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傾斜式旋翼機——未來理想輕型運輸機的選擇

2020-07-15 21:55 作者:冰封之龍  | 我要投稿

傾斜式旋翼機作為一款“可垂直起飛的小型運輸機”,隨著MV22魚鷹的服役而走進了中國軍迷的視野。在這兩年的熱點事件中,無論是沖繩美軍MV-22墜毀,印度尼西亞和日本采購MV22,都讓這種飛機名聲大噪。但很多軍迷并不知道,傾斜式旋翼機不僅比垂直起飛戰(zhàn)斗機歷史悠久,而且它的歷史能夠追溯到世界上第一代直升機的時代。

本文可以算這一篇的姊妹篇。

那么讓我們簡明扼要,從傾斜旋翼機的緣起,再到它的成熟,最后到中國該領(lǐng)域的發(fā)展來談?wù)勥@位“年輕的老兵”的歷史吧。

部分資料來自維基百科。

雛鷹起飛——傾斜旋翼機的誕生

制造一種能垂直起飛,然后水平推進的飛機的想法存在很久。從達芬奇的直升機,再到儒勒凡爾納的《征服者羅比爾》的“信天翁號”,這種東西一直是人類科幻作品的想法。在儒勒凡爾納的作品里,他甚至還預(yù)言了鋁、紙(其實類似于目前碳纖維復(fù)合材料)在航空器的發(fā)展。不過由于那個時候技術(shù)局限,這些東西只能存在于人的夢想之中,但人類奮斗的歷史卻從未終結(jié)。

凡爾納作品的“信天翁號”,其使用的垂直同軸反轉(zhuǎn)螺旋槳提供升力,水平螺旋槳提供前進力,和后來的“高速直升機”幾乎如出一轍

隨著技術(shù)發(fā)展,停留在紙面的“垂直起飛飛行器”開始初具雛形,在萊特兄弟1903年做出飛機后的兩年,也就是1905年,一對有著法國血統(tǒng)的日內(nèi)瓦兄弟Henri ,Armand Dufaux便展出了他們首個樣品——一架僅有47千克的飛行器。它可以像直升機一樣起飛,然后水平飛行。不過由于它不成功,二人后來轉(zhuǎn)向傳統(tǒng)的雙翼機開發(fā),并且在1910年公開表演了飛躍日內(nèi)瓦湖。從此之后,這種飛機陷入了沉寂。

Henri ,Armand Dufaux

在1940年代,德國航空工程師針對于前線屢戰(zhàn)屢敗的困境,開始思考新的飛機設(shè)計。其中既包括了戰(zhàn)前就流行過一段時間的飛翼布局Ho-229,又有如開創(chuàng)現(xiàn)代噴氣式飛機Me262的發(fā)明,更多的就是各種測試飛機,如可變機翼測試機,以及本篇提到的垂直起飛驗證機——Fa269。

Fa 269驗證機

Fa269設(shè)計源自于1941年,該飛機采用一臺BMW 801發(fā)動機,分別伸出兩個驅(qū)動軸,帶動兩個可以向后折疊的螺旋槳軸。在理想情況下,該飛機可以垂直起飛,然后把螺旋槳轉(zhuǎn)到水平,推動飛機飛行,這個理論和目前火爆的V-280的“發(fā)動機固定+螺旋槳軸旋轉(zhuǎn)”如出一轍。不過由于納粹節(jié)節(jié)敗退,飛機場也被轟炸,所以1944年研發(fā)停止,僅僅停留在地面風(fēng)洞測試和木制模型階段。因此,最終第一架實現(xiàn)了飛行的旋翼機的桂冠,歸屬到了美國人。

Transcendental Model 1-G

這架以現(xiàn)在眼光看起來非常原始的飛機是1947年成立的Transcendental 公司,在1947年開始研發(fā),并在1954年首飛的1-G型旋翼機。和FA 269相同,它采用1臺活塞式發(fā)動機,并采用動力軸把推力均勻推到兩個螺旋槳上。但由于以當(dāng)時技術(shù)配平兩個螺旋槳的推力很難,也很難做差動,所以這架飛機在1955年就墜毀了。由于該公司規(guī)模小,并未取得美國政府的青睞,真正得到美軍重視的,正是MV-22的祖爺爺——1955年試飛的貝爾XV-3型傾斜旋翼機。

BELL XV-3

作為當(dāng)時赫赫有名的UH-1直升機的供應(yīng)商,貝爾公司推出的這個機型很快就受到了美國軍方的賞識。不過,由于技術(shù)困難,該飛機在1956年10月,便因為轉(zhuǎn)軸在轉(zhuǎn)到17°時引發(fā)的共振導(dǎo)致飛行員暈厥而墜毀。貝爾公司汲取了教訓(xùn),更換了螺旋槳,使得該飛機實驗得以繼續(xù)到1966年。之后,由于越南戰(zhàn)爭大部分的工作都用于損失的直升機的補充,XV-3又不具備實際的軍用價值,便在1966年停止飛行,并丟棄在一處軍事基地的戶外。直到1984年,貝爾公司的XV-15實驗組來到了這個基地,才意識到這架飛機還沒有丟失,此后修復(fù)作為博物館展品。

從1905到1966的這50年里,傾斜旋翼機雖然從紙面成為了現(xiàn)實,但因為動力過于復(fù)雜,操作風(fēng)險度太高,最終也未能批量服役。不過,人們在傾斜旋翼機的投資并未白費,這為他的進一步發(fā)展奠定了初步的理論基礎(chǔ)。

鷹擊長空——從XV-15到MV-22?

XV-15 世界上第一款取得了基本成功的傾斜旋翼機

從FA 269到XV-3,人們的思路一直被那個該死的可旋轉(zhuǎn)驅(qū)動軸所困擾。一方面,回轉(zhuǎn)驅(qū)動軸對于萬向節(jié)的要求極高,并且控制系統(tǒng)比起可變后掠翼還要苛刻;另一方面,單獨的發(fā)動機設(shè)計讓飛機功率受到極大限制,無法承載足夠的物資。這導(dǎo)致軍方對這種機型失去了耐心,只有NASA還在繼續(xù)研究。從1966到1971,NASA會同波音,貝爾等公司對XV-3進行了大量研究,終于得出繼續(xù)采用傳動軸設(shè)計是不可能的。之后,在NASA的支持之下,XV-15的研發(fā)提上了日程。

XV-15的研發(fā)是NASA接手XV-3后提出的,當(dāng)時研究者有西科斯基,波音和貝爾公司,NASA提供的科研預(yù)算僅有可憐的50萬美金。不過,由于前期風(fēng)洞設(shè)計是NASA和貝爾、波音等公司共同進行的,這使得前期研發(fā)費可以壓低很多。最后,貝爾做出了革命的設(shè)計——把發(fā)動機和螺旋槳都移動到翼尖,并且整個作為可旋轉(zhuǎn)的機構(gòu)。這一來,就省去了復(fù)雜的萬向軸和長長的驅(qū)動軸,使得飛機得以使用兩臺大型發(fā)動機。這一作品就是XV-15傾斜旋翼機。

XV-15傾斜旋翼機換成了2臺Avco Lycoming LTC1K-4K 發(fā)動機,每臺動力1156KW(1500馬力),這使得該飛機的動力和后來的直10差不多,都達到了2000KW級別。因此XV-15比起它僅有3噸的父輩XV-3足足重了一倍,達到了6噸的起飛重量,可攜帶650公斤燃油飛行825公里。而且由于采用了可旋轉(zhuǎn)螺旋槳設(shè)計,它平飛速度達到了300節(jié)(550千米每小時),平飛下失速速度100節(jié)。這使得它比起世界最快的高速武裝直升機AH-56還要快50%,甚至超過了E-2預(yù)警機的機體C-2,充分展現(xiàn)了傾斜旋翼機的強大優(yōu)勢。

洛克希德AH 56高速直升機,使用兩具水平螺旋槳加速飛行,可達212節(jié)

雖然美國因為越南戰(zhàn)爭的慘敗、1972石油危機而削減了很多項目,但XV-15仍然等到了一個機遇——美國駐伊朗大使館事件。在伊朗革命事件中,美國大使館遭遇伊朗占領(lǐng),而美國軍方卻無法找到一種“速度足夠快,并且能夠像直升機一樣垂直起降”的飛機進行營救。因此在聽說NASA正在繼續(xù)傾斜旋翼機的計劃之后,美國軍方立即想起了被他們拋棄的1-G和XV-3,又去找貝爾公司開發(fā)新的傾斜旋翼機。由于XV-15計劃中貝爾和波音都展現(xiàn)了自己的實力,這次美國軍方?jīng)Q定兩家一起招來研發(fā)更大,更具備實用性的傾斜旋翼機,這就是后來的MV-22魚鷹傾斜旋翼機。

折疊狀態(tài)下的MV-22比CH-46運輸機還要小
MV-22可以如同直升機一樣起飛,也可以如雅克28垂直起降戰(zhàn)斗機一樣短距離滑行起飛

比起XV-15只有6噸的小身板,MV-22保持了MV-15翼尖發(fā)動機的布局,但一口氣把起飛重量提升到了超過E-2D的27噸。產(chǎn)生如此大飛躍的原因是它換裝了兩臺4590KW(6100馬力)的渦軸發(fā)動機,其功率已經(jīng)達到了E-2預(yù)警機的級別。雖然它比起現(xiàn)役最大的米26直升機小了一半,但其高達9噸的內(nèi)部荷載(或6.8噸的吊掛,可以吊掛一整個M777榴彈炮)已經(jīng)足夠勝任大部分的工作,其巡航速度310節(jié)更是遠勝于慢吞吞的CH-53E/K直升機。因此,MV-22以其強大的載重(僅次于CH-53E/K)和不低的速度(接近E-2D),以及折疊后機身和CH-46相當(dāng)?shù)木C合性能,很快就成了海軍陸戰(zhàn)隊和空軍的寵兒,在兩棲攻擊艦上得到了廣泛的運用,替換了老舊的CH-53D直升機和CH-46直升機。

除了在兩棲攻擊艦上接替了老舊的CH-46的班以外,海軍也有意引進MV22用于航母。由于MV-22起飛重量超過了S-3和C-2/E-2,海軍便看上了可以像直升機一樣起飛,又可以像固定翼飛機一樣高速巡航的MV-22。早在1980年美國海軍就考察過當(dāng)時還是V-22的魚鷹,企圖用SV-22替換航母上S-3預(yù)警機,并隨后開發(fā)預(yù)警機型。雖然冷戰(zhàn)結(jié)束后海軍認(rèn)為蘇聯(lián)潛艇威脅不復(fù)存在而放棄了SV-22飛機,但相關(guān)研究并未停止,未來隨著中美競爭的加劇,E-2的老朽,以及美國海軍對反潛巡邏機、大容量加油機的興趣重新燃起,MV-22進入海軍并成為多功能機型的可能性仍然很大,甚至有傳言將有配置三面固定相控陣的EV-22。所以,未來這款具有較大改裝空間和運用模式的傾斜旋翼機,在美國的前途仍然非??春?。倘若美國海軍廣泛使用MV-22和其改裝的預(yù)警機、反潛機和加油機變形,配合大量F-35B飛機的儲備,完全可以在戰(zhàn)時使用MV-22配合F-35B將兩棲登陸艦、大型油輪變成“短距起降飛機航母”,執(zhí)行二線海域的制空巡邏、反潛巡邏的任務(wù),解放出更重要的核動力航母用于一線。

EV-22雖然還是想象,但不是不可能

在空軍,海軍和陸戰(zhàn)隊轉(zhuǎn)向MV-22后,美國陸軍終于坐不住了,他們邀請貝爾公司為陸軍的直升機換代計劃研發(fā)出了V-280 勇氣式旋翼機。

V-280 傾斜旋翼機

陸軍對傾斜旋翼機的要求相對簡單,就是要開發(fā)一款能夠高速飛行,隱形能力還不錯的新式直升機替代者,在某些場合替換早已年近半百的UH-60黑鷹直升機。因此貝爾公司在2017年便開發(fā)出了V-280旋翼機。它一反MV-22發(fā)動機連同螺旋槳一同旋轉(zhuǎn)的方式,重新改為通過萬向軸連接可旋轉(zhuǎn)的螺旋槳。不過,它比起XV-3早已經(jīng)是今非昔比,現(xiàn)代技術(shù)制造的傳動軸,電傳飛控旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和動力總成都讓它變得更加穩(wěn)定可靠。它使用2臺久經(jīng)考驗的GE T64渦軸發(fā)動機(該引擎也用于CH-53E和AH-56,1959年開始生產(chǎn)),起飛重量和MV-22相當(dāng),空載約15噸,最大可達26噸,速度也超過500公里每小時,外部可吊掛M777 155榴彈炮,內(nèi)部也可運載9噸貨物。同時作為一款通用直升機,它外部也可掛載導(dǎo)彈和機關(guān)炮,可謂是同時兼顧了AH-56的速度、CH-53的運載能力和科曼奇的隱形能力。雖然它還未進入現(xiàn)役,但其前景也非常廣闊。

祖國之鷹——國產(chǎn)傾斜旋翼機的發(fā)展

相比于美國批量服役的MV-22和閃亮登場的V-280,國產(chǎn)旋翼機的進展相對緩慢,除了老生常談的國產(chǎn)發(fā)動機技術(shù)不足以外(中國目前制造的最大的渦軸發(fā)動機僅僅是用于直20的渦軸10發(fā)動機,功率1500-2000KW,僅有MV-22的一半),在直升機飛控,結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的欠缺也導(dǎo)致中國設(shè)計大型直升機/傾斜旋翼機存在一些難度。

2012年珠海航展上,中國展出了4旋翼的“藍鯨”旋翼機。當(dāng)然,受制于那時候中國航空工業(yè)水平,這種飛機最終留在了模型階段。不過到了2018年,中國在權(quán)衡了有人旋翼機的風(fēng)險后,中國決定仿效以攻擊11驗證飛翼模型的手段,以無人機驗證復(fù)雜的傾斜旋翼機。這就是CH-10(彩虹10)無人旋翼機。

2014年珠海航展“藍鯨”4旋翼機
CH-10 無人旋翼機

CH-10無人機是彩虹系列無人機的型號,它與MV-22一樣都采用了發(fā)動機艙一起旋轉(zhuǎn)的布局。它自重320千克,巡航速度150公里每小時,最大速度300公里每小時,可攜帶50千克載荷飛行7小時。雖然該尺度比起美國MV-22的27噸少了90倍之多,但是這仍然是我國傾斜旋翼機第一次現(xiàn)實中的出現(xiàn),值得我們發(fā)揚和支持。未來隨著國產(chǎn)直升機技術(shù)和旋翼機相關(guān)控制技術(shù)的進一步突破,國內(nèi)大型傾斜旋翼機是值得我們期盼的。

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