呂樂豐，吳希明，李潁輝

中國航空研究院，北京 100029

傾轉(zhuǎn)旋翼機可通過旋翼系統(tǒng)在垂直與水平位置之間的傾轉(zhuǎn),實現(xiàn)垂直起降和高速前飛,兼具直升機和固定翼飛機的優(yōu)點。相比其他高速旋翼飛行器構(gòu)型,傾轉(zhuǎn)旋翼機任務效能尤為突出,不僅可以作為交通體系“干支通、全網(wǎng)聯(lián)”的重要節(jié)點,也能滿足敏捷救援體系響應速度的需求[1-2]。作為民用航空應用的重要載體,傾轉(zhuǎn)旋翼機是民用高速旋翼飛行器發(fā)展和未來直升機技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的重點方向。

自20世紀80年代以來,基于軍機研制成果,歐美等發(fā)達國家針對傾轉(zhuǎn)旋翼機在民用領(lǐng)域的應用需求開展了可行性評估和大量的技術(shù)研究,形成了多個民用傾轉(zhuǎn)旋翼機的概念方案。民用傾轉(zhuǎn)旋翼機在商業(yè)運輸方面的潛力已經(jīng)得到了廣泛認可,美國國家航空航天局（NASA）研究認為,大型民用傾轉(zhuǎn)旋翼機（LCTR）可融入航空運輸系統(tǒng),具有較大的市場潛力,如果將短途旅客轉(zhuǎn)移到LCTR垂直機場,主跑道供長途運輸飛機使用,可最大限度降低因航班延誤帶來的影響[3-6]。歐洲借助V-22 研制成果發(fā)展的AW609（見圖1（a））民用傾轉(zhuǎn)旋翼機已完成適航取證。針對第二代大型民用高速旋翼飛行器（LCTR2）的重型高速旋翼飛行器系統(tǒng)項目正在開展深入研究[7-10]。歐洲直升機公司聯(lián)合策劃了總質(zhì)量為10t 級、20 座的“ERICA”傾轉(zhuǎn)旋翼機研究方案,該方案旨在進一步提升傾轉(zhuǎn)旋翼機的效率。在“潔凈天空2”計劃的支持下,萊奧納多公司正在開發(fā)下一代民用傾轉(zhuǎn)旋翼機（NGCTR,見圖1（b））技術(shù)驗證機,探索5項新技術(shù),以實現(xiàn)節(jié)能減排能力提升目標[11],同時歐美也在積極構(gòu)建包括民用傾轉(zhuǎn)旋翼機在內(nèi)的直升機產(chǎn)業(yè)體系[12]。

近年來,國內(nèi)對傾轉(zhuǎn)旋翼機關(guān)鍵技術(shù)的研究日益增多,國內(nèi)有關(guān)單位以不同形式開展了傾轉(zhuǎn)旋翼機關(guān)鍵技術(shù)或技術(shù)原理驗證工作,取得了一定的研究成果,研究的關(guān)注點包括傾轉(zhuǎn)旋翼機的軍事需求[13-14]、氣動設計[15]、噪聲分析[16]、旋翼傾轉(zhuǎn)策略[17]、飛行力學和控制律[18-19]等。但這些研究僅針對軍事應用領(lǐng)域,國內(nèi)民用傾轉(zhuǎn)旋翼機技術(shù)研究尚處于起步階段?！笆濉币詠?國內(nèi)研究院所啟動了民用高速旋翼飛行器宏觀需求與市場分析等發(fā)展戰(zhàn)略研究[2],開展了高速旋翼飛行器與直升機、通航飛機、公路、鐵路等傳統(tǒng)交通運輸工具的效能仿真,明確了其在我國民用領(lǐng)域的戰(zhàn)略發(fā)展定位。目前,關(guān)鍵技術(shù)識別的主要方法包括情報分析法[20]和專家評估法。劉靜怡等[21]從結(jié)構(gòu)設計、空氣動力學、飛行控制三個方面總結(jié)了傾轉(zhuǎn)旋翼無人機的關(guān)鍵技術(shù)。蔡靖等[22]基于V-22“魚鷹”傾轉(zhuǎn)旋翼機的研制歷程,論述了傾轉(zhuǎn)旋翼機的幾項關(guān)鍵技術(shù)。鑒于專家評估法的主觀性和情報分析法的局限性,在軍民機技術(shù)要求差異和適航安全性方面,國內(nèi)較少開展民用傾轉(zhuǎn)旋翼機關(guān)鍵技術(shù)研究,因此,為推動民用傾轉(zhuǎn)旋翼機工程化,亟須開展相關(guān)技術(shù)研究。

圖1 國外民用傾轉(zhuǎn)旋翼機發(fā)展Fig.1 Development of civil tiltrotor aircraft

基于宏觀發(fā)展環(huán)境分析,本文針對應急救援、交通運輸和通航作業(yè)等領(lǐng)域,研究了民用傾轉(zhuǎn)旋翼機的應用需求。結(jié)合XV-15、V-22等典型傾轉(zhuǎn)旋翼機的研制經(jīng)驗和溯源分析,從安全與適航出發(fā),開展了民用傾轉(zhuǎn)旋翼機關(guān)鍵技術(shù)元素的識別,并重點分析了飛行控制系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、故障模式與安全性設計等關(guān)鍵技術(shù)。本文研究成果對我國民用傾轉(zhuǎn)旋翼機的工程化研制具有重要的參考價值。

1 應用需求分析

1.1 應急救援領(lǐng)域

2022年,我國發(fā)布《“十四五”國家應急體系規(guī)劃》[23],指出到2035年,建立與基本實現(xiàn)現(xiàn)代化相適應的中國特色大國應急體系。要求加快構(gòu)建應急反應靈敏、功能結(jié)構(gòu)合理的航空應急救援力量體系。引導和鼓勵大型民航企業(yè)、航空貨運企業(yè)建設一定規(guī)模的專業(yè)航空應急隊伍,購置大型、重型航空飛行器,提高快速運輸、綜合救援、高原救援等航空應急能力。我國航空應急救援領(lǐng)域主要涉及航空護林（見圖2（a））、醫(yī)療救援（見圖2（b））、海上救助、城市消防等應用領(lǐng)域。

圖2 直升機在應急救援領(lǐng)域的應用Fig.2 Helicopters in emergency rescue area

在航空護林領(lǐng)域,短距離作業(yè)時,由于外掛吊桶灑水作業(yè)對直升機的速度有限制,直升機飛行速度一般控制在150km/h 內(nèi),滿載航速不超過100km/h,傾轉(zhuǎn)旋翼機與傳統(tǒng)航空器相比并沒有太多優(yōu)勢；在中遠距離的機降滅火、空投空運等作業(yè)任務下,民用傾轉(zhuǎn)旋翼機可以實施快速機動,能夠發(fā)揮高速和載荷優(yōu)勢,可提高現(xiàn)有航空器作業(yè)效率的50%以上,同時拓寬現(xiàn)有航空器的作業(yè)覆蓋半徑。從作業(yè)特點來看,航空護林對民用傾轉(zhuǎn)旋翼機的機型需求主要集中于大型（11～15t）以及超大型（15t以上）。相比美國、加拿大等國每百萬公頃森林消防航空器平均數(shù)量為1.85 架,我國護林航空器相對缺乏,民用傾轉(zhuǎn)旋翼機能夠有效補充當前市場需求的空缺,尤其在大載荷航空器方面。

在醫(yī)療救護領(lǐng)域,民用傾轉(zhuǎn)旋翼機可以擴展直升機救援服務半徑,提升救護效率。與地面救護車相比,直升機急救和運送病患的速度比救護車快3～5倍,可有效降低事故死亡率40%左右。目前,醫(yī)療救護直升機主要以EC-135、貝爾429 等為主,主要針對城市內(nèi)和郊區(qū),飛行半徑一般不超過300km,現(xiàn)有主力機型艙內(nèi)空間較小,導致救護設備及人員數(shù)量受限。固定翼飛機長途轉(zhuǎn)運具有速度快、平穩(wěn)性高等特點,但傷患人員或醫(yī)療物資需要往返兩地機場,醫(yī)療救護的時效性較差。民用傾轉(zhuǎn)旋翼機能夠進一步提升現(xiàn)有直升機醫(yī)療救護效率,擴大醫(yī)療救援覆蓋范圍至500km 以上,相較于固定翼“事發(fā)點—機場—機場—醫(yī)院”的三段式轉(zhuǎn)移或緊急救援服務,民用傾轉(zhuǎn)旋翼機憑借高速、垂直起降的特點具備遠距離的“點到點”式航空醫(yī)療救援服務能力。

在海上救助領(lǐng)域,由于中高噸位直升機缺乏,若事發(fā)位置超出救助范圍,救助飛行隊需采取轉(zhuǎn)場救助或直飛事發(fā)地點執(zhí)行救助再返回距離最近機場的方式進行救助,救助效率大大降低。例如,S-76直升機在204km任務半徑的救援能力為8～10人,277km任務半徑的救援能力只有1～2人。由于當前航空裝備無法滿足我國海上救助的能力需求,現(xiàn)有的中遠海搜救作業(yè)都是由巡視船或艦載直升機進行的,搜救效率較低。民用傾轉(zhuǎn)旋翼機具備垂直起降能力,在速度上有非常大的優(yōu)勢,特別是對于中遠海距離的海上搜救作業(yè),可以迅速到達搜救區(qū)域執(zhí)行巡視搜救任務。因此,民用傾轉(zhuǎn)旋翼機在中遠海搜救作業(yè)領(lǐng)域具有較大的應用需求。

在城市消防領(lǐng)域,空中巡邏、空中消防等作業(yè)主要集中于城市及其周邊地區(qū)。目前,我國城市消防以EC-125、小松鼠等輕型直升機執(zhí)行空中巡察,大型Ka-32 消防直升機承擔空中滅火等任務。在短距離城市消防作業(yè)領(lǐng)域,民用傾轉(zhuǎn)旋翼機高速、垂直起降等優(yōu)勢并不能得到充分發(fā)揮,民用傾轉(zhuǎn)旋翼機在該領(lǐng)域缺乏市場競爭力。

在地震救援、洪澇救援、社會安全救助等應急救援領(lǐng)域,針對中遠程人員投送、應急搶險等對響應要求較高的作業(yè)任務,民用傾轉(zhuǎn)旋翼機能夠發(fā)揮其速度快、載荷大、基礎(chǔ)設施要求低等優(yōu)勢,與傳統(tǒng)直升機或固定翼形成差異化能力互補。

1.2 交通運輸領(lǐng)域

2022年,由中國民用航空局、國家發(fā)改委、交通運輸部聯(lián)合印發(fā)的《“十四五”民用航空發(fā)展規(guī)劃》[24]中提出,以提升非樞紐機場通達性、激活潛在市場新需求為導向,鼓勵創(chuàng)新服務產(chǎn)品,形成覆蓋廣泛、服務均等的基礎(chǔ)網(wǎng),拓展航線網(wǎng)絡覆蓋面,實現(xiàn)“干支通、全網(wǎng)聯(lián)”,在地面交通不便的偏遠地區(qū)積極推進基本航空服務,加快建成支通協(xié)同的短途運輸機場群,在京津冀、長三角、粵港澳大灣區(qū)和成渝等重點城市群引導建設大型綜合性通用機場,按需加密低空航線。

相比固定翼飛機,傾轉(zhuǎn)旋翼機對起降場地條件要求較低,不需要起降機場擁有完整跑道,可簡化基礎(chǔ)設施建設,節(jié)約建設資金成本,且后期維護面積較小,節(jié)省起降場地的運營成本。因此,傾轉(zhuǎn)旋翼機在交通運輸領(lǐng)域具有較大的應用潛力。

在短途運輸領(lǐng)域,現(xiàn)有直升機的應用暫時局限于浙江省島際航線,運用嵊泗島上的起降點設施實現(xiàn)直升機起降。若其他地區(qū)開通類似短途運輸航線的通用機場,民用傾轉(zhuǎn)旋翼機可快速實現(xiàn)替代。需要注意的是,相對于直升機,民用傾轉(zhuǎn)旋翼機在具有觀光屬性的航線上應用潛力較低,原因在于旅客選乘低空觀光航線的主要目的在于觀景而非快速通達,民用傾轉(zhuǎn)旋翼機按正常飛行速度在空中停留時間較短,無法發(fā)揮其性能優(yōu)勢。但在一些偏向于快速通達的航線,如連接機場和景區(qū)的空中擺渡,即使航線帶有旅游屬性,民用傾轉(zhuǎn)旋翼機對于時間敏感型客群仍然具有吸引力。

民用傾轉(zhuǎn)旋翼機在起降階段上的優(yōu)勢,還可以競爭小于150km 范圍的部分航線市場。對于該應用需求,雖然駕車或鐵路交通成本較低,但直升機可以通過“門對門”短途運輸以抵消劣勢。目前,國內(nèi)運輸機場和部分通用機場距離城市中心較遠,往返機場及候機的冗余時間是造成航空運輸存在劣勢的原因之一。而民用傾轉(zhuǎn)旋翼機對起降條件要求較低,相較于必須使用跑道型機場的固定翼飛機,在起降場地選擇上余地更大。如果目的地擁有距離市區(qū)更近的起降點,民用傾轉(zhuǎn)旋翼機執(zhí)飛的短途運輸航線可為旅客大幅節(jié)省往返時間。如北上廣深地區(qū)擁有數(shù)量可觀的寫字樓頂停機坪,民用傾轉(zhuǎn)旋翼機可充分利用更靠近城市的起降點資源,滿足高端VIP用戶的需求。

1.3 通航作業(yè)領(lǐng)域

隨著無人機、電動垂直起降（eVTOL）等新型航空器的發(fā)展,傳統(tǒng)通航作業(yè)市場正面臨快速的更新?lián)Q代。直升機在航拍、電力巡線等傳統(tǒng)通航業(yè)務中,主要與無人機進行競爭。當前,航拍、護林巡視等業(yè)務正逐漸被無人機替代。未來通航作業(yè)市場對于高性能、適應性強、低成本的航空器需求更為突出,特別是對低成本無人機的需求將大大壓縮傳統(tǒng)航空通航作業(yè)領(lǐng)域的市場需求。根據(jù)市場調(diào)研情況,結(jié)合我國通航作業(yè)各領(lǐng)域以及民用傾轉(zhuǎn)旋翼機的作業(yè)特點,民用傾轉(zhuǎn)旋翼機在通航作業(yè)的競爭優(yōu)勢領(lǐng)域主要集中在中遠海海上作業(yè)上。

目前,國家正進行南海開發(fā),現(xiàn)有直升機和渦槳飛機無法勝任南沙群島區(qū)域巡視以及島際飛行和人員貨物運輸?shù)热蝿?。以國?nèi)遠程直升機EC225為例,其最大航程為830km,而從三亞至三沙市大約350km,距離黃巖島大約950km,而距離較遠的南沙群島950～1350km。從三沙永興機場起飛到南沙群島距離在800km以上,現(xiàn)有直升機從航程上無法滿足要求。根據(jù)市場調(diào)研,民用傾轉(zhuǎn)旋翼機的應用需求主要體現(xiàn)在中遠程海上石油服務等領(lǐng)域,深圳、浙江以及湛江負責的海域平臺一般都在180km以上,航程在2h 以上,如果飛行速度提升1 倍,直升機的利用效率將大幅提升,保障數(shù)量也可顯著降低。在出現(xiàn)臺風的情況下,其可以迅速高效地進行人員撤離,最低限度地降低對石油生產(chǎn)的影響。此外,使用民用傾轉(zhuǎn)旋翼機預計會降低20%～30%的綜合成本,并且可減少乘客飛行時間,提高乘客的舒適性。

2 關(guān)鍵技術(shù)元素識別

所謂關(guān)鍵技術(shù),即在一個系統(tǒng)或某個技術(shù)領(lǐng)域中起到重要作用、不可或缺的技術(shù),或?qū)Ξa(chǎn)品研制存在較大風險的技術(shù)。從關(guān)鍵技術(shù)的定義出發(fā),重要作用和不可或缺是關(guān)鍵技術(shù)識別的兩個方面,即關(guān)鍵技術(shù)元素要滿足重要性原則或新穎性原則。結(jié)合民用傾轉(zhuǎn)旋翼機的特點,其重要性原則判定條件可以分解為該技術(shù)應對民用傾轉(zhuǎn)旋翼機的能力需求指標、性能、研制進度或費用有重大影響,或者該技術(shù)屬于國內(nèi)外傾轉(zhuǎn)旋翼機研制過程中重大技術(shù)難關(guān)和事故的底事件之一,或者該技術(shù)屬于傾轉(zhuǎn)旋翼機的發(fā)展趨勢及技術(shù)研究重點。而新穎性原則判定條件可以分解為軍民機技術(shù)要求存在顯著差異,或者與常規(guī)直升機構(gòu)型相比具有顯著差異。

在傾轉(zhuǎn)旋翼機關(guān)鍵技術(shù)分析方面,國內(nèi)外一般從技術(shù)的重要性出發(fā),主要包括氣動布局優(yōu)化設計技術(shù)、飛行控制系統(tǒng)可靠性及混合操縱控制技術(shù)、新旋翼系統(tǒng)概念及振動載荷控制技術(shù)、傳動系統(tǒng)集成化控制技術(shù)、減振減阻減重技術(shù)、旋翼短艙轉(zhuǎn)換機構(gòu)設計、旋翼機體耦合動穩(wěn)定性設計等技術(shù)領(lǐng)域。本文將結(jié)合新穎性原則重點開展軍民機技術(shù)要求差異性、安全與適航等方面的關(guān)鍵技術(shù)元素識別。

回顧國外傾轉(zhuǎn)旋翼機的發(fā)展歷史,大致經(jīng)歷了概念探索、技術(shù)突破和蓬勃發(fā)展三個階段,起到重大推動作用的主要包括XV-3、XV-15、V-22、V-280 和AW609 這5 型傾轉(zhuǎn)旋翼機[25-28]?；诠_發(fā)表的技術(shù)資料,從研制歷程及主要技術(shù)特征、關(guān)鍵技術(shù)及“瓶頸”因素分析等方面,開展技術(shù)驗證機的溯源研究,歸納出相關(guān)技術(shù)“瓶頸”和事故,見表1。

表1 典型傾轉(zhuǎn)旋翼機的墜毀事故分析Table 1 Typical tiltrotor aircraft crash accidents analysis

對XV-15和V-22事故歷史的回顧表明,這兩種構(gòu)型都經(jīng)歷了幾次單發(fā)停車,并且在單發(fā)失效模式（OEI）下成功運行。第一次事故發(fā)生在美國海軍V-22 第5 架原型機首飛時,事故原因是飛行控制系統(tǒng)中滾轉(zhuǎn)速率傳感器接線不當,導致飛行員控制誘發(fā)振蕩。第二起事件為第4 架V-22原型機右側(cè)發(fā)動機短艙燃油泄漏,傾轉(zhuǎn)時發(fā)動機著火、傳動軸受損,導致飛機墜毀。第三次事故為XV-15技術(shù)驗證機墜毀,根本原因是傾轉(zhuǎn)機構(gòu)螺栓松動,因其并未按照適航審定程序開展關(guān)鍵系統(tǒng)的多余度設計和關(guān)鍵故障模式飛行驗證。從上述事故原因可以看到,由構(gòu)型或飛行模式變化帶來的安全性問題是民用傾轉(zhuǎn)旋翼機研制中需要解決的關(guān)鍵技術(shù)元素,上述故障均未與傾轉(zhuǎn)旋翼機的構(gòu)型特征直接相關(guān),這些事故中的設計問題或維護問題也可能發(fā)生在渦槳飛機或直升機上。

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 旋翼/機翼氣動干擾

民用傾轉(zhuǎn)旋翼機總體氣動布局設計中存在設計變量多、耦合規(guī)律復雜、重量與性能預估不準等多種問題。同時,由于民用傾轉(zhuǎn)旋翼機具有高速飛行的特點,全機減阻研究尤為重要,全機減阻尤其是氣動干擾減阻不僅影響全機總體布置,而且容易導致旋翼動載荷增加,從而造成飛行隱患。在XV-3、XV-15 技術(shù)驗證機的研究過程中,就出現(xiàn)了旋翼動載荷異常導致的飛行事故。

傾轉(zhuǎn)旋翼機存在旋翼/機翼的多氣動面布局特征以及異于常規(guī)直升機的復雜渦系演化與干擾特征[15-16,18]。由于旋翼的傾轉(zhuǎn),旋翼渦系演化過程中會發(fā)生渦系的彎曲、畸變與多片槳葉脫落槳尖渦的相互干擾；對于多旋翼傾轉(zhuǎn)旋翼機,前旋翼脫落的槳尖渦直接撞擊在后旋翼上,產(chǎn)生復雜的渦畸變、破碎與重組等渦演化行為,并會與后旋翼的槳尖渦發(fā)生復雜的摻混與干擾,如圖3（a）所示；此外,由于機翼的存在,旋翼槳尖渦并不能充分發(fā)展,而會發(fā)生翼/渦干擾現(xiàn)象,在懸停狀態(tài)體現(xiàn)為噴泉效應,巡航狀態(tài)體現(xiàn)為滑流/機翼的相互作用,如圖3（b）所示。這些復雜的渦運動行為與干擾機制,對分析方法提出了極大的挑戰(zhàn),是傾轉(zhuǎn)旋翼機氣動分析的主要難題之一。同時,多旋翼渦演化與多氣動面的氣動干擾不僅對旋翼的非定常氣動特性與效率有很大影響,而且會引起機翼氣動特性的非定常與非線性變化,導致懸停狀態(tài)機翼下洗載荷增大與巡航狀態(tài)升阻比減小以及力矩特征的變化,進而影響傾轉(zhuǎn)旋翼機整體的氣動性能。因此,摸清多氣動面干擾下前后旋翼非定常渦系行為與相互作用機理,是民用傾轉(zhuǎn)旋翼機方案設計需要攻克的核心關(guān)鍵問題之一[29]。

3.2 飛行控制系統(tǒng)

電傳飛控系統(tǒng)（FBW）具備增穩(wěn)和自動飛行模式,可以顯著降低飛行員操作負擔,并為所需的各種飛行模式提供靈活控制,是民用傾轉(zhuǎn)旋翼機飛行控制系統(tǒng)的主要解決方案。電傳飛控系統(tǒng)包括軟件和硬件兩部分,其中軟件涵蓋飛行控制律和操作系統(tǒng),硬件包括作動器、電源、傳感器和計算機。對于民用航空器,適航規(guī)章要求飛行控制系統(tǒng)的可靠性要達到一定水平,要求其導致民機安全運行或著陸的災難性故障概率極小,即不超過10-9每飛行小時。相比軍用規(guī)范,可靠性要求提高了兩個數(shù)量級。針對民用傾轉(zhuǎn)旋翼機,電傳飛控系統(tǒng)的適航認證需要作為關(guān)鍵技術(shù)進行研究,并有必要對現(xiàn)有適航規(guī)章進行補充完善。此外,基于軟件的系統(tǒng)架構(gòu)設計也是民航局監(jiān)管的領(lǐng)域,需要予以重點關(guān)注。

美國聯(lián)邦航空局（FAA）采納了RTCA/DO-178“機載系統(tǒng)和設備審定的軟件因素”作為航空軟件的審定標準[30]。數(shù)字電傳操縱系統(tǒng)中任何涉及安全的關(guān)鍵部件,包括控制律和操作系統(tǒng),必須達到DO-178中的A級審定標準,這個標準適用于可能的災難性故障。由于運行軟件的計算機是駕駛員和操縱面之間唯一的控制路徑,數(shù)字電傳操縱系統(tǒng)最令人擔憂的問題是可靠性。如果計算機軟件崩潰,飛行員將無法操縱航空器。對于民機,冗余度可以提高安全性。因此,所有電傳操縱系統(tǒng)都是3～4 冗余[31],即3～4 臺計算機并行工作,并且都有各自獨立的線路連接到每個操縱面,如果一臺或兩臺計算機崩潰,其他計算機將繼續(xù)工作。V-22就采用了全權(quán)限三余度數(shù)字式電傳飛行控制系統(tǒng),無機械備份,每個數(shù)字通道均設計自監(jiān)控對,每臺計算機由獨立電源供電,三通道間通過交叉數(shù)據(jù)傳輸進行信息交互,系統(tǒng)具備二次故障的工作能力。在懸停及小速度（直升機模式）階段,主要通過控制兩副旋翼的總距、縱向（同向或差動）、橫向以實現(xiàn)對俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏航及高度軸的控制；在前飛（固定翼飛機模式）階段,主要通過控制升降舵、副翼、方向舵、油門以實現(xiàn)對相應軸的控制；另外,電傳飛行控制系統(tǒng)還可對短艙的轉(zhuǎn)角進行控制,以實現(xiàn)直升機模式與固定翼飛機模式兩者之間的轉(zhuǎn)換。

圖3 傾轉(zhuǎn)旋翼機氣動干擾和噴泉效應Fig.3 Aerodynamic interference and fountain effect in tiltrotor aircraft

對于民用傾轉(zhuǎn)旋翼機,過渡飛行階段控制律設計技術(shù)也是亟須解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。民用傾轉(zhuǎn)旋翼機按最優(yōu)傾轉(zhuǎn)策略進行過渡時,始終面臨時變傾轉(zhuǎn)誘導不確定氣動效應和隨機內(nèi)外擾動的綜合影響,極易衍生多通道、多自由度振蕩等難題,給安全飛行控制帶來巨大挑戰(zhàn)[19,32-33]。而傳統(tǒng)飛行控制技術(shù)不具有未建模動力學效應在線學習估計能力,在解決復雜內(nèi)外擾動下傾轉(zhuǎn)過渡飛行控制問題中,難以保障過渡飛行的高安全性。因此,如何自適應地估計并補償內(nèi)外擾動和傾轉(zhuǎn)誘發(fā)不確定性影響,進而精確地控制民用傾轉(zhuǎn)旋翼機按最優(yōu)傾轉(zhuǎn)策略進行過渡飛行,是完成傾轉(zhuǎn)過渡必須解決的難題。另外,民用傾轉(zhuǎn)旋翼機過渡過程中存在固定翼/旋翼異構(gòu)冗余操縱非線性強、多通道耦合嚴重、控制分配安全性和效率低,異構(gòu)操縱切換會衍生力/力矩擾動、飛行不穩(wěn)、過渡抖動等問題,這對傾轉(zhuǎn)操縱耦合機理分析與高效安全控制分配提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。因此,如何對傾轉(zhuǎn)過渡控制律產(chǎn)生的等效力/力矩進行安全、高效的異構(gòu)冗余操縱控制分配,實現(xiàn)過渡控制與控制分配設計解耦,是實現(xiàn)傾轉(zhuǎn)過渡必須突破的另一個難題。

3.3 傳動系統(tǒng)

傳動系統(tǒng)是傾轉(zhuǎn)旋翼機的關(guān)鍵動部件之一,不僅要實現(xiàn)不同飛行模式中的功率和轉(zhuǎn)速傳遞,還要實現(xiàn)旋翼的傾轉(zhuǎn)動作,是傾轉(zhuǎn)旋翼機區(qū)別于直升機和固定翼螺旋槳飛機的主要體現(xiàn)。

傾轉(zhuǎn)旋翼機傳動系統(tǒng)的主要功能包含將發(fā)動機的動力減速傳遞到相應旋翼及附件系統(tǒng)；將兩側(cè)短艙的動力系統(tǒng)串聯(lián)起來,從而保證單發(fā)失效時,可以由另一臺發(fā)動機提供應急功率驅(qū)動兩部旋翼；在液壓系統(tǒng)的作用下,實現(xiàn)旋翼的傾轉(zhuǎn),保證飛行姿態(tài)。V-22傳動系統(tǒng)[34-35]如圖4所示,包括5 個減速器和互連傳動軸系,在飛機模式和直升機模式（短艙最大可傾斜123°）下,將發(fā)動機扭矩傳遞給兩個主旋翼,且能使傾轉(zhuǎn)旋翼機在OEI時繼續(xù)運行。飛行中旋翼產(chǎn)生的拉力以及吊艙自身的重力通過傾轉(zhuǎn)承力筒傳到兩個懸臂軸承上,再由軸承傳遞到機翼上,特別是在垂直起降時,傾轉(zhuǎn)承力筒和懸臂軸承需要承受非常大的載荷。傾轉(zhuǎn)承力筒和懸臂軸承是傾轉(zhuǎn)旋翼機傳動系統(tǒng)中關(guān)鍵部件,對傾轉(zhuǎn)旋翼飛機的安全性、穩(wěn)定性及可靠性具有很大的影響,因此傾轉(zhuǎn)承力機構(gòu)的設計至關(guān)重要。

盡管提高功重比和效率是傳動系統(tǒng)永恒的追求,但對于民用傾轉(zhuǎn)旋翼機,傳動系統(tǒng)的可靠性與安全性技術(shù)尤為重要[28,35]。傳動系統(tǒng)可靠性受多種因素影響,增加傳動系統(tǒng)可靠性需要多方面的結(jié)合,包括傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計、零部件的材料選擇、潤滑系統(tǒng)的設計、新的設計技術(shù)和分析技術(shù)的應用等,這些在一定程度上都可以提高傳動系統(tǒng)的可靠性。分扭—并車傳動技術(shù)是將功率通過多通道傳輸,在同等總功率條件下顯著降低運轉(zhuǎn)時主傳動件的載荷,以保證疲勞強度要求,增加傳動系統(tǒng)的可靠性。進一步發(fā)展的分扭傳動結(jié)合了高重合度齒輪設計技術(shù),使得傳動系統(tǒng)在相同級數(shù)時具有比較高的傳動比,因此可減少傳動級數(shù)、提高傳動系統(tǒng)的效率和可靠性。

圖4 V-22傾轉(zhuǎn)旋翼機傳動系統(tǒng)原理圖Fig.4 V-22 tiltrotor aircraft transmission system schematic diagram

對潤滑系統(tǒng)任何形式的沖擊都可能導致傳動系統(tǒng)中齒輪和軸承所需潤滑油的流失。如果傳動系統(tǒng)中潤滑油流失,傳動系統(tǒng)會很快失效,導致飛行員不能及時迫降,因此提高傾轉(zhuǎn)旋翼機傳動系統(tǒng)的干運行能力很重要。適航規(guī)章對直升機都有一定的干運行能力要求,解決的辦法是通過優(yōu)化傳動系統(tǒng)布局、細節(jié)設計和應急潤滑來保證。此外,傳動系統(tǒng)各零部件應用新型耐高溫材料、改善冷卻系統(tǒng)設計或者機匣內(nèi)設置油兜等結(jié)構(gòu)用以儲備備用潤滑油。增加傾轉(zhuǎn)旋翼機傳動系統(tǒng)的干運行能力,能有效提高安全性。

傾轉(zhuǎn)旋翼機傳動系統(tǒng)除了具備常規(guī)直升機傳動系統(tǒng)功能外,需要適應直升機模式、過渡態(tài)模式以及固定翼模式的變化。旋翼減速器在工作過程中既要適應大姿態(tài)的變化,又要在姿態(tài)變化過程中穩(wěn)定和連續(xù)地傳遞功率和載荷,還得將旋翼載荷、過渡態(tài)復雜氣動載荷傳遞至機翼,在狹小空間內(nèi)如何優(yōu)化旋翼減速器齒輪傳動鏈設計、機匣設計、集中載荷傳遞是本技術(shù)研究的難點。兩側(cè)發(fā)動機的動力通過固定減速器和互連傳動軸系按要求傳遞給旋翼系統(tǒng),保證左右兩側(cè)旋翼轉(zhuǎn)速同步以及單發(fā)失效時發(fā)動機功率互連的功能,互連傳動軸系布置在機翼內(nèi)部,工作時需能適應機翼較大變形,同時受機翼的結(jié)構(gòu)尺寸限制,大補償能力柔性連軸器設計是一個技術(shù)難點。

3.4 故障模式及其安全性設計

OEI運行能力是民用適航規(guī)章的基本要求之一[36]。盡管作為軍機,V-22也通過傳動系統(tǒng)保證其單發(fā)失效應急能力。在短艙中,將減速器通過傳動軸與發(fā)動機相連,這種布局稱為互聯(lián)橫軸布局。由于互連可以實現(xiàn)懸停滾轉(zhuǎn)或由旋翼差動的俯仰控制,當一臺發(fā)動機出現(xiàn)故障時,另一臺發(fā)動機可以驅(qū)動兩套旋翼系統(tǒng),使傾轉(zhuǎn)旋翼機繼續(xù)飛行和安全著陸。無論是XV-15,還是V-22,都對這種故障模式進行了驗證[25-26,28]。制定單發(fā)失效時的操作程序需要系統(tǒng)性研究以下三個方面,以確保民用傾轉(zhuǎn)旋翼機在OEI狀態(tài)下,同時滿足所有A類適航標準要求。一是如何通過最小的重量代價,通過減速器保障發(fā)動機提供足夠的應急功率；二是在應急狀態(tài)下,如何基于診斷系統(tǒng)保證功率需求,而非應急功率自檢；三是在應急狀態(tài)下,如何通過優(yōu)化人機交互系統(tǒng)盡可能地為飛行員減負。

傾轉(zhuǎn)過渡轉(zhuǎn)換是傾轉(zhuǎn)旋翼機獨有的工作模式,在轉(zhuǎn)換過程中,民用傾轉(zhuǎn)旋翼機必須具備傾轉(zhuǎn)機構(gòu)故障模式下的安全運行能力[36]。在飛機模式下,由于短艙與地面間隙較小,當短艙處于飛機模式時,傾轉(zhuǎn)旋翼機無法安全著陸。為了防止傾轉(zhuǎn)系統(tǒng)完全失效,必須采用多余度設計技術(shù)。V-22采用三余度液壓螺桿作動系統(tǒng)（HSDS）。在常規(guī)操作下,V-22使用位于機翼末端的兩個液壓螺桿作動器。如果這些液壓系統(tǒng)中的一個或兩個出現(xiàn)故障,作動器末端備份的電傾轉(zhuǎn)系統(tǒng)將繼續(xù)為短艙提供動力。如果冗余系統(tǒng)發(fā)生故障,飛機仍然可以在固定翼模式下以最小的損失進行著陸。

與直升機相似,傾轉(zhuǎn)旋翼機在完全失去動力的情況下也應具備安全著陸能力。中國民用航空規(guī)章CCAR-29-R2第143 條要求[34],當發(fā)動機失效發(fā)生在最大連續(xù)功率和臨界重量時,旋翼航空器在申請合格審定的速度—高度包限范圍內(nèi),必須是可操縱的。擬定的PART XX[37]也要求垂直升力類飛行器,當發(fā)動機全部失去動力后,應能夠保持控制,并在應急著陸時根據(jù)需要改變航空器的構(gòu)型或狀態(tài)。如果民用傾轉(zhuǎn)旋翼機在飛行時遇到完全動力失效的情況,一般會通過無動力滑翔下降到附近機場進行緊急著陸,類似于傳統(tǒng)的民用運輸機。為確保民用傾轉(zhuǎn)旋翼機的安全性,也必須按照CCAR-29規(guī)定的無動力狀態(tài)下的自轉(zhuǎn)下滑程序開展飛行驗證。

除了發(fā)動機故障外,由于關(guān)鍵部件較多,傾轉(zhuǎn)旋翼系統(tǒng)也易發(fā)生關(guān)鍵失效模式。在飛行過程中,單發(fā)失效概率一般介于10-5～10-6,其他動部件的故障率約為10-6。為了將失效概率提升到與飛行控制系統(tǒng)相近的水平,需要開展關(guān)鍵部件失效安全性提升技術(shù)研究,如采用健康監(jiān)測系統(tǒng),提升傳動系統(tǒng)精密部件（齒輪、軸承等）的工藝制造水平,以及高容錯設計技術(shù)[38-39]等。

4 結(jié)束語

隨著科技發(fā)展以及人民生活水平的提高,未來民用市場將更加強調(diào)“高速直達”與“隨時起降”。民用傾轉(zhuǎn)旋翼機上承支線客機、下接直升機,能夠以“點到點”的方式高效實施直接救援或開展相關(guān)作業(yè),可以滿足我國海洋搜救、客貨運輸、海洋開發(fā)、干支通交通運輸?shù)冗h航程、快響應、大載重等任務需求。基于上述應用場景,短期內(nèi),航空應急救援體系建設的迫切性催生了我國民用傾轉(zhuǎn)旋翼機的市場需求；中長期來看,我國交通運輸體系的末端短途運輸網(wǎng)絡建設,將成為推動民用傾轉(zhuǎn)旋翼機市場發(fā)展的重要推動力。

縱觀XV-15技術(shù)驗證機和V-22傾轉(zhuǎn)旋翼機事故,其原因主要是系統(tǒng)的可靠性低,與傾轉(zhuǎn)旋翼機的構(gòu)型特征沒有直接相關(guān)性。歐美國家通過系統(tǒng)可靠性提升、多余度設計等措施,實現(xiàn)了V-22 和AW609 等軍民用傾轉(zhuǎn)旋翼機的成功研制。對于民用傾轉(zhuǎn)旋翼機,適航要求高于軍機,必須通過設計手段和嚴苛的適航認定程序保障其使用安全性。因此,本文認為與傾轉(zhuǎn)旋翼機安全性相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)和各種故障模式下的安全性設計技術(shù),應作為我國民用傾轉(zhuǎn)旋翼機工程化研制的重點研究方向。