美制v-22魚鷹傾轉旋翼飛機
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。
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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