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v-22魚鷹·傾轉旋翼飛機

 皖林 2012-04-21

美制v-22魚鷹傾轉旋翼飛機



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2005年5月20日。美國空軍在凱特蘭空軍基地組建了第一個V-22傾轉旋翼機訓練中隊,圍繞V-22用于運送特種作戰(zhàn)部隊的設計初衷展開系統(tǒng)訓練。2005年6月。美國海軍陸戰(zhàn)隊VMX-22作戰(zhàn)試驗與評估中隊的全部8架“魚鷹”集中在美國海軍LHD 5“巴丹”號兩棲攻擊艦上。進行最后階段的作戰(zhàn)評估試驗……這一系列事件標志著這種研制期長達25年的新型作戰(zhàn)飛機真正投入了部署。V一22有著獨特而優(yōu)異的性能.但在技術上仍然存在著較嚴重的問題,對此。我國專家將進行詳盡的分析。

  美國研制的V一22“魚鷹”傾轉旋翼機,是一款頗受媒體關注的多功能垂直/短距起降航空器。其新穎的構思、優(yōu)異的性能和寬廣的適用范圍,給人留下了深刻印象。但這種先進的三軍通用型飛機的稱謂卻值得商榷,所采用的技術和總體設計方案也有許多需要改進的地方。

關于V-22的稱謂

  嚴格地講,V一22“魚鷹”一類的飛行器不應叫做“傾轉旋翼機”。雖然相對干正常的飛行狀態(tài)(發(fā)動機、螺旋槳處在與飛機縱軸平行的位置),V一22的螺槳旋翼在短距起降、垂直起降、懸停、過渡飛行等狀態(tài)時的確是“傾轉”的,但它們并非單獨偏轉,而是隨著發(fā)動機艙的轉動而轉動。因此,該機種的準確名稱應該是“采用傾轉發(fā)動機技術”的直升飛機。

  美國人之所以將“魚鷹”定義為傾轉旋翼機,是沿用了貝爾直升機公司對XV-3的叫法。1955年8月試飛成功的XV-3垂直起降研究機,是一架真正意義上的傾轉旋翼飛行器。該機的動力裝置是一臺450馬力的渦軸發(fā)動機,飛行時,發(fā)動機輸出的功率通過一個橫軸傳給設在左右翼尖上的螺槳旋翼,使之能夠同步對轉、產(chǎn)生拉力。兩副工作中的螺槳旋翼可由一套特殊的操縱機構控制,在水平和垂直位置間來回轉動,以改變拉力矢量的方向,從而構成“直升機狀態(tài)”、 “定翼機狀態(tài)”和“過渡飛行狀態(tài)”。試飛結果表明,XV-3能夠在10秒鐘之內(nèi)完成90。的飛行姿態(tài)轉換。

  1973年,應美國陸軍和航空航天局的要求,貝爾公司結合XV-3傾轉旋翼機的設計經(jīng)驗,研制了一種采用低槳盤載荷旋翼和傾轉發(fā)動機技術的垂直起降航空器一一xV-15試驗機。但貝爾直升機公司的技術人員仍將其稱為“傾轉旋翼機”。這大概是因為轉動發(fā)動機艙的目的,也是為了改變螺槳旋翼的拉力矢量方向。雖然這兩類“傾轉”方案所采用的技術措施和控制機構不一樣,但在功能、原理、效果方面則相差不大。后來,在XV-15基礎上新開發(fā)的實用型V- 22“魚鷹”,亦承襲了這一稱謂。

  V-22的研制情況

  與固定翼飛機相比,直升機最明顯的長處是可以垂直起降和在空中懸停,對起降場所的依賴程度較低。不過,在平飛過程中,直升機由于旋翼的氣動效率很低,100千克拉力最多可以拉動300千克重量,運輸效率K(K=G/W)只有4左右;而以螺旋槳為動力的、同等功率的固定翼飛機的運輸效率K可達12 以上,100千克拉力最多可以拉動1500千克重量。由于效率高、經(jīng)濟性好,固定翼飛機的航程遠遠高于直升機。普通直升機的最大航程不過500千米左右,而輕型螺旋槳飛機的航程往往在1500~2000千米以上。另外,由于受旋翼工作特點的限制,直升機的最大飛行速度、飛行高度等技術指標也比同級別的固定翼飛機低許多。

  采用傾轉旋翼(或傾轉發(fā)動機、傾轉帶發(fā)動機的機翼)方案,可以把直升機與固定翼飛機的優(yōu)點較完美地結合起來,構建出一種獨特的既能垂直起降和懸停,又能飛得更高、更快、更遠的新型航空器一一螺旋槳式“直升飛機”。這就是美國人開發(fā)V-22“魚鷹”的動因。

  1981年底,美國軍方提出了“多軍種先進垂直起降飛機”(JVX)計劃,為空、海軍研制一種具有較高運輸效率、三軍通用的“直升飛機”。為了競爭JVX項目,美國貝爾直升機公司與波音直升機公司聯(lián)手推出以XV-15為藍本、但尺寸放大了的V-22方案。1985年1月,這種飛行器被正式命名為 V-22“魚鷹”。從該機以英文字母“V”而不是“H”打頭,就可看出:它是垂直起降飛機而不是直升機。V-22分為空軍型、海軍型和海軍陸戰(zhàn)隊型,編號分別為CV-22、HV一22、MV-22,今后還有可能發(fā)展陸軍型以及海軍反潛型SV一22。

  1988年5月23日,V-22的1號原型機出廠。1989年3月19日,該機試飛成功。1989年9月14日,完成了首次由直升機狀態(tài)向定翼機狀態(tài)過渡的飛行實驗。1990年12月,V-22的原型機開始在航空母艦上進行海上試飛。按照原先的計劃,V-22的生產(chǎn)型應于1991年底交付美國海軍陸戰(zhàn)隊,1993年開始配備美國空軍,1995年進入美國海軍服役。但由于經(jīng)費、技術等方面的原因,到1997年時,這種先進垂直,短距起降飛行器仍處于工程制造階段。此時的“魚鷹”已比原型機有了較大變化,材料、工藝、結構、系統(tǒng)方面的改動很多,而后來的小批量生產(chǎn)型又在設計上做了進一步的調整和改進。直至本世紀初,復雜、昂貴的v一22型直升飛機才逐步裝備美國軍隊。

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 V-22的設計特點

  在V-22的機翼翼尖部位,安裝有2臺可傾轉的T406一AD-400型渦輪軸發(fā)動機和2副直徑11.61米的螺旋槳(旋翼),單臺起飛功率 6235軸馬力。2臺發(fā)動機工作時,螺槳旋翼是對轉的,產(chǎn)生的扭矩相互抵消。若發(fā)動機處于水平位置,整架飛機與普通的螺旋槳飛機沒有什么兩樣。而當發(fā)動機轉向上方時,

  旋槳便相當于一對旋翼,飛機可以垂直起降和懸停。V一22的發(fā)動機、傳動系統(tǒng)和螺旋槳(旋翼)在定翼機平飛狀態(tài)、直升機工作狀態(tài)以及過渡飛行狀態(tài)之間的偏轉變換角度可達97。30’。

  V-22能在大氣溫度33℃、高度900多米處進行無地效懸停。不過,由于它的螺旋槳直徑小于同等重量直升機的旋翼、排氣速度較大、槳盤載荷略高于一般直升機,因此垂直起飛和懸停時的效率亦稍遜于直升機。但它的常規(guī)飛行性能卻是直升機無法匹敵的。該機在直升機狀態(tài)的最大垂直起飛重量為23980 千克,最大前飛速度396千米,小時;在固定翼飛機狀態(tài)的最大短距起飛重量為27442千克;實用升限約8000米,試飛速度曾達到647千米/小時,垂直起飛的航程為2224千米,短距起飛的最大轉場航程接近3900千米。與普通的直升機相較,這無疑是一個巨大的飛躍。

  為了提高垂直起降的效率,為V-22配備的螺旋槳的直徑較長(即槳盤面比普通螺旋槳要大),這樣可以減小排氣速度。雖然在垂直起飛和懸停狀態(tài),它的耗油率仍比普通直升機高一些,但遠低于采用發(fā)動機噴口轉向的“鷂”式飛機。與“鷂”式、“雅克-38”等噴氣式垂直起降攻擊機和“米-8”、AH-64等型直升機相比,V-22“魚鷹”的最大飛行速度、懸停和垂直起飛時的經(jīng)濟效率居中,但航程最遠、巡航經(jīng)濟性最好、運輸效率最高。

  上述特點使V-22具備了承擔某些特殊使命的能力。它的主要的軍事用途有:從大型艦船上向陸地戰(zhàn)場快速投送兵員和物資、潛入敵方縱深進行戰(zhàn)斗搜索和救援、以垂直機降方式遠距離運送突擊隊、執(zhí)行特種作戰(zhàn)任務和后勤支援任務等等。以V一22“魚鷹”式飛機為平臺,還可以派生出具備懸停和垂直,短距起降能力的偵察機、反潛機、預警機、海上巡邏機、空中繼通信飛機、電子對抗飛機等特殊用途的機種、機型。三軍通用的垂直起降固定翼飛機的出現(xiàn),將對未來的空地作戰(zhàn)方式和軍事思想的演變產(chǎn)生影響。

  V-22存在嚴重缺陷

  V-22“魚鷹”想要保證位于翼尖的大功率、大負荷的發(fā)動機和螺旋槳同步轉動,而且轉速、槳矩等工作參數(shù)基本一致(或按要求進行調整),在操縱與控制上是相當困難的,存在著一些直升機和固定翼飛機很少遇到的矛盾。為了克服這些“品質”上的缺陷,“魚鷹”不得不采取許多復雜的、非常規(guī)的技術措施,從而使全機的重量、性能和生產(chǎn)成本都受到影響。傾轉發(fā)動機(傾轉旋翼)飛機的主要問題,集中在起降和過渡飛行階段。

  起飛降落階段

  由于v-22槳盤面的直徑較大,發(fā)動機艙轉至水平位置時,槳葉一旋轉就會觸地。因此它不能像普通飛機那樣采用常規(guī)滑跑方式起飛。該機離陸前,發(fā)動機艙和螺旋槳只能舉至斜上方,以短距滑跑方式起飛;或將發(fā)動機艙偏轉向上,采用垂直升空的方式離地。這樣一來,“魚鷹”在起飛狀態(tài)下的經(jīng)濟性就變得較差。

  當v-22以直升機的方式起降時,由于螺旋槳(旋翼)位于機翼的翼尖上方,螺槳旋翼系統(tǒng)產(chǎn)生的下沖氣流,有相當一部分會打在主翼的上表面。而為了保證發(fā)動機在轉動和固定于某一位置時,機翼有足夠的剛度和強度,它的主翼翼尖必須設計得很寬,從而增大了阻擋滑流向下運動的面積。在需要螺槳旋翼產(chǎn)生較大動力升力的時候,V-22的布局設計不但要損失正升力,而且根據(jù)作用力與反作用力原理,還得付出一定的負升力的代價,這是很不合算的。其垂直起飛時的效率,又要比普通的直升機降低許多。

  損失動力升力還不是問題的全部。更糟糕的是,當螺槳旋翼向下排氣時,部分滑流受到機翼的阻擋,將不可避免地在主翼面上形成渦環(huán);而向上激起的渦環(huán),會對螺槳旋翼的正常工作產(chǎn)生干擾。盡管v-22的螺槳旋翼是對轉的,但并不能保證附著在左右翼面上的渦環(huán)也一定對稱,因為受到外界環(huán)境條件的影響,渦環(huán)本身的運動并不很穩(wěn)定。尤其是當飛機處于下降狀態(tài)、接近地面時,機翼上已有的渦環(huán)與螺旋槳滑流拍擊地面而新產(chǎn)生的渦環(huán)相互誘導,有可能產(chǎn)生出意想不到的非平衡現(xiàn)象。此時,飛行員的操縱稍有差池或反應不及,很容易造成失控。
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v-22由起飛狀態(tài)過渡到平飛狀態(tài)時,飛行速度較低、自身的操穩(wěn)特性差、姿態(tài)控制復雜,發(fā)動機艙無論是從垂直位置轉至水平位置還是由斜上方位置回到平飛位置,都存在著一定的風險。一旦有一臺發(fā)動機停車,或兩臺發(fā)動機工作不同步、發(fā)動機艙轉動的角度不一樣,便會發(fā)生事故,甚至機毀人亡。反之,在由平飛轉至著陸的過渡階段,危險也同樣存在。從“魚鷹”的幾起墜機情況看,飛行事故幾乎都發(fā)生在起降過程(尤其是著陸狀態(tài))。

  “魚鷹”采用了不少特殊的技術手段來保證飛行安全。例如:在發(fā)動機上配備有電子模擬輔助控制功能的數(shù)字式全權限控制系統(tǒng);左右發(fā)動機的螺旋槳減速器通過傳動軸聯(lián)結在一起,以便在一臺發(fā)動機突然停車時,另一臺發(fā)動機可保證左右螺旋槳都工作,以維持平衡;在機身內(nèi)安裝一套在啟動時驅動橫軸的輔助動力裝置等等。橫軸的作用之一,是在單發(fā)停車后仍可使兩副螺旋槳轉動,并提供相應的補充動力。在正常起飛狀態(tài),它的轉動功率為5114馬力;當一臺發(fā)動機停車時,其應急輸出功率可增至6004馬力,相當于一臺T406-AD-400型渦輪軸發(fā)動機的最大輸出功率。

  但這些技術措施的采用,使得飛機的系統(tǒng)變得復雜、結構重量相應增大,生產(chǎn)成本自然也就水漲船高了。例如,美國軍方希望這種三軍通用飛行器的生產(chǎn)成本能夠控制在3230萬美元左右;然而目前空軍CV-22/小批量生產(chǎn)型的單價已升至7440萬美元,海軍MV-22試生產(chǎn)型的造價則高達9440萬美元。另據(jù)外刊報道,從上個世紀50年代的XV-3、70年代的XV-15到80年代開始研制的v-22,貝爾直升機公司、波音直升機公司和美國軍方已累計為這種特殊的飛行器投入了1600億美元的巨額研制費,可能創(chuàng)下了世界軍火史上單一項目耗資最高的紀錄——但至今仍有許多問題沒有完全解決,還需繼續(xù)攻關。

  V-22應該如何評價

  綜上所述,可以用幾句話來概括V一22“魚鷹”直升飛機的特點:原理可行,性能優(yōu)異,兼具直升機與固定翼飛機的長處;但技術復雜,操控不易,司靠性較差,生產(chǎn)威本偏高。

  50多年來,這種曾獲得過美國國家航空協(xié)會頒發(fā)的“取得航空重大進步獎”的飛行器一直在探索中發(fā)展,至今也不能說已臻完善。航空技術的發(fā)展無疑需要創(chuàng)新,V-22就是技術進步的產(chǎn)物。但對“創(chuàng)新”也要一分為二,“新”不一定就代表效益最好、性價比最佳。新技術是一把“雙刃劍”,一般會使產(chǎn)品性能有所提升,但也可能帶來新的矛盾。許多人以為,高技術一定是復雜、昂貴的東西,那可不一定。航空高技術是指使用在飛行器上的高級技術,但并不等同于高價技術;真正的高技術應該是高明的技術、高效的技術。

  歷史上不乏正反兩方面的例子。上個世紀五六十年代發(fā)明的邊條翼、翼尖小翼、近距耦合鴨式氣動布局等先進氣動力技術,可以明顯改善飛機的機動性或巡航經(jīng)濟性,且結構簡單、制造成本低,至今仍得到廣泛應用。與之形成鮮明對照的是,20世紀60年代曾一度“熱銷”的變后掠翼技術。這項新技術通過改變機翼的后掠角使飛機適應低速和高速飛行,并提高巡航升阻比、縮短起降滑跑距離,理論上講是很有發(fā)展前途的。但實踐證明,變后掠翼存在著結構、系統(tǒng)和操縱復雜,重量和翼載荷較大,造價較高等問題,并不適合于噸位較小的飛機,因此不被新一代戰(zhàn)斗機所考慮。

  傾轉旋翼技術所面臨的境況與后掠翼技術差不太多:在單項性能上有所突破,在技術水平上出類拔萃;但其本身的缺陷也很多,解決起來困難重重,造成研制費用上升、開發(fā)周期延長、性價比降低。技術既有先進與落后、高價與低價之分,也有復雜和簡單、高效和低效之分。簡單可與低價相對應,但先進卻不能與復雜劃等號。以最簡單的措施解決最復雜的問題、得到最大的好處,才是最優(yōu)的技術、最佳的方案。顯然,簡單、實用、高效的技術,要比復雜、昂貴的技術更值得發(fā)展和應用。v-22“魚鷹”直升飛機所采用的傾轉旋翼(傾轉發(fā)動機)技術,到底屬于哪一種呢?讀者不妨自己去分析、判斷。

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