V—22

V—22

美國研製的V一22“魚鷹”傾轉鏇翼機,是一款頗受媒體關注的多功能垂直/短距起降航空器。其新穎的構思、優異的性能和寬廣的適用範圍,給人留下了深刻印象。

基本信息

2005年5月20日

。美國空軍凱特蘭空軍基地組建了第一個V-22傾轉鏇翼機訓練中隊,圍繞V-22用於運送特種作戰部隊設計初衷展開系統訓練。2005年6月。美國海軍陸戰隊VMX-22作戰試驗與評估中隊的全部8架“魚鷹”集中在美國海軍LHD 5“巴丹”號兩棲攻擊艦上。進行最後階段的作戰評估試驗……這一系列事件標誌著這種研製期長達25年的新型作戰飛機真正投入了部署。V一22有著獨特而優異的性能.但在技術上仍然存在著較嚴重的問題,對此。我國專家將進行詳盡的分析。
美國研製的V一22“魚鷹”傾轉鏇翼機,是一款頗受媒體關注的多功能垂直/短距起降航空器。其新穎的構思、優異的性能和寬廣的適用範圍,給人留下了深刻印象。但這種先進的三軍通用型飛機的稱謂卻值得商榷,所採用的技術和總體設計方案也有許多需要改進的地方。

關於V-22的稱謂

嚴格地講,V一22“魚鷹”一類的飛行器不應叫做“傾轉鏇翼機”。雖然相對乾正常的飛行狀態(發動機、螺鏇槳處在與飛機縱軸平行的位置),V一22的螺槳鏇翼在短距起降、垂直起降、懸停、過渡飛行等狀態時的確是“傾轉”的,但它們並非單獨偏轉,而是隨著發動機艙的轉動而轉動。因此,該機種的準確名稱應該是“採用傾轉發動機技術”的直升飛機。
美國人之所以將“魚鷹”定義為傾轉鏇翼機,是沿用了貝爾直升機公司對XV-3的叫法。1955年8月試飛成功的XV-3垂直起降研究機,是一架真正意義上的傾轉鏇翼飛行器。該機的動力裝置是一台450馬力的渦軸發動機,飛行時,發動機輸出的功率通過一個橫軸傳給設在左右翼尖上的螺槳鏇翼,使之能夠同步對轉、產生拉力。兩副工作中的螺槳鏇翼可由一套特殊的操縱機構控制,在水平和垂直位置間來迴轉動,以改變拉力矢量的方向,從而構成“直升機狀態”、“定翼機狀態”和“過渡飛行狀態”。試飛結果表明,XV-3能夠在10秒鐘之內完成90。的飛行姿態轉換。
1973年,應美國陸軍和航空航天局的要求,貝爾公司結合XV-3傾轉鏇翼機的設計經驗,研製了一種採用低槳盤載荷鏇翼和傾轉發動機技術的垂直起降航空器一一xV-15試驗機。但貝爾直升機公司的技術人員仍將其稱為“傾轉鏇翼機”。這大概是因為轉動發動機艙的目的,也是為了改變螺槳鏇翼的拉力矢量方向。雖然這兩類“傾轉”方案所採用的技術措施和控制機構不一樣,但在功能、原理、效果方面則相差不大。後來,在XV-15基礎上新開發的實用型V-22“魚鷹”,亦承襲了這一稱謂。
V-22的研製情況
與固定翼飛機相比,直升機最明顯的長處是可以垂直起降和在空中懸停,對起降場所的依賴程度較低。不過,在平飛過程中,直升機由於鏇翼的氣動效率很低,100千克拉力最多可以拉動300千克重量,運輸效率K(K=G/W)只有4左右;而以螺鏇槳為動力的、同等功率的固定翼飛機的運輸效率K可達12以上,100千克拉力最多可以拉動1500千克重量。由於效率高、經濟性好,固定翼飛機的航程遠遠高於直升機。普通直升機的最大航程不過500千米左右,而輕型螺鏇槳飛機的航程往往在1500~2000千米以上。另外,由於受鏇翼工作特點的限制,直升機的最大飛行速度、飛行高度等技術指標也比同級別的固定翼飛機低許多。
採用傾轉鏇翼(或傾轉發動機、傾轉帶發動機的機翼)方案,可以把直升機與固定翼飛機的優點較完美地結合起來,構建出一種獨特的既能垂直起降和懸停,又能飛得更高、更快、更遠的新型航空器一一螺鏇槳式“直升飛機”。這就是美國人開發V-22“魚鷹”的動因。
1981年底,美國軍方提出了“多軍種先進垂直起降飛機”(JVX)計畫,為空、海軍研製一種具有較高運輸效率、三軍通用的“直升飛機”。為了競爭JVX項目,美國貝爾直升機公司與波音直升機公司聯手推出以XV-15為藍本、但尺寸放大了的V-22方案。1985年1月,這種飛行器被正式命名為V-22“魚鷹”。從該機以英文字母“V”而不是“H”打頭,就可看出:它是垂直起降飛機而不是直升機。V-22分為空軍型、海軍型和海軍陸戰隊型,編號分別為CV-22、HV一22、MV-22,今後還有可能發展陸軍型以及海軍反潛型SV一22。
1988年5月23日,V-22的1號原型機出廠。1989年3月19日,該機試飛成功。1989年9月14日,完成了首次由直升機狀態向定翼機狀態過渡的飛行實驗。1990年12月,V-22的原型機開始在航空母艦上進行海上試飛。按照原先的計畫,V-22的生產型應於1991年底交付美國海軍陸戰隊,1993年開始配備美國空軍,1995年進入美國海軍服役。但由於經費、技術等方面的原因,到1997年時,這種先進垂直,短距起降飛行器仍處於工程製造階段。此時的“魚鷹”已比原型機有了較大變化,材料、工藝、結構、系統方面的改動很多,而後來的小批量生產型又在設計上做了進一步的調整和改進。直至本世紀初,複雜、昂貴的v一22型直升飛機才逐步裝備美國軍隊。
V-22的設計特點
在V-22的機翼翼尖部位,安裝有2台可傾轉的T406一AD-400型渦輪軸發動機和2副直徑11.61米的螺鏇槳(鏇翼),單台起飛功率6235軸馬力。2台發動機工作時,螺槳鏇翼是對轉的,產生的扭矩相互抵消。若發動機處於水平位置,整架飛機與普通的螺鏇槳飛機沒有什麼兩樣。而當發動機轉向上方時,
鏇槳便相當於一對鏇翼,飛機可以垂直起降和懸停。V一22的發動機、傳動系統和螺鏇槳(鏇翼)在定翼機平飛狀態、直升機工作狀態以及過渡飛行狀態之間的偏轉變換角度可達97。30’。
V-22能在大氣溫度33℃、高度900多米處進行無地效懸停。不過,由於它的螺鏇槳直徑小於同等重量直升機的鏇翼、排氣速度較大、槳盤載荷略高於一般直升機,因此垂直起飛和懸停時的效率亦稍遜於直升機。但它的常規飛行性能卻是直升機無法匹敵的。該機在直升機狀態的最大垂直起飛重量為23980千克,最大前飛速度396千米,小時;在固定翼飛機狀態的最大短距起飛重量為27442千克;實用升限約8000米,試飛速度曾達到647千米/小時,垂直起飛的航程為2224千米,短距起飛的最大轉場航程接近3900千米。與普通的直升機相較,這無疑是一個巨大的飛躍。
為了提高垂直起降的效率,為V-22配備的螺鏇槳的直徑較長(即槳盤面比普通螺鏇槳要大),這樣可以減小排氣速度。雖然在垂直起飛和懸停狀態,它的耗油率仍比普通直升機高一些,但遠低於採用發動機噴口轉向的“鷂”式飛機。與“鷂”式、“雅克-38”等噴氣式垂直起降攻擊機和“米-8”、AH-64等型直升機相比,V-22“魚鷹”的最大飛行速度、懸停和垂直起飛時的經濟效率居中,但航程最遠、巡航經濟性最好、運輸效率最高。
上述特點使V-22具備了承擔某些特殊使命的能力。它的主要的軍事用途有:從大型艦船上向陸地戰場快速投送兵員和物資、潛入敵方縱深進行戰鬥搜尋和救援、以垂直機降方式遠距離運送突擊隊、執行特種作戰任務和後勤支援任務等等。以V一22“魚鷹”式飛機為平台,還可以派生出具備懸停和垂直,短距起降能力的偵察機、反潛機、預警機、海上巡邏機、空中繼通信飛機、電子對抗飛機等特殊用途的機種、機型。三軍通用的垂直起降固定翼飛機的出現,將對未來的空地作戰方式和軍事思想的演變產生影響。
V-22存在嚴重缺陷
V-22“魚鷹”想要保證位於翼尖的大功率、大負荷的發動機和螺鏇槳同步轉動,而且轉速、槳矩等工作參數基本一致(或按要求進行調整),在操縱與控制上是相當困難的,存在著一些直升機和固定翼飛機很少遇到的矛盾。為了克服這些“品質”上的缺陷,“魚鷹”不得不採取許多複雜的、非常規的技術措施,從而使全機的重量、性能和生產成本都受到影響。傾轉發動機(傾轉鏇翼)飛機的主要問題,集中在起降和過渡飛行階段。
起飛降落階段
由於v-22槳盤面的直徑較大,發動機艙轉至水平位置時,槳葉一鏇轉就會觸地。因此它不能像普通飛機那樣採用常規滑跑方式起飛。該機離陸前,發動機艙和螺鏇槳只能舉至斜上方,以短距滑跑方式起飛;或將發動機艙偏轉向上,採用垂直升空的方式離地。這樣一來,“魚鷹”在起飛狀態下的經濟性就變得較差。
當v-22以直升機的方式起降時,由於螺鏇槳(鏇翼)位於機翼的翼尖上方,螺槳鏇翼系統產生的下沖氣流,有相當一部分會打在主翼的上表面。而為了保證發動機在轉動和固定於某一位置時,機翼有足夠的剛度和強度,它的主翼翼尖必須設計得很寬,從而增大了阻擋滑流向下運動的面積。在需要螺槳鏇翼產生較大動力升力的時候,V-22的布局設計不但要損失正升力,而且根據作用力與反作用力原理,還得付出一定的負升力的代價,這是很不合算的。其垂直起飛時的效率,又要比普通的直升機降低許多。
損失動力升力還不是問題的全部。更糟糕的是,當螺槳鏇翼向下排氣時,部分滑流受到機翼的阻擋,將不可避免地在主翼面上形成渦環;而向上激起的渦環,會對螺槳鏇翼的正常工作產生干擾。儘管v-22的螺槳鏇翼是對轉的,但並不能保證附著在左右翼面上的渦環也一定對稱,因為受到外界環境條件的影響,渦環本身的運動並不很穩定。尤其是當飛機處於下降狀態、接近地面時,機翼上已有的渦環與螺鏇槳滑流拍擊地面而新產生的渦環相互誘導,有可能產生出意想不到的非平衡現象。此時,飛行員的操縱稍有差池或反應不及,很容易造成失控。
渡飛行階段
v-22由起飛狀態過渡到平飛狀態時,飛行速度較低、自身的操穩特性差、姿態控制複雜,發動機艙無論是從垂直位置轉至水平位置還是由斜上方位置回到平飛位置,都存在著一定的風險。一旦有一台發動機停車,或兩台發動機工作不同步、發動機艙轉動的角度不一樣,便會發生事故,甚至機毀人亡。反之,在由平飛轉至著陸的過渡階段,危險也同樣存在。從“魚鷹”的幾起墜機情況看,飛行事故幾乎都發生在起降過程(尤其是著陸狀態)。
“魚鷹”採用了不少特殊的技術手段來保證飛行安全。例如:在發動機上配備有電子模擬輔助控制功能的數字式全許可權控制系統;左右發動機的螺鏇槳減速器通過傳動軸聯結在一起,以便在一台發動機突然停車時,另一台發動機可保證左右螺鏇槳都工作,以維持平衡;在機身內安裝一套在啟動時驅動橫軸的輔助動力裝置等等。橫軸的作用之一,是在單發停車後仍可使兩副螺鏇槳轉動,並提供相應的補充動力。在正常起飛狀態,它的轉動功率為5114馬力;當一台發動機停車時,其應急輸出功率可增至6004馬力,相當於一台T406-AD-400型渦輪軸發動機的最大輸出功率。
但這些技術措施的採用,使得飛機的系統變得複雜、結構重量相應增大,生產成本自然也就水漲船高了。例如,美國軍方希望這種三軍通用飛行器的生產成本能夠控制在3230萬美元左右;然而目前空軍CV-22/小批量生產型的單價已升至7440萬美元,海軍MV-22試生產型的造價則高達9440萬美元。另據外刊報導,從上個世紀50年代的XV-3、70年代的XV-15到80年代開始研製的v-22,貝爾直升機公司、波音直升機公司和美國軍方已累計為這種特殊的飛行器投入了1600億美元的巨額研製費,可能創下了世界軍火史上單一項目耗資最高的紀錄——但至今仍有許多問題沒有完全解決,還需繼續攻關。
V-22應該如何評價
綜上所述,可以用幾句話來概括V一22“魚鷹”直升飛機的特點:原理可行,性能優異,兼具直升機與固定翼飛機的長處;但技術複雜,操控不易,司靠性較差,生產威本偏高。
50多年來,這種曾獲得過美國國家航空協會頒發的“取得航空重大進步獎”的飛行器一直在探索中發展,至今也不能說已臻完善。航空技術的發展無疑需要創新,V-22就是技術進步的產物。但對“創新”也要一分為二,“新”不一定就代表效益最好、性價比最佳。新技術是一把“雙刃劍”,一般會使產品性能有所提升,但也可能帶來新的矛盾。許多人以為,高技術一定是複雜、昂貴的東西,那可不一定。航空高技術是指使用在飛行器上的高級技術,但並不等同於高價技術;真正的高技術應該是高明的技術、高效的技術。
歷史上不乏正反兩方面的例子。上個世紀五六十年代發明的邊條翼、翼尖小翼、近距耦合鴨式氣動布局等先進氣動力技術,可以明顯改善飛機的機動性或巡航經濟性,且結構簡單、製造成本低,至今仍得到廣泛套用。與之形成鮮明對照的是,20世紀60年代曾一度“熱銷”的變後掠翼技術。這項新技術通過改變機翼的後掠角使飛機適應低速和高速飛行,並提高巡航升阻比、縮短起降滑跑距離,理論上講是很有發展前途的。但實踐證明,變後掠翼存在著結構、系統和操縱複雜,重量和翼載荷較大,造價較高等問題,並不適合於噸位較小的飛機,因此不被新一代戰鬥機所考慮。
傾轉鏇翼技術所面臨的境況與後掠翼技術差不太多:在單項性能上有所突破,在技術水平上出類拔萃;但其本身的缺陷也很多,解決起來困難重重,造成研製費用上升、開發周期延長、性價比降低。技術既有先進與落後、高價與低價之分,也有複雜和簡單、高效和低效之分。簡單可與低價相對應,但先進卻不能與複雜劃等號。以最簡單的措施解決最複雜的問題、得到最大的好處,才是最優的技術、最佳的方案。顯然,簡單、實用、高效的技術,要比複雜、昂貴的技術更值得發展和套用。v-22“魚鷹”直升飛機所採用的傾轉鏇翼(傾轉發動機)技術,到底屬於哪一種呢?讀者不妨自己去分析、判斷。

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