倾转旋翼机这么好，为什么仍不能取代直升机？
天机调茶局2018-07-10 09:51
图——贝尔直升机参与美国军方FVL(未来垂直升级计划)的竞标机型V-280勇气
本文作者：南京航空航天大学旋翼飞行器总体气动方向博士生
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在开始长篇大论之前，我先简要概括下本文的主要焦点。
1. 倾转旋翼机变形机制及主要优势2. 从V-22鱼鹰的经验来看，就倾转旋翼机的旋翼而言，其与常规直升机的主要区别在哪里？3. 倾转旋翼机真的可以说“兼具”直升机和固定翼飞机的综合优点吗？
还是那句话——对专业理论兴趣不大的读者朋友，可直接到文末看结论，有任何想法欢迎探讨。
1. 倾转旋翼机的变形机制和主要优势
图——模型倾转旋翼机旋翼内部系统
众所周知，直升机旋翼奖叶在悬停状态和前飞状态下的工作环境是截然不同的，直升机在前飞时最大速度通常受到前行奖时压缩性影响及后行浆叶气流分离的限制，旋翼前飞时的气动效率通常要比机裂低。这就使常规直升机虽然具有固定翼飞机所不具备的垂直起落和悬停能力，但是，其固有的弱点是飞得慢、飞不远，常规直升机的最大飞行速度一般难以突破370千米时。
直升机如果能够展术般地在空中转换成飞机，那么它就既能像直升机垂直起落和悬停，又能像飞机那样飞得快、飞得远。这就是20世纪70年代码制成功的倾转旋翼飞行器（或称倾转旋翼机）。
早在20世纪60年代，美国贝尔公司就在XV-3研究机上对这种飞行器涉及的基础技术和关键设计技术进行前期研究，70年代在XV-15倾转旋翼机上取得突破。80年代起美国军方投入巨资由贝尔/波音公司联合研制V-22倾转旋翼飞行器，90年代V-22取得成功，并于1999年交付部队使用。
倾转旋翼飞行器将直升机的优点和固定翼飞机的优点综合在一架飞行器上，发动机短舱安装在机翼翼稍，发动机通过减速器带动旋翼，旋翼/短舱组件通过一套控制机构可以在90°范围内倾转，两副旋翼同转速、转向相反。横向穿过机翼的协调轴把机翼两端的发动机连接起来，以保证两旋翼同转速。如果一台发动机出现故障，另一台发动机可以通过该横轴带动两付旋翼旋转。两付旋翼有各自独立的自动倾斜器用于直升机模式的撮纵；机翼和尾翼上有副翼、襟翼、方向舵和升降舵用于飞机模式操纵。当旋翼/短舱位于垂直方向时，倾转旋翼机像横列式直升机一样工作，当旋翼/短舱位于水平方向时，倾转旋翼机像螺旋桨飞机一样工作，当旋翼处于倾转过程时，倾转旋翼机的升力由机翼和旋翼共同承担，并同时使用飞机和直升机两套操纵。
倾转旋翼机是新一代高速、变性能旋翼飞行器，它既能像直升机那样不需要机场就可起飞着陆，又具有比普通直升机块得多的巡航速度和夫的航程。V-22倾转旋翼机速度可达到500km/h以上，航程可达到3000km。因此，这种旋翼飞行器具有广阔的应用前景和发展潜力。
2. 倾转旋翼与常规直升机大旋翼的差异
图——常规直升机旋翼
倾转旋翼机由于要兼顾直升机模式和固定翼飞机模式的要求，因此，其旋翼与常规直升机旋翼有明显不同。
1. 首选是旋翼的尺寸相比于常规直升机要小许多；2. 旋翼的转速一般要比直升机更大；3. 旋翼一般都是刚性桨叶，不想直升机中那样既有刚性、半刚性还有全铰接；4. 桨叶采用了很大的负扭转（V-22桨叶负扭转达47°——也就是说桨根部位的桨叶安装角比桨尖部位的安装角大了47°），并且沿展向翼型布置与弦长变化大；5. 旋翼连同发动机短舱支撑在弹性机翼上，其支持刚度低，不同状态下支持刚度是变化的。
由于这些特点，使倾转旋翼机的空气动力学特性、动力学特性及飞行动力学特性与常规直升机有很大的差异，特别是旋翼倾转过程中的动态气动特性、气弹动力学特性、飞行动力学及飞行控制等问题都是其他飞行器所没有的。
3. 倾转旋翼机“兼具”直升机和固定翼飞机的优势？
不见得。
3.1 首先是直升机
平常我们说倾转旋翼机具备直升机的优点，一般就是说他能够像直升机一样垂直起降、悬停、以及进行一些低速机动飞行。
没错，这的确是直升机相对其他飞行器来说具备的独特优势，但不能简单的说，只要具备了这种能力的飞行器，就是具备了直升机的优势。
一个东西能不能干一件事情不能说是优势，只能说是能力而已，一个东西擅不擅长干一件事情，这才是优势。
图——典型大尺寸旋翼的直升机悬停
a. 先说悬停
气动方面的情况：
直升机的悬停性能此处不在赘言，我着重说说，为什么倾转旋翼机的悬停性能达不到直升机的水平。
在展开论述之前，我先说一下，在行业内一般是怎么评判一架旋翼飞行器的悬停性能的，我们一般采用一个叫诱导功率，这样一个值来评判这个悬停性能。诱导功率是个什么概念呢？众所周知，直升机悬停的时候，他会消耗多种多样的功率，其中一种功率是用来牵引这个气流，从桨盘上方运动到桨盘下方，然后气流就会对旋翼产生一个反作用力，而这个力就是旋翼的拉力，直升机就是通过这个与总重相同的拉力来保持直升机悬停在空中，这种牵引气流所需的功率被称为诱导功率，在悬停和低速状态下，诱导功率是发动机输出总功率的主要组成部分，一般而言，悬停状态下，诱导功率会占到总功率的75%及以上。
根据能量守恒的原理，要产生一个相同的拉力，就要牵引相同量的气流到旋翼的下方，那么，相对于常规直升机而言，倾转旋翼的旋翼尺寸更小，也就是说桨盘面积更小，那么他要牵引和常规直升机大尺寸旋翼相同的气流，就需要更大的牵引速度。这个牵引速度呢，在行业内被称为诱导速度，诱导速度和旋翼拉力的成绩就是诱导功率，那么现在旋翼拉力和总重都是保持一致的，诱导速度越大，诱导功率就会越大。因为倾转旋翼的键盘尺寸远小于常规直升机，所以它的诱导功率也比直升机都用的功率要大许多，因而它的诱导功率要大许多，这对于悬停来说是很不经济的。
悬停稳定性方面的情况：
假如现在有一阵突风吹来，直升机驾驶员仅仅需要通过对旋翼的总距杆和周期变矩杆进行一些调整，就可以抵消突风对悬停状态中直升机的影响，而倾转旋翼机呢？
突风不仅会影响倾转旋翼机横列的双旋翼，而且会影响到倾转旋翼机较长的两侧机翼。倾转旋翼机飞行员往往要通过复杂的操纵，才能抵消突风的影响。从这个方面来说，倾转旋翼机的悬停稳定性也不如直升机。
b. 低速机动能力
就以V-22为例吧，其旋翼系统的过载能力为1.4， 而典型直升机的旋翼过载能力为3.5，差距有一倍之多，这是为何？
可能有些读者朋友对这个过载能力这个词不太清楚，我先解释一下过载能力，过载能力的意思就是说，这个旋翼在进行大机动转弯或者突然拔高等大机动特种飞行时候，其旋翼系统会承受比总重更大的拉力，这个拉力与总重的比值就是过载系数，也就是过载能力，比如说过载能力1.4，就是旋翼可以承受1.4倍的总重，过载能力3.5，就是旋翼可以承受3.5倍的总重。
倾转旋翼之所以过载能力比较弱，主要原因还是因为他旋翼尺寸比较小，因为他旋翼尺寸比较小，却仍要承担全部的总重，因而它的旋翼载荷本身就会比较高，在这种高负载运转下的旋翼是很难承受更大的过载的。
3.2 然后是固定翼
图——固定翼飞机
为什么说倾转旋翼机其实并没有兼具固定翼飞行器的优势呢？主要原因还是它不够快。毕竟倾转旋翼飞行器的旋翼在设计的时候要兼顾垂直起降、悬停以及前飞能力，因而它在气动设计上比较折衷，这就导致它在前飞的时候，旋翼并不能像常规螺旋桨飞机一样在最优气动条件下运转，因而它的前飞速度和效率还是赶不上固定翼飞行器的。
这个问题的解决或许有赖于旋翼变形（变直径、变扭转、甚至变翼型）等技术的成熟吧，目前这方面国内外都已经展开研究了。
总结
总结的话说多了你们又要嫌我啰嗦，那就说一句——倾转旋翼机悬停和低速能力及经济性还远不如同档次直升机，前飞能力又远不如同档次固定翼飞机，但是它的存在填补了两者之间的空白，给航空界带来了新的思路，也催生了各种新概念飞行器的进步，从这个点来说，它确实很优秀！
图——美国防务最新倾转风扇飞行器（计划投入10亿美金研制，但是主要由于发动机研发困难，目前已经暂停）
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