倾转旋翼机是兼顾直升机与固定翼飞机优势的飞行器,机翼端部吊舱(含旋翼/螺旋桨、动力组件)可在水平(巡航模式)与垂直(悬停模式)间倾转,直升机模式靠旋翼供升力悬停,固定翼模式靠机翼供升力、旋翼供推力。它无直升机尾桨、有安全冗余,克服直升机航程短的短板;低速时能切换直升机模式,避免固定翼飞机失速问题。其操作包线宽、巡航更安静、多任务适配性强,可执行运输、救援、特种作战等任务,典型机型 V-22 可覆盖特种战争、精确攻击、空中加油等多种应用场景。
1、倾转旋翼机介绍
倾转旋翼机,是一种独特的飞行器,它可以像螺旋桨飞机一样快速有效地向前飞行,同时,也可以像普通直升机一样垂直起降、悬停。
倾转旋翼机在每一个机翼外端部安装了一个旋翼/螺旋桨,可以在一定范围内高速旋转,这些旋翼/螺旋桨以及电机、发动机、减速器一般安装在机翼端部的吊舱内,这个吊舱可以从水平位置(飞机或巡航模式)旋转到垂直位置(直升机和悬停模式),实现旋翼/螺旋桨倾转。
在直升机模式下旋翼提供全部的升力和高度控制,在悬停时需要的电机/发动机功率最高。当飞行器转换到固定翼飞机模式时,螺旋桨提供前飞的拉力或推力,此时机翼提供了大部分的升力,发动机的功率和推力可以减小,因此,倾转旋翼机具有非常有效的巡航性能。下图倾转旋翼机飞行示意图。


2、倾转旋翼机与直升机的区别
尽管倾转旋翼机不仅具有直升机一样具有优良的操作性和机动性,还具有其他直升机一些不具备的能力。
直升机没有机翼,只有旋翼和尾桨。直升机的旋翼会像固定翼飞机的机翼一样提供直升所需的升力和操纵力。旋翼高速旋转时,桨叶上下表面会产生压力差,下翼面压力大于上翼面压力,因此能够产生直升机所需的升力,使直升机能够静止空中或垂直飞行。直升机升力大小,通常通过控制旋翼桨叶在旋转时的桨叶攻角来提供。通常情况下,桨叶攻角越大,相同转速下升力越大。

直升机还通过自动倾斜器等来实现桨盘的改变,从而实现对直升机的前飞等操纵。在旋翼桨叶高速旋转过程中,通过改变桨盘倾角或单个桨叶旋转一周各个角度上的攻角,实现对直升机升力的控制,这个过程也称为周期变距控制。总距控制和周期变距控制的结合能实现对直升机操纵。直升机的推力基本上是指向上方的,直升机向前飞行是通过桨盘平面向前倾斜,从而使推力向期望的飞行方向倾斜来实现。
与固定翼飞机相比,直升机的前飞/后飞/侧飞方式是一种效率很低的方式,因此直升机、多旋翼飞行器的航程都比较短。直升机主要优势是悬停和短距飞行。

倾转旋翼机完成起飞和悬停飞行控制方式和直升机有些近似。旋翼系统升起、进行总距控制控制,这样使倾转旋翼机具有优良的悬停和低速飞行性能。除此之外,倾转飞行器还能偏转它的旋翼从垂直方向到水平方向来提供推力,同时依靠机翼提供升力。倾转旋翼机通过这种方式,克服了直升机的许多弱点,兼顾了垂直起降和前飞效率的综合需求。
倾转旋翼机具有普通单旋翼直升机、串列式直升机、固定翼飞机等不具有的一些特点。其中典型特点如下:
1)反向旋转的旋翼消除了单旋翼直升机尾桨,结构更简洁;
2)对于V22来说,相互连接的驱动轴可以将力分配到两个旋翼,增加了安全冗余。对于分布式电动系统而言,多电机特征可以在不明显增加重量的前提下,实现多动力驱动和安全冗余。


3、倾转旋翼机与固定翼飞机的区别
固定翼飞机通过机翼产生升力,通过副翼、升降舵、方向舵等实现操纵。当机翼足够大且与气流的相对速度足够时,就能够产生足够升力来克服飞行器的重力,实现空中飞行。固定翼飞机采用螺旋桨和喷气式发动机时,必须保持必要速度来维持飞行所需的升力。在飞行速度过低时,可能产生机翼失速而不能够维持升力。

在前飞巡航模式下,倾转旋翼机工作特征与典型的固定翼飞机基本相同。向前飞行时,倾转旋翼机由机翼提供升力,它的速度由电机/涡轮轴发动机驱动旋翼来实现,控制由副翼、升降舵、方向舵来完成。
在低速或悬停时,倾转旋翼机能旋转吊舱/旋翼/螺旋桨(即推力方向)从水平位置到垂直位置,从而快速切换成直升机模式,这是普通固定翼飞机所不具备的。
4、倾转旋翼机的优点
倾转旋翼机优点如下:
1)总体性能
倾转旋翼机具有直升机和固定翼飞机的操纵特点,而且更有很大的操作包线,它从盘旋到达300kn的飞行速度或海拔超过20000ft的高度都能有效地运转。主要特点如下:
① 既有直升机的垂直/短距起降和悬停功能,又有固定翼飞机的高速飞行、巡航能力;
② 范围广且灵活的操作性;
③ 柔和且容错性好的控制系统;
④ 相互连接的回转轴提供了电机/发动机在所有飞行模式下的安全;
⑤ 容易进行后退和侧向飞行;
⑥安静的巡航飞行和低噪声信号。

2)机动性
在倾转旋翼机有效载荷范围之内,倾转旋翼机能够执行直升机执行的任何任务,同时还能执行目前由固定翼飞机战术运输机执行的一些任务。倾转旋翼机是最适合执行那些由于时间和距离受到限制而需要垂直/短距离起飞和降落的任务。

3)安静性
倾转旋翼机减小了回转轴的转动速度,并且采用了非常低的推力作为循环推力,所以,在巡航飞行中比直升机和飞机更安静。

4)多任务的适应性
倾转旋翼机通过不同的设计,并且提高配置可适应不同的任务。如通过提高它的速度、航程、机内的货运能力,可成为一个优秀的空中加油、搜索和救援、控制和指挥平台等。
下表列出了美国政府、贝尔-波音公司和商业分析公司估计V-22可以有效地执行的不同任务。
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