張 波 吳 雄 卜振鵬 王 海

（中國人民解放軍92728部隊 上海 200436）

1 引言

傾轉(zhuǎn)旋翼機既具有常規(guī)直升機的垂直起降和空中懸停能力，又具有渦輪螺旋槳飛機高速巡航飛行能力［1］?？稍趦蓷襞灐⒑侥?、前線野外場地起降，部署靈活，機動性好，能夠顯著提升遠程快速投送能力［2～3］。

目前，只有美國、以色列和歐洲等少數(shù)國家和地區(qū)掌握先進傾轉(zhuǎn)旋翼機研制關(guān)鍵技術(shù)［4］。在諸多傾轉(zhuǎn)旋翼機中，較為典型的是美國的V-22“魚鷹”傾轉(zhuǎn)旋翼機、V-280“勇士”傾轉(zhuǎn)旋翼機和“鷹眼”無人傾轉(zhuǎn)旋翼機等［5～8］。國內(nèi)尚未見有大中型傾轉(zhuǎn)旋翼機或其推進系統(tǒng)在研或在役的相關(guān)報道，包括發(fā)動機和傳動系統(tǒng)在內(nèi)的推進系統(tǒng)是實現(xiàn)傾轉(zhuǎn)旋翼機研制的關(guān)鍵［9～13］。

本文總結(jié)了傾轉(zhuǎn)旋翼機需求推進系統(tǒng)的特征和結(jié)構(gòu)特點，詳細提出傾轉(zhuǎn)旋翼機推進系統(tǒng)需重點研究突破的四類關(guān)鍵技術(shù)，對發(fā)展裝備和開展技術(shù)研究提出建議。

2 傾轉(zhuǎn)旋翼機推進系統(tǒng)分類與特點

與飛機和直升機不同，傾轉(zhuǎn)旋翼機配有旋翼傾轉(zhuǎn)系統(tǒng)，兼具垂直起降和懸停、固定翼飛機狀態(tài)高速飛行能力，是一種同時具備高速巡航、大航程、短距/垂直起降功能的高效運輸裝備［14］。由于傾轉(zhuǎn)旋翼機自身的特點，要求其推進系統(tǒng)能夠適應(yīng)垂直起降、平飛、過渡態(tài)等多種飛行狀態(tài)，較直升機而言其推進系統(tǒng)復(fù)雜性和研制難度也大大增加［15～19］。

按照推進系統(tǒng)布置及傾轉(zhuǎn)方式，傾轉(zhuǎn)旋翼機可分為：1）傾轉(zhuǎn)發(fā)動機短艙式，代表機型為V-22傾轉(zhuǎn)旋翼機；2）傾轉(zhuǎn)旋翼/螺旋槳式，代表機型為V-280傾轉(zhuǎn)旋翼機；3）發(fā)動機內(nèi)置機身式，代表機型為“鷹眼”無人傾轉(zhuǎn)旋翼機。各類推進系統(tǒng)技術(shù)特點詳見表1。

表1 傾轉(zhuǎn)旋翼機推進系統(tǒng)形式及特點

3 國外典型傾轉(zhuǎn)旋翼機推進系統(tǒng)

3.1 V-22傾轉(zhuǎn)旋翼機推進系統(tǒng)

V-22傾轉(zhuǎn)旋翼機是美國貝爾直升機公司與波音直升機公司在XV-15技術(shù)驗證機基礎(chǔ)上研制。該機最大垂直起飛重量23.7t，最大速度達509km/h，典型任務(wù)半徑達到722km。推進系統(tǒng)方面，該機采用了在兩側(cè)翼尖分別安裝傾轉(zhuǎn)發(fā)動機艙的布局，動力裝置為兩臺羅·羅公司的T406-AD-400渦軸發(fā)動機，其起飛功率4585kW，耗油率為0.259kg/（kW·h）（最大連續(xù)）。傳動系統(tǒng)具備互耦驅(qū)動功能，單發(fā)失效時由一臺發(fā)動機驅(qū)動兩個旋翼，實現(xiàn)應(yīng)急飛行。在垂直起降狀態(tài)下發(fā)動機轉(zhuǎn)速15000r/min，為100%工作狀態(tài)，轉(zhuǎn)換為固定翼飛行狀態(tài)時，發(fā)動機和傳動系統(tǒng)部件轉(zhuǎn)速降為84%。V-22傾轉(zhuǎn)旋翼機及T406-AD-400渦軸發(fā)動機如圖1所示。

圖1 V-22傾轉(zhuǎn)旋翼機及推進系統(tǒng)

3.2 V-280傾轉(zhuǎn)旋翼機推進系統(tǒng)

在V-22傾轉(zhuǎn)旋翼機研制技術(shù)基礎(chǔ)上，貝爾直升機和洛·馬公司正在聯(lián)合開展V-280傾轉(zhuǎn)旋翼機的技術(shù)驗證，該機于2017年12月實現(xiàn)首飛。據(jù)報道，該傾轉(zhuǎn)旋翼機的巡航速度超過500km/h航程可以達到930km～1480km。在推進系統(tǒng)方面，V280傾轉(zhuǎn)旋翼機采用了旋翼傾轉(zhuǎn)而發(fā)動機短艙不傾轉(zhuǎn)的構(gòu)型。動力裝置為兩臺T64-GE-419發(fā)動機，分別被水平安裝在翼尖上。其起飛功率為3500kW，耗油率為0.286kg/（kW·h）（巡航狀態(tài)）。該構(gòu)型避免了起降狀態(tài)下發(fā)動機尾噴燃氣直接作用于地面平臺，可以減輕懸停狀態(tài)下發(fā)動機高溫燃氣對機身下部人員的傷害，還能大大減少了發(fā)動機的工作姿態(tài)范圍，降低發(fā)動機研制難度［20～21］。同時，因傾轉(zhuǎn)部件較少，減少了復(fù)雜的液壓驅(qū)動機構(gòu)，提高了可靠性。但也因減速器空間緊湊、安裝載荷大，對傳動系統(tǒng)設(shè)計提出了更高的設(shè)計研制要求。圖2為V-280傾轉(zhuǎn)旋翼機布局。

圖2 V-280傾轉(zhuǎn)旋翼機布局

3.3 “鷹眼”無人傾轉(zhuǎn)旋翼機推進系統(tǒng)

2003年，貝爾公司在V-22“魚鷹”有人傾轉(zhuǎn)旋翼機的基礎(chǔ)上開始研制“鷹眼”無人傾轉(zhuǎn)旋翼驗證機，2016年實現(xiàn)首飛，最大起飛重量1020kg，最大巡航速度360km/h?！苞椦邸睙o人傾轉(zhuǎn)旋翼驗證機為單發(fā)無人傾轉(zhuǎn)旋翼機，發(fā)動機位于機身中間，從而使得吊艙的結(jié)構(gòu)較為簡單，發(fā)動機動力通過中間減速器分流后分別傳遞到左、右兩側(cè)傾轉(zhuǎn)/旋翼減速器，通過減速后帶動旋翼旋轉(zhuǎn)。該構(gòu)型缺點也同樣明顯，因發(fā)動機占用機身內(nèi)部空間影響了平臺運輸性能，同時動力輸出傳力路線更為復(fù)雜?！苞椦邸睙o人傾轉(zhuǎn)旋翼驗證機構(gòu)型如圖3所示。

圖3 “鷹眼”無人傾轉(zhuǎn)旋翼驗證機

綜合來看，V-280傾轉(zhuǎn)旋翼機所采用的發(fā)動機固定傾轉(zhuǎn)旋翼/螺旋槳式應(yīng)該是未來傾轉(zhuǎn)旋翼機的主流結(jié)構(gòu)形式，有必要針對這一結(jié)構(gòu)形式的關(guān)鍵技術(shù)進行深入分析，為后續(xù)我國開展相關(guān)研究提供支撐。

4 傾轉(zhuǎn)旋翼機推進系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

4.1 發(fā)動機和傳動系統(tǒng)多模態(tài)工作與控制

傾轉(zhuǎn)旋翼機工作融合了直升機、固定翼飛機和兩者轉(zhuǎn)換的過渡態(tài)等多種工作模態(tài)，使工作范圍大幅擴展和操作模式復(fù)雜化［22］。其推進系統(tǒng)多模態(tài)工作和控制技術(shù)是其核心技術(shù)，該技術(shù)主要研究推進系統(tǒng)在各工作模態(tài)下長時間工作的影響因素及其影響特性，尋找消除或降低影響的控制方法或措施。如工作模態(tài)轉(zhuǎn)換時發(fā)動機進排氣系統(tǒng)進氣畸變和工作穩(wěn)定性、發(fā)動機承傳力、空氣系統(tǒng)和燃油系統(tǒng)等工作模式均發(fā)生較大變化，需對推進系統(tǒng)多模態(tài)工作特性、影響因素和控制措施進行分析研究。

4.2 發(fā)動機變轉(zhuǎn)速動力渦輪設(shè)計

為確保飛行器在直升機、固定翼飛機和過渡態(tài)等不同功率模式下發(fā)動機均具有較高效率，傾轉(zhuǎn)發(fā)動機需采用變轉(zhuǎn)速動力渦輪設(shè)計。變轉(zhuǎn)速動力渦輪由于轉(zhuǎn)速變化范圍大，低轉(zhuǎn)速工作時葉片負荷要遠高于常規(guī)動力渦輪的負荷水平。同時，在不同轉(zhuǎn)速工況下工作時，渦輪葉片還需要面臨很大范圍的攻角變化，如轉(zhuǎn)速在60%～100%范圍內(nèi)變化時，葉片攻角變化范圍可能超過60°。因此，需解決變轉(zhuǎn)速引發(fā)的攻角大范圍變化及低轉(zhuǎn)速下渦輪負荷急劇增加帶來的渦輪效率降低問題，使動力渦輪轉(zhuǎn)子能夠在寬廣的工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)安全工作。

4.3 傳動系統(tǒng)總體設(shè)計

傾轉(zhuǎn)旋翼機傳動系統(tǒng)需要適應(yīng)直升機、傾轉(zhuǎn)過渡、固定翼飛機的模式變化，在姿態(tài)變化中帶動旋翼實現(xiàn)傾轉(zhuǎn)運動。在各種姿態(tài)工況和復(fù)雜載荷下，傳動系統(tǒng)總體匹配設(shè)計對于傾轉(zhuǎn)旋翼機總體性能起到至關(guān)重要的作用［23］。相比傳統(tǒng)直升機傳動系統(tǒng)，傾轉(zhuǎn)旋翼機傳動系統(tǒng)在構(gòu)型和功能上具有非常大的差異，除了向旋翼/螺旋槳傳遞功率外，還要適應(yīng)旋翼/螺旋槳傾轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動帶來的過渡態(tài)復(fù)雜氣動載荷。此外，在單發(fā)失效時，傳動系統(tǒng)必須具有向兩個旋翼同時傳遞相近功率的功能，在飛行姿態(tài)變化過程中還必須保障旋翼/螺旋槳工作協(xié)調(diào)性，以上對傳動系統(tǒng)提出了較高要求。

4.4 傳動系統(tǒng)大姿態(tài)潤滑系統(tǒng)兼容性設(shè)計

不同于直升機和戰(zhàn)斗機的大姿態(tài)機動，傾轉(zhuǎn)旋翼機要求在各種姿態(tài)下均能長時間穩(wěn)定工作，傾轉(zhuǎn)旋翼機依靠傾轉(zhuǎn)減速器實現(xiàn)旋翼的姿態(tài)變化，其潤滑系統(tǒng)需要適應(yīng)傾轉(zhuǎn)減速器大姿態(tài)飛行條件下穩(wěn)定工作的要求，保證在各種姿態(tài)下有足夠的滑油流量和滑油壓力，從而確保傾轉(zhuǎn)旋翼高速直升機傳動系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運行，否則容易出現(xiàn)潤滑系統(tǒng)報警甚至危害飛行安全。因此，大姿態(tài)潤滑系統(tǒng)兼容性設(shè)計是傾轉(zhuǎn)旋翼機傳動系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)之一。

5 結(jié)語

傾轉(zhuǎn)旋翼機及其配套推進系統(tǒng)在國外已經(jīng)過數(shù)十年研究，部分型號列裝服役，國內(nèi)在相關(guān)領(lǐng)域雖然也探索性開展了理論和試驗研究，但研究技術(shù)成熟度較低，尚無法滿足傾轉(zhuǎn)旋翼機研制需求?？偟貋碚f，包括發(fā)動機和傳動系統(tǒng)在內(nèi)的推進系統(tǒng)技術(shù)是中國傾轉(zhuǎn)旋翼機發(fā)展的重要瓶頸，有必要針對性開展研究工作。為推動國內(nèi)傾轉(zhuǎn)旋翼機推進系統(tǒng)發(fā)展，建議深化研究平臺對推進系統(tǒng)能力需求，頂層規(guī)劃傾轉(zhuǎn)旋翼機推進系統(tǒng)技術(shù)譜系，明確發(fā)展路線，針對變轉(zhuǎn)速動力渦輪設(shè)計、傾轉(zhuǎn)減速器等發(fā)動機和傳動系統(tǒng)設(shè)計制約性技術(shù)進行重點研究，實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)集成突破。