張 慶，殷永亮，吳 超

（中國人民解放軍61255部隊，山西 臨汾 041000）

1 調(diào)研原因

直升機和固定翼飛機已是很成熟的飛行器，有各自的優(yōu)勢。直升機可以垂直起飛和降落，不需要額外的跑道，而固定翼巡航速度大，航程遠。傾轉旋翼機通過其特有的飛行模式兼?zhèn)淞藘烧叩膬?yōu)點，同時填補了直升機和固定翼飛行速度包線之間那段空白。

在軍事和民用方面傾轉旋翼機均能發(fā)揮巨大的作用。在軍事方面，由于旋翼機出動時所需的支援較少，且不需要機場和跑道，加之維修簡單、生存力強，可大大提高軍隊布防、緝毒、救援、拯救人質等行動的速度。在民用運輸方面，傾轉旋翼機的飛行速度與支線客機相近，可在沒有機場的任何地區(qū)執(zhí)行運輸任務，適用于經(jīng)濟不發(fā)達地區(qū)的開發(fā)和建設，可以局部替代支線客機成為現(xiàn)代化空中運輸網(wǎng)的一個重要組成部分，在商業(yè)上具有極高的價值，其運輸成本要比常規(guī)直升機和固定翼飛機低。

傾轉旋翼機是一種新型的飛行器，目前仍處在發(fā)展階段，技術難度大、研制周期長、研究費用高、重大事故多。調(diào)研傾轉旋翼機的發(fā)展，分析其事故的原因，對于傾轉旋翼機的工程項目具有指導和借鑒的意義。

2 傾轉旋翼機的發(fā)展歷程

2.1 初步探索階段

George Lehberger在1930年構想了一個可以提供升力和前飛的“Flying machine”并獲得了專利，這個構想的飛行器可以提供垂直升力和向前飛行，他的構想包含了傾轉旋翼兩個基本的概念，一是較小的槳盤載荷，二是可以實現(xiàn)旋翼軸從垂直到水平狀態(tài)的傾轉。

1930年Baynes Heliplane設計的飛行器獲得了專利，當今的傾轉旋翼機外形和其設計的飛行器非常相像，由于資金問題他的設計沒有獲得繼續(xù)的發(fā)展。

1937年橫列式雙旋翼的直升機Fw－61（Focke－Wulf）飛行成功，1942年，德國啟動了FA－269（Focke－Achgelis）trail－rotor垂直升降飛機的項目。可惜這個項目由于第二次世界大戰(zhàn)被迫流產(chǎn)。

1947年特拉華州紐卡斯爾的Transcendental飛機公司制造的Model 1－G出現(xiàn)在傾轉旋翼機的舞臺上，在一年左右的時間里成功完成了100次飛行，并成為世界上第一架可以在飛行狀態(tài)完成10度傾轉的飛行器，最后Model 1－G由于操作失誤而導致旋翼總矩的減少，出現(xiàn)了墜機事故。

2.2 驗證和發(fā)展階段

2.2.1 XV－3

1950年8月，美國空軍和陸軍宣布正式開始傾轉旋翼機設計競爭，貝爾直升機公司的Model 200方案贏得了XV－3（原編號為 XH－33）的競爭。它的兩副旋翼安裝在兩機翼翼尖，可在水平與垂直位置之間傾轉；尾部有水平尾翼、垂直尾翼、方向舵和升降舵，這種構型成為后來研制傾轉旋翼機的經(jīng)典構型。

1955年8月11日第一架XV－3傾轉旋翼試驗機以直升機模式進行了首次垂直起降飛行。在飛行試驗過程中，飛行員在懸停狀態(tài)經(jīng)歷了較大的振動。同年8月18日，在飛行測試過程中，由于旋翼動力學不穩(wěn)定問題導致了XV－3硬著陸，旋翼和機體受到損壞。雖然損害不大，但引起了人們對不穩(wěn)定性問題的關注。

1956年7月25日不穩(wěn)定現(xiàn)象再次出現(xiàn)，迫使貝爾公司進行了一系列地面系留試驗。為了研究機翼/短艙/旋翼藕合不穩(wěn)定性問題，采用解析分析和試驗相結合的方法。

第2架XV－3在4147號機墜毀后進行了修改以消除不穩(wěn)定性問題。原來與機身頂部表面齊平的發(fā)動機冷卻空氣進氣口被斗式進氣口代替，斗的寬度從一個機翼翼根到另一個機翼翼根。

1958年在貝爾直升機公司開始飛行試驗。旋翼傾轉角達到30 °，空速達到205 km/h。飛行員也做了在模擬一臺發(fā)動機故障條件下的自轉著陸。到5月6日，在飛行測試中又遇到了旋翼振動現(xiàn)象，這時旋翼傾轉角為40 °，XV－3再次被迫停飛。

1958年10月，XV－3繼續(xù)在NASA艾姆斯研究中心風洞試驗并進行了許多修改。操縱系統(tǒng)的剛度比原來提高了3倍，旋翼總距操縱機構加裝了配重，增加了槳尖后掠角，用外撐桿支持機翼底部。同年 12月恢復飛行，XV－3旋翼傾轉角達到70 °。同年12月18號，XV－3完成了從垂直直升機飛行狀態(tài)到固定翼飛行狀態(tài)的轉換，最后傾轉角達到90 °。這使XV－3成為世界上第一種實現(xiàn)直升機與固定翼飛行方式完全轉換的傾轉旋翼機。

1959年4月13日，在起落滑橇上加裝了輪式起落架，僅用2/3發(fā)動機功率在60 m的跑道上進行了短距滑跑起飛。發(fā)現(xiàn)滑跑起飛的最佳旋翼傾轉角為向前傾轉10 °。同年4月到7月，美國空軍和陸軍的聯(lián)合評定小組飛行了38個起落和29.6個飛行小時，做了40次飛行方式的轉換，并在定翼機飛行方式做了20次降低旋翼轉速的減速換檔，又演示了從固定翼機飛行方式向直升機飛行方式無功率轉換，然后安全自轉著陸。飛行高度達到3 660 m。在評估報告中，雖然XV－3被指出有很多性能和飛行品質的缺陷，但是XV－3證實傾轉旋翼原理用于垂直起落運輸飛機是基本可行的，并證實了其技術優(yōu)點。

1962年6月到7月，在12.192 m×24.384 m的風洞吹風試驗，調(diào)查揮扭耦合對槳葉揮舞運動的影響和對高速飛機模式穩(wěn)定性的影響。在實驗過程中，通過增加短艙和旋翼的剛度使XV－3達到了287 km/h并未出現(xiàn)氣彈不穩(wěn)定現(xiàn)象。這些措施在一定程度上改變了初期限制XV－3的穩(wěn)定性問題，但還是達不到軍事需求的指標和性能參數(shù)。

為了更好地了解XV－3的不穩(wěn)定性，1965年XV－3再次進入12.192 m×24.384 m風洞進行試驗。機翼翼尖由于疲勞受損導致左旋翼松脫降低了剛度，產(chǎn)生了共振現(xiàn)象，從而導致了旋翼和機身分離，飛機以在風洞中解體而告終。

XV－3輕型傾轉旋翼機的成功飛行試驗，證實了傾轉旋翼可行性，綜合了直升機和固定翼飛行器的優(yōu)勢。同時VX－3存在著很多缺陷：①發(fā)動機功率不夠，影響了懸停和巡航性能，最大平飛速度212.98 km/h不足以體現(xiàn)其飛機狀態(tài)速度的優(yōu)勢，另外飛機模式的速度還受到下機翼/短艙/旋翼藕合運動的限制；②飛行品質存在問題，在地效懸停時存在橫向和滾轉的不穩(wěn)定性，航向運動振蕩發(fā)散，在低速時縱向和航向的操作響應較差；③變速換檔非常復雜，轉入平飛狀態(tài)還需要調(diào)節(jié)油門，增加了飛行員的操作負荷。

2.2.2 XV－15

1972年，美國航空航天局和陸軍開展了一項全新的、以渦輪軸發(fā)動機驅動的傾轉旋翼機計劃。該計劃擬訂生產(chǎn)兩架原型機，耗資4 000萬美元，波音和貝爾公司分別提出設計方案。經(jīng)過全面評估，貝爾公司于1973年7月31日獲得此項合同。

1977年5月3日，貝爾直升機公司生產(chǎn)的第一架尾號為N702NA的原型機在得克薩斯州阿林頓機場完成首次懸停試驗。在3個小時的短暫飛行后，該機被運到 Ames研究中心進行了多項風洞實驗。風洞實驗以遙控方式在風洞中進行，以調(diào)查不同轉換飛行模式的情況和尋找動力不平衡的原因。第二架原型機尾號為N703NA于1979年4月23日進行首次懸停試驗，同年7月24日完成直升機模式和飛機模式的相互轉換，到 1986年，該機累計完成1 500次模式轉換飛行。

1981年7月4日至14日，第一架XV－15原型機代表貝爾直升機公司和美國陸軍在巴黎航展上展出，連續(xù)11天都做了飛行表演，給世界航空愛好者和直升機界的同行留下了深刻印象。XV－15飛機在此次航展上卓越的、具有創(chuàng)造性的表演，促使了JVX，即后來V－22計劃的誕生。

1982年夏，對一架XV－15進行了易損性評定和海上艦載試驗。

1983年上半年，對另一架XV－15進行了搜索、救援和吊掛貨物的評定，同年9月完成了空中模擬加油、武器發(fā)射、地形跟蹤和其它機動飛行試驗。1983年9月至1984年10月進行了貼地飛行評定。

尾號為N702NA的XV－15進行一系列的飛行測試后，被運回貝爾公司進行進一步的研究和改進。

尾號為N703NA的XV－15第二架原型機，在NASA做了各方面的試驗，用以驗證V－22和BA609（Bell/Agusta公司合作），1994年由美國國家航空航天局返回貝爾公司，用作民用傾轉旋翼機的試驗機并進行聲學實驗。

2.3 實用階段

2.3.1 V－22

基于XV－15的出色表現(xiàn)，美國政府于1981年年底提出了“多軍種先進垂直起落飛機”（JVX）計劃，要求在XV－15的基礎上研制三軍共用的傾轉旋翼機。1982年這項計劃由美國陸軍負責，1983年1月后該計劃轉交給了美國海軍。

1983年4月26日，貝爾和波音公司與美國海軍航空系統(tǒng)司令部簽訂了一項為期24個月的合同，對V－22進行初步設計。1985年1月正式將這種旋翼機命名為V－22“魚鷹”。

1989年3月19日完成首次試飛，同年9月14日完成首次由直升機狀態(tài)向固定翼狀態(tài)過渡的飛行轉換。

1990年4月美國政府開始對“魚鷹”進行試驗，其中包括三軍試飛員15個小時的飛行試驗。到1990年底已完成起飛著陸轉換試飛、機翼失速試飛、單發(fā)試飛以及飛行速度高達647 km/h的試飛。同年獲得美國國家航空協(xié)會頒發(fā)的“航空重大進步獎”。

1992年7月在V－22總計飛行643個起落763 h后，由于4號機在試飛中發(fā)動機艙起火后墜毀而造成臨時停飛。

1993年，2號和3號機又重新試飛，并且改進了防火墻、發(fā)動機艙、放泄口及驅動軸的防熱層。

1997年5月7日，首架MV－22B開始生產(chǎn)，1999年5月開始交付14架給海軍陸戰(zhàn)隊試用。

按最初計劃，美國國防部應采購913架四種型號的“魚鷹”飛機，它們是海軍陸戰(zhàn)隊使用的MV－22飛機，海軍使用的HV－22飛機，空軍的CV－22飛機及SV－22A飛機。但由于美國國防部對研制計劃消極抵觸，結果研制SV－22A飛機的計劃全部被取消，整個的采購數(shù)量減少到657架。美軍減少采購數(shù)量的原因為：①研制經(jīng)費過高，如果按照1997年的價格來計算，每架飛機的研制經(jīng)費高達 4 200萬美元；②安全性差，V－22“魚鷹”飛機一直事故頻發(fā)，其中僅7架原型機就毀了4架。1991年6月11日，一架“魚鷹”飛機在試飛中突然墜毀，造成兩名人員受傷。2000年4月8日，一架“魚鷹”飛機在進行作戰(zhàn)評定飛行中突然墜毀，造成19人喪生。2000年12月11日晚，又一架美海軍陸戰(zhàn)隊的 MV－22“魚鷹”飛機在北加利福尼亞州進行訓練時墜毀，4名機組人員全部遇難。次日（即2000年12月12日），美國國防部就下令推遲這種創(chuàng)新的傾轉旋翼飛機的大規(guī)模生產(chǎn)。這幾次嚴重飛行事故，更是將早就該完成作戰(zhàn)評估的新概念飛行器——V－22“魚鷹”飛機推向了失敗的邊緣，甚至差點葬送了它的前程。然而，“魚鷹”飛機幾度恢復飛行試驗后，美國海軍使用試驗與評估部隊終于確認 V－22“魚鷹”飛機達到了作戰(zhàn)效能和作戰(zhàn)適用性要求，美國海軍陸戰(zhàn)隊也認為該項目基本上接近了可以大批量生產(chǎn)的階段。

2.3.2 下一代傾轉旋翼機

貝爾提出了四旋翼傾轉旋翼（Quad Tilt Rotor，簡稱QTR）方案，用于擔當美軍戰(zhàn)場空運的主力。貝爾X－22是一個新的三軍聯(lián)合項目，采用涵道風扇。

3 事故調(diào)研分析

3.1 XV－3

XV－3試驗和試飛階段多次出現(xiàn)了動不穩(wěn)定現(xiàn)象，對于機翼/短艙/旋翼藕合不穩(wěn)定性問題，通過增加旋翼操縱系統(tǒng)剛度和給機翼加裝外支撐使機翼更剛硬的辦法來改善；對于旋翼槳葉顫振問題，采用半剛性旋翼更換它，并采用了較短的旋翼主軸；對于疲勞受損而致使事故的發(fā)生，應加強對易受疲勞損傷部位的定檢。

3.2 XV－15

1977年9月2日，在一次地面測試中，門鎖警告指示燈亮，但是從視覺上看門已閉合牢，試驗繼續(xù)進行，在進行前飛的模式時，艙門突然打開了，造成了右側旋翼和門同時損壞。

1979年12月和1983年9月7號出現(xiàn)了兩次發(fā)動機事故，一次是因為疲勞問題，一次是因為因為供油系統(tǒng)供油不足造成的。

此外在飛行測試和試驗中還出現(xiàn)了槳尖打在樹上、鳥撞、供油系統(tǒng)漏油、起落架意外放下等事故，但都沒造成什么損失。

1992年8月20日，XV－15在最后一次懸停飛行中，由于飛行員操作失誤，使得一測槳葉總矩達到最大值，從而致使XV－15失控，產(chǎn)生了滾轉，導致了最后的墜機。

3.3 V－22

美國在研制軍用傾轉旋翼機 V－22“魚鷹”的過程中，幾乎事故不斷，并且發(fā)生了四次墜機重大事故，造成30人死亡，這在航空史上都是罕見的。

1991午6月11日，由于機上3個橫滾陀螺中的兩個接線有錯誤，“魚鷹”5號原型機在首次飛行中墜毀，所幸未造成人員傷亡。

1992年7月20日，4號原型機在弗吉尼亞州匡蒂科海航站降落時墜入波多馬克河，造成3名陸戰(zhàn)隊員和4名平民喪生。事故原因是聚集在發(fā)動機短艙內(nèi)的減速器潤滑油被吸入發(fā)動機，著火后，燃燒的高溫使傳動橫軸不能正常向兩旋翼傳輸功率，使升力突然下降引起墜機事故。

2000年4月8日，海軍陸戰(zhàn)隊出動兩架MV－22，滿載全副武裝的士兵。出于突擊機降的戰(zhàn)術試驗的目的，駕駛員操作發(fā)動機艙向后傾轉到95度的位置，前進速度小于30節(jié)，下降速度2.5倍于作戰(zhàn)手冊規(guī)定的每分鐘800英尺，達到每分鐘2 000英尺，這是CH－46在作戰(zhàn)中的典型下降速度。第一架 MV－22下降過快失控，尾部著地，受到損壞，但是無人傷亡。第二架MV－22由于下降速度太快而前飛速度太慢，在槳葉內(nèi)側產(chǎn)生的上洗流超過了槳葉旋轉產(chǎn)生的下洗流，該機進入渦環(huán)狀態(tài)，從而使槳葉失去升力，最后滾轉墜地。機上4名機組人員和15名搭載的士兵全部喪生。

2000年11月11日，又一架MV－22因為液壓系統(tǒng)泄漏，導致錯誤動作，同時加上飛行控制系統(tǒng)的一個錯誤，使錯上加錯，導致墜毀，4人喪生。其中包括一名美國海軍駕駛MV－22經(jīng)驗最豐富的中尉。

4 調(diào)研結果

傾轉旋翼機在發(fā)展過程中遇到了不少挫折和問題，其技術還遠談不上成熟，還有許多技術有待進一步研究和驗證。因為既有旋翼又有機翼，并且要實現(xiàn)旋翼從垂直位置向水平位置或水平位置向垂直位置的傾轉，因此在旋翼傾轉過程中氣動特性的確定；旋翼/機翼、旋翼/旋翼、旋翼/機體之間的氣動干擾問題；結構設計；旋翼在傾轉過程中的動力學分析、旋翼/機翼/短艙耦合動載荷和穩(wěn)定性問題；操縱控制技術及操縱系統(tǒng)動力學設計等方面都遇到了許多難題。

可靠性和維修性也明顯不足，飛行安全性有待提高。眾所周知，可靠性的高低直接影響著安全性的好壞。機上液壓系統(tǒng)，尤其是發(fā)動機艙內(nèi)與飛行控制系統(tǒng)相關部分的可靠性低的問題，對傾轉旋翼機的安全飛行構成了極大威脅。可靠性和維修性之所以不甚理想，除了與維護人員的技術水平、熟練程度等因素相關外，更重要的還源于飛機設計上的欠缺。事故調(diào)查人員充分地認識到了這一問題的嚴重性，要求貝爾和波音公司對發(fā)動機艙進行重新設計。

5 后續(xù)工作指導

為了更好的控制和模擬傾轉旋翼機的飛行，必須建立精確的數(shù)學模型。在飛行力學建模的時候，要考慮到多方面的因素，建立旋翼、機翼、機身、起落架、垂尾、平尾氣動模型，建立旋翼/機翼、旋翼/旋翼、旋翼/機體之間的氣動干擾模型，加入操作量，對給定飛行狀態(tài)：直升機模式、固定翼模式和過渡模式進行分析配平，分析其靜穩(wěn)定性和動穩(wěn)定性，建立一個仿真的數(shù)學模型，模擬在各個控制操作輸入下的傾轉旋翼機的飛行，建立一個合理的控制率來實現(xiàn)對傾轉旋翼機的控制或增穩(wěn)，在實物模型上進行驗證，擬定順利實現(xiàn)過渡狀態(tài)的飛行。

1 Martin D.Maisel, Demo J.Giulianetti, et al., The History of the XV－15 Tilt Rotor Research Aircraft From Concept to Flight,NASA SP－2000－4517, 2000

2 Bill Norton,Bell Boeing V－22 Osprey－Tiltrotor Tactical Transport, ISBN – 1857801652, 2004

3 曹素琴、王瑩.旋翼機發(fā)展史話［J］.航空知識，2000（5）

4 張廣林.傾轉旋翼機的發(fā)展歷程［J］.現(xiàn)代艦船，2005（5）B版