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V-22“鱼鹰”杂谈

发布时间:2013-05-06  原作者:晨枫   点击数:

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  直升机可以垂直起落,可以前飞、倒飞、侧飞,可以悬停,在战场上是极其有用的工具。但是在日益激烈的现代战场上,直升机的速度太低了,大大影响其战场上的生存力。如果可以在平飞时把桨翼转过来,作推进螺旋桨用;在起落时把桨翼竖起来,作直升机的旋翼用,那岂不一举两得,鱼与熊掌兼得?

  50 年代时,贝尔公司在美国空军的资助下,研制了 XV-3 倾转桨研究机,在机身两侧平直机翼的翼尖,各安装了一副可以倾转的常规直升机上用的三桨旋翼,由机身内的发动机通过传动轴驱动,既可以前倾至水平作推进螺旋桨用,又可以直立做直升机的旋翼用。XV-3 于 1955 年 2 月全机完成,1958 年 12 月 18 日首次完成直升机状态到固定翼状态的转换,成功地从原理上解决了在螺旋桨推进的固定翼飞机和直升机之间的转换问题。美国陆军对 XV-3 的成就十分满意,和 NASA 一起进一步资助贝尔,在 1973 年开始研制 XV-15 倾转桨研究机。

  XV-15 采用的专门设计的倾转桨(proprotor),既能够适应直升机模式所要求的桨叶的挥舞,又避免在固定翼飞机模式时桨叶的过度挥舞。XV-15 可载机组 2 人和 9 名乘客,1978 年首次完成直升机模式到固定翼飞机模式的转换。在试验中,XV-15 达到了 478 节(885 公里/小时)的前飞速度。 除了在各地机场和各种地形、气候环境试验外,XV-15 还进行了上舰试验。

贝尔 XV-3 倾转浆研究机,在两侧翼尖各安装一副普通直升机的旋翼

XV-15 的验证试飞高度成功,V-22 基本上就是放大型的 XV-15

  与此同期,伏托尔公司(波音直升机的前身)另辟蹊径,将螺旋桨和发动机固定在机翼上,但整个机翼可以倾转,由此达到推力转向的目的,并于 1958 年 7 月完成首次直升机状态到固定翼状态的转换。相比之下,倾转翼(tilt wing)对发动机、桨叶和机翼之间的气动整合比较容易处理,桨叶不必布置在翼尖,理论上可以沿机翼布置双桨、四桨或更多,适应大型飞机的需要,但需要倾转整个机翼,对机翼和机身的连接处的机械设计要求很高,在直升机状态时,机翼竖立起来,不仅前飞阻力很大,机翼也从产生升力到进入深度失速,完全丧失升力,但是旋翼下洗气流受机翼的遮挡较小,下洗气流和机翼的气动关系也比较固定。倾转桨(tilt rotor)需要倾转的重量小,在直升机状态下的前飞阻力小,但桨叶只能布置在翼尖,对将这个概念发展为大型飞机带来相当的困难,贝尔在响应美国陆军的“先进机动运输机”(Advanced Maneuvering Transport)计划时,只能在机身上安装前后两个机翼,以容纳四个倾转桨。倾斜桨的桨叶、发动机短舱、机翼之间的气动关系复杂,尤其是桨叶在倾转过程中,下洗气流将以不同角度冲刷机翼,,气动影响十分复杂。

伏托尔 VZ-2 倾转翼研究机,整个机翼一起倾转

可以想象,多少人看到这个图景,会不认为空中交通的新时代已经到来?

贝尔和波音对倾转浆的民用市场抱很大的希望

贝尔 609 是第一个民用的倾转浆飞机,但在 V-22 的开发遇到困难后,这个计划无声无息了

贝尔的 Quad Tiltrotor 方案

  XV-15 取得了巨大成功,倾转桨飞机既具备直升机特有的“树梢高度”的机动性和垂直起落带来的战术使用上的灵活性,又具备固定翼螺旋桨飞机的速度和航程,引起国防部高层和美军各军种的强烈兴趣。1981 年,美国国防部指令四大军种共同研制 XV-15 的放大型 V-22。海军陆战队要用 V-22 取代 CH-46 串列双桨中型直升机和重型的 CH-53,作为未来两栖作战超视距垂直包围的主力运输工具;空军要用 V-22 取代 HH-53,用作搜索、救援弹射逃生的飞行员和投送、接应深远敌后的特种部队;海军要用 V-22 作为弹射逃生的飞行员搜索救援之用,并将考虑进一步发展为反潜用;陆军除了采用基本的 V-22 作为突击机降用外,还要用 V-22 作为电子战专用飞机。

对倾转浆飞机的最初的乐观导致了很多设想,包括运输型、预警型、加油型甚至“炮舰”型

最初设想 V-22 将作为所有军种的基本直升机,得到大量装备

  但是各军种携手合作的好景不长,陆军的电子战型要求 V-22 具有很大的载重量和很高的升限,这使 V-22 的基本型远远大于其它军种所要求的基本型。空军的特种作战型要求有很远的航程,这要求翼展较大,以提高固定翼状态下的气动效率,而且可以容纳较多的燃油。但海军陆战队的 V-22 必须能够把桨叶折起来,把机翼横转过来,和机体平行,以减少舰上的占地,两栖攻击舰的机库、飞机升降机和甲板上直升机的停机坪尺寸也有限制,所以 V-22 的占地不能超过 CH-46,这样一来,翼展和桨叶尺寸都有限制。海军的搜索救援和反潜型要求有很好的悬停性能。所有这些性能对海军陆战队的基本型还说都是不必要的奢侈。具体到座舱的正副驾驶得位置也有争:海军和海军陆战队习惯上是正驾驶在右座;空军和陆军习惯是正驾驶在左座(和民航一样)。

  围绕 V-22 的性能指标和具体设计,各军种之间展开了激烈的争吵。最后,陆军决定退出了 V-22 计划。以后陆军又返回过 V-22 计划,只采购海军陆战队的基本型,但因为预算和价格原因,最后还是彻底退出了。空军、海军对各自的要求作很大的让步,由 V-22 的最大用户海军陆战队主持 V-22 的计划。海军陆战队的基本型成为 MV-22,要求可以装载 3 名机组成员和 24 名士兵,航速 250 节,作战半径 200 海里,无地效悬停高度 3,000 英尺。海军的搜索救援型称为 HV-22,空军的特种作战型称为 CV-22,反潜的 SV-22 和被取消。

V-22 的基本结构,机头机枪到现在还没有装上去

  从设计上讲,V-22 确实是革命性的。在固定翼状态下,V-22 好像是一架在两侧翼尖有两个超大的螺旋桨的飞机;在直升机状态下,V-22 又好像是一架有两个偏小的旋翼的直升机,而且旋翼不在常规的前后,而是在两侧。但是 V-22 的旋翼不是简单的超大的螺旋桨,而是有全套直升机周期距和总距控制的旋翼。与常规直升机的旋翼不同的是,V-22 的桨叶是半刚性的桨叶,这是为了适合在前飞时作为推进螺旋桨的使用。V-22 的旋翼直径也比同级的常规直升机的小,这是为了适应较小的翼展的需要,同时也减小前飞阻力。V-22 旋翼的全套周期距和总距控制使 V-22 可以在低速或悬停状态下完成所有直升机特有的机动动作。固定翼状态下的飞行控制是常规的平尾、垂尾和襟翼、副翼。飞行控制系统自动地、平滑地从一个状态向另一个状态过渡,而不是简单的切换。旋翼可以在任何倾转角工作,从直升机状态到固定翼状态转换的最快时间为 12 秒。机翼在 40-80 节之间开始产生升力,气动控制翼面开始生效。在 100-120 节时,气动控制开始完全取代直升机控制,总距控制和周期距控制切断。既容许直升机状态又容许固定翼状态的所谓“转换区”有 100 节的范围,所以飞行员有很大的自由度可以选择最适合当前任务和战斗需要的飞行状态,大大增加了操作弹性。

V-22 有完整的固定翼飞机气动控制翼面,也有完整的直升机的周期距控制和总距控制

推杆时,固定翼状态下平尾下翻,直升机状态下旋翼前倾

拉杆时,固定翼状态下平尾上翻,直升机状态下旋翼后倾

操纵杆向左压,固定翼状态下副翼左上右下,直升机状态下旋翼左倾

操纵杆向右压,固定翼状态下副翼右上左下,直升机状态下旋翼右倾

蹬左舵,固定翼状态下垂尾舵向左转,直升机状态下右旋翼前倾,左旋翼后倾

蹬右舵,固定翼状态下垂尾舵向右转,直升机状态下右旋翼后倾,左旋翼前倾

放下两侧副翼(这里当襟翼用),固定翼状态下增加升力,直升机状态下减少旋翼下洗气流的影响

增加功率,固定翼状态下增加速度,直升机状态下增加升力

红区为直升机控制有效的速度范围,蓝区为气动翼面控制有效的速度范围

横轴为速度,纵轴为旋翼倾转角度,淡紫去为安全范围,红区为失速范围

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