔公司的120座民用型四桨倾转旋翼机、欧洲的EuroFAR倾转旋翼机项目、变直径倾转旋翼计划以及贝尔、阿古斯塔的BA-609 倾转旋翼机等。国外在倾转旋翼机的研究上起步较早,在1974年就建立了多个针对倾转旋翼机的工程模型,90年代时主要研究倾转旋翼机气弹特性和稳定性问题,这些技术都有助于后续倾转旋翼机项目在倾转过渡状态下应对复杂的动力学特性。

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5无人驾驶的“鹰眼”倾转旋翼机

倾转旋翼机在两栖登陆、敌后快速渗透等军事领域有着不可估量的潜力,美国海军陆战队和美国海军装备400架以上MV-22BCV-22B,并以每年35架左右的速度增加。CV-22B完全适合两栖突击舰搭载,比起MH-53J/G等平台,CV-22B可执行特种部队快速插入、撤出任务,如果配合空中加油机,作战半径可覆盖2000公里内的任一切入点,非常适合营救人质等任务,不进行空中加油的活动半径为850公里左右,抵达目标区域后,可在26秒内从250节减速0,至少运送24名全副武装的士兵或12副担架,起飞段发动机短舱在6075度之间实现过渡飞行,在18秒之内加速到130节的速度,如果在两栖攻击舰上使用40米的滑跑起飞,载重量可以提高3吨左右,同时在红外抑制、隐身、电子对抗、主被动警告抗干扰方面有着优异之处,可以说倾转旋翼是未来旋翼飞行器的发展方向之一,具有航程大、速度快、运载量大(V-22可投送一个加强步兵班,“蓝鲸”的运载能力可达到V-2223倍)、油耗低,在登陆作战和特种渗透任务方面有着极大的优势。

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6 倾转旋翼机在应用范围很广,在登陆作战和特种渗透任务方面有着极大的优势

倾转旋翼机对我国航空领域研究而言是一项巨大的挑战,对倾转旋翼气动的研究需要建立完善的风洞试验台和相关技术,欧美发展倾转旋翼时投入了大量资源建设风洞,对倾转旋翼的涡环特性和气弹特性进行重点研究和测试,比较典型的有TDT风洞、DNW-LIF风洞等,兰利研究中心、贝尔直升机公司和波音都有着丰富的倾转旋翼风洞测试经验,可验证旋翼与机翼、旋翼与尾翼以及两幅旋翼之间的产生的干扰特性,“蓝鲸”拥有四旋翼,因此考虑的问题更多,四旋翼之间、四旋翼与尾翼还有机翼之间的气动和声学影响需要大量测试评估,对飞行包线之内的颤振裕度进行深入分析,除了建立全尺寸试验台等各种风洞技术,还需要对涡迹、尾涡速度以及流场进行测量,有助于显著提升飞行器的操纵性能。V-22在风洞测试阶段,倾转短舱在倾角变化可需要在20秒之内完成,这种变化对快速起降有着很大优势,但是却会带来诸多桨叶间扰流和机翼负升力的干扰,当遇到四台倾转短舱时,其气动和动力学问题会更加突出。

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7 TDT风洞中的V-22验证机进行气动弹性测试

我国对倾转旋翼的研究起步较晚,甚至在10年前还处于概念研究阶段,相比较于西方国家从XV-3XV-15,再到V-22的发展近50年的路子,我国在这方面几乎没有现成的验证机,中国空气动力研究与发展中心建立的4米和2米径旋翼试验台也是最近20年的业绩,其中8×6风洞和4×3风洞是研究倾转旋翼的基础性设施。最近几年,我国对倾转旋翼的研究集中在过渡段气动特性研究、旋翼与机翼、旋翼与机翼的气动弹性耦合稳定性、动力学和飞控技术、变直径倾转旋翼动力学技术等领域,飞行试验也仅体现在小型无人倾转旋翼验证平台,这些进步仅仅是基础性的研究,距离四旋翼倾转旋翼样机制造阶段还有相当的距离。

倾转旋翼机的结构与其他飞行器不同,传统意义上的倾转旋翼机在机翼两端各安装倾转组件,“蓝鲸”则有两幅机翼,拥有四个倾转组件,是一种四旋翼横列式布局。起飞和降落、平飞过程与双旋翼的V-22较为类似:垂直起降模式、倾转过渡模式以及固定翼飞行模式,“蓝鲸”的尺寸比V-22要大很多,在航程和载重量指标上具有压倒性的优势,到随之而来的动力学和姿态控制问题也更加突出,V-22原型机摔掉一半的原因涉及到多起飞行状态控制问题。“蓝鲸”的四旋翼特点也决定了机翼与旋翼之间以及旋翼间的诱导速度场干扰明显,机翼下洗流可形成喷泉效应,增大四旋翼诱导速度,在直升机模式悬停状态下时,不稳定性突出。1956年,XV-3在进行测试时就出现严重的旋翼空中不稳定问题,V-22第五架原型机在进行4.57米高度悬停时失控,机身出现纵向摆动和尾重情况。倾转旋翼的气动弹性问题主要大量的风洞吹风或者系留试验解决,在XV-3的测试过程中,为了解决动力学不稳定问题,将三片全铰接式旋翼桨叶换成2片旋翼桨叶,简化气动弹性来提高动力学稳定。事实上,倾转旋翼机最大障碍来自旋翼的失速颤振,其涉及到气动特性稳定性问题,是动力学与控制技术的研发重点。

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8 XV-15验证机进行了大量倾转旋翼技术的测试

倾转旋翼在起飞和悬停过程中需要从直升机模式向固定翼飞行模拟转变,其中涉及到升力匹配和操纵冗余的问题,升力转变由旋翼向机翼过渡,过渡飞行的操纵方式极为复杂,对旋翼、机翼、倾转短舱还有尾翼舵面之间的气动模型。倾转旋翼机在前飞时出现的问题似乎也不小,比如桨叶挥舞摆振可引发机翼、倾转短舱还有旋翼之间的模态阻尼降低,临界状态下失稳现象严重,因此倾转旋翼在前飞、悬停等阶段需要更加稳定的气动弹性,这与旋翼系统的设计存在较大关系。

倾转旋翼机在起飞、降落阶段需要飞行模式的切换,对相关控制技术要求格外突出,2000年一架进行作战评估的165436V-22在降落过程中失控,其在低速前飞段速度超出飞行包线范围,在150米以下的高度上,前飞速度超过75公里每小时,下降速度小于4米每秒,如果不符合这一条件就会导致机体陷入涡环状态,坠毁的那架V-22几乎是大头朝下垂直插入地面,因此,倾转旋翼机在起降过程中的模式切换是需要大量的技术验证,甚至是付出生命的代价。倾转旋翼机在过渡模式飞行时可出现明显的拉力适量控制特点,通道之间的耦合性增强,因此如何协调两者之间的问题显得尤为关键,这也决定了过渡模式下的飞行控制系统设计较为困难,需要将倾转短舱从直升机模式平稳过渡到固定翼飞机模式,目前V-22采用的容错控制技术可以满足一定故障条件下的仍然实现平稳过渡。在XV-3进行测试时,就出现了机头下倾的控制问题,倾转旋翼机在前飞、悬停等阶段需要应对更加复杂的控制环境。

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倾转旋翼的动力和复合材料是研究的关键技术之一,比如桨叶需要采用弯扭耦合特性更强的复合材料制造,通过复合材料机翼塑造出理想状态的气动,同时也需要使用复合材料设计优化桨尖形状,除此之外,倾转旋翼机的机身也需要使用大量的复合材料,以V-22为例,机体的41%使用了复合材料,我国航空工业在复合材料上可能还需要花费更多的时间和资金投入。发动机方面一直我国航空工业的弱项,V-22使用的罗·罗AE1107C大功率发动机属于AE发动机家族,是专门为V-22研制的涡轴发动机,使用了6排可伸缩压缩机叶片和数字控制系统,模块化设计突出,美国海军陆战队希望V-22的发动机能连续飞行600个小时,即便是美军的平均使用寿命也仅为380个小时,其中腐蚀显然较为严重,发动机的问题直接关乎倾转旋翼机的设计方案,如果因为发动机问题不得不采用四旋翼结构,那么就有些牵强,甚至可影响到整个项目的成败。倾转旋翼机在历史测试过程中也出现动力问题,比如1966年,XV-3进行最大风速测试,速度达到371千米每小时,翼尖疲劳导致旋翼爆裂,直接导致XV-3结束“飞行生涯”。1992年,V-22第四架原型机在过渡飞行到悬停阶段时右发动机起火并坠毁,原因是倾转短舱内润滑油在过渡段飞行时被吸入发动机,传动横轴无法提供动力。美军目前使用的V-22出现了快速磨损的问题,腐蚀进一步加强后发动机需要提高运行达到功率上的匹配,这样就加剧发动机的疲劳,为了解决这一问题,金属材料和抗腐蚀技术也需要有所突破。

中国版鱼鹰的“蓝鲸”四倾转旋翼机是否能在近期研制出来?我国对倾转旋翼机研究主要涉及气动和飞控领域,中国直升机设计研究所、南航以及西北工业等研究单位已经积累了一定的倾转旋翼气动和动力学技术,倾转旋翼的原理并不存在问题,从XV-3V-22所发生的飞行事故中,原因集中在人为操纵、设计缺陷和机械故障,这对于我国发展倾转旋翼而言似乎有着积极的意义,至少证明了倾转旋翼方案是可行的,并不存在理论上的不足,需要做的就是完善气动和飞控。根据美国国防科学委员会的调查报告,倾转旋翼机对陆军和海军陆战队而言是最佳的选择,相比较于复合直升机,比如源于YSH-60FX-49A,倾转旋翼机更具有优势。美军对倾转旋翼作战平台的要求能具有C-130运输机的部分运输能力,携带20吨物资达到460公里的作战半径,按照目前“蓝鲸”的设计方案,至少应该可以达到与V-22同样的技战术指标,在载重量和作战半径上还更具优势。

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倾转旋翼作为一种非常有前途的旋翼设计方案,能够实现垂直/短距起降、悬停作业,巡航速度可达到固定翼飞行器水平,该平台的多用性非常强,不仅可以进行登陆、特种渗透,甚至可以为喷气式战斗机进行空中加油,在民用领域也有着广泛的应用前景,但是其涉及到的技术对我国旋翼飞行器的设计和制造是个不小的挑战,机身结构、气动力和飞行控制技术比直升机和固定翼螺旋桨飞行要复杂,尤其是机翼与旋翼之间的干扰、垂直和悬停状态的气动特性、动力耦合、桨叶翼型设计、复合材料以及大功率发动机等都是一个个需要攻坚的“碉堡”,欧美从XV-3到现在成熟的V-22,经历了各种设计上的挫折和重大事故,半个多世纪的技术积累并非一朝一夕就能完成,只能说中国版的V-22“蓝鲸”倾转旋翼机是未来我国旋翼飞行器发展的方向.

 
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中国版的V-22“蓝鲸”倾转旋翼机给大家眼前一亮的感觉,似乎这种飞行器距离我们更近了,在研制道路上必然将面对各种不可预测的问题。值得一提的是,同时展出的“绝影-8”是一种复合直升机,与X-2类似,这两种旋翼飞行器已经在80年代末进行了深入比较,结果认为倾转旋翼比复合直升机在最大航程、飞行速度等指标上更具潜力。

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