V-22鱼鹰式倾转旋翼机(英语:V-22 Osprey)是由美国贝尔公司和波音公司联合设计制造的一款倾转旋翼机,也是一款中型运输机。倾转旋翼机具备直升机的能垂直升降能力及固定翼螺旋桨飞机较高速、航程较远及耗油量较低的优点。V-22设计基于贝尔负责的实验机XV-15,早于80年代开始研发,于2007年开始在美国海军陆战队服役,取代CH-46 Sea Knight作拯救及作战任务,2009年,美国空军也开始配备。

直升机的革命之作:V-22鱼鹰式倾转旋翼机

V-22鱼鹰式倾转旋翼机是在类似固定翼飞机机翼的两翼尖处,各装一套可在水平位置与垂直位置之间转动的旋翼倾转系统组件,当飞机垂直起飞和着陆时,旋翼轴垂直于地面,呈横列式直升机飞行状态,并可在空中悬停、前后飞行和侧飞;在倾转旋翼机起飞达到一定速度后,旋翼轴可向前倾转90°角,呈水平状态,旋翼当作拉力螺旋桨使用,此时倾转旋翼机能像固定翼飞机那样以较高的速度作远程飞行。倾转旋翼机是一种性能独特的旋翼飞行器。它既具有普通直升机垂直起降和空中悬停的能力,又具有涡轮螺旋桨飞机的高速巡航飞行的能力。倾转旋翼机采用了新的思维方法来设计直升机的旋翼和总体布局,设计思想已突破了传统直升机的范畴,属于新原理旋翼构型,是直升机技术突破性、跨越性的发展、是直升机行业带有革命性的一项高技术,也是直升机技术发展的必然结果,MV-22的问世已使美国海军陆战队重新定义两栖作战的法则。倾转旋翼机是90年代直升机界最瞩目的飞行器,并将成为21世纪美国海军的主要装备。1991年,“鱼鹰”倾转旋翼机曾获得美国国家航空协会颁发的“重大航空进步奖”,同时由于倾转旋翼机重大事故频繁、研制费用高、技术复杂且难度大、研制周期长,也引起人们极大的争议。尽管如此,由于倾转旋翼机集直升机能垂直起降和涡轮螺旋桨飞机能高速飞行的优点于一身,世界各国竞相在这方面加强研究。倾转旋翼机融合了直升机与固定翼飞机的优点,是一种军民两用的高技术产品,因此,在未来高技术战争和国民经济建设中必将发挥巨大的作用,在军民领域的用途非常广泛。

直升机的革命之作:V-22鱼鹰式倾转旋翼机

据美国军方称,“鱼鹰”倾转旋翼机可满足32种军事任务的需求,并能赋予战场指挥官更多的选择和更大的灵活性。它出动时所需的支援较少,且不需要机场和跑道,加之维修简单,生存力强,因而特别适用于进行特种作战和缉毒行动,可大大提高军队布防、缉毒、救援、拯救人质等行动的速度。美国前国防部长科恩指出,“鱼鹰”将会改变人们的行动方式,适应21世纪美军的多方需要,大大缩短军事打击、解救人质、灾难救援、人道主义援助和维护和平的反应时间。倾转旋翼机能完成直升机所能完成的一切任务,由于其速度快、航程远、有效载荷较大等优点,因此它特别适合执行兵员/装备突击运输、战斗搜索和救援、特种作战、后勤支援、医疗后撤、反潜等方面的任务。除此之外,在民用运输方面,由于常规直升机经济性差、速度较小、振动大,因而作为一种运输工具受到了很大限制。而倾转旋翼机的飞行速度与支线客机相近,可在没有机场的任何地区执行运输任务,特别适用于经济不发达地区的开发和建设,可以局部替代支线客机成为现代化空中运输网的一个航母上的V-22重要组成部分,在商业上具有极高的价值,它不仅解决部分空港和跑道拥挤问题及边远地区的运输问题,而且其运输成本要比常规直升机和固定翼飞机低得多。

直升机的革命之作:V-22鱼鹰式倾转旋翼机

——*(倾转旋翼机与常规直升机相比,归纳起来有以下几个性能优点):[一]速度快;直升机因受到旋翼前行桨叶激波失速和后行桨叶气流分离的限制,当直升机飞行速度为:360千米/小时(即100米/秒)时,则旋翼前行桨叶处于90°处的桨尖相对气流速度达300米/秒(旋翼旋转时桨尖处的切线速度一般为200米/秒),接近声速340.2米/秒,再增加速度就很容易产生激波失速了,而此时后行桨叶在270°处相对气流的速度为100米/秒,桨根部分会出现气流从桨叶后缘流向前缘的反流区,从而使桨叶产生的升力减少,为使升力保持与前行桨叶相同,需要增加后行桨叶的桨距,但桨距过大会出现气流分离现象。因此常规直升机最大速度超过360千米/小时、巡航速度超过300千米/小时的不多,而V-22倾转旋翼机的巡航速度为509千米/小时,最大速度可达650千米/小时。[二]噪声小;倾转旋翼机因巡航时一般以固定翼飞机的方式飞行,因此噪声比直升机小得多,并且在150米高度悬停时,其噪声只有80分贝,仅相当于30米外卡车发出的噪声。[三]航程远;如V-22的航程大于1850千米,若再加满两个转场油箱,航程可达3890千米。如果进行空中加油,该机具有从美国本土直飞欧洲的能力,而直升机的航程很少超过1000千米。[四]载重量;大美国研制的倾转旋翼机V-22悬停重量已达21800千克。贝尔直升机公司计划研制的下一代四旋翼倾转旋翼机(V-44)可装载80~100名士兵或10~20吨货物。[五]耗油率低;倾转旋翼机在巡航飞行时,因机翼可产生升力,旋翼转速较低,基本上相当于两副螺旋桨,所以耗油率比直升机低。[六]运输成本低:综合考虑倾转旋翼机耗油量少、速度快、航程远、载重大等优点,其运输的成本仅为直升机的1/2。[七]振动小;由于一般倾转旋翼机的旋翼布局在远离机身的机翼尖端,并且旋翼直径较小,因此其座舱的振动水平比一般的直升机低得多。

——*(虽然倾转旋翼机与一般直升机相比有许多优点,但也有不少缺点,主要表现在如下几个方面):[一]技术难度高;倾转旋翼机因既有旋翼又有机翼,并且要实现旋翼从垂直位置向水平位置或水平位置向垂直位置倾转,因此在旋翼倾转过程中气动特性的确定;[二]旋翼/机翼、旋翼/旋翼、旋翼/机体之间的气动干扰问题;[三]结构设计;旋翼在倾转过程中的动力学分析、旋翼/机翼耦合动载荷和稳定性问题;[四]操纵控制技术及操纵系统动力学设计等方面都遇到了许多技术难题。

直升机的革命之作:V-22鱼鹰式倾转旋翼机

2001年,美国航空航天局(NASA)在对MV-22“鱼鹰”进行的一项独立评估中发现,还有未知的航空力学现象会威胁该机的安全,并阻碍该机的开发和部署。因此,它建议恢复该项目,这样许多问题可以通过测试来发现和解决。可见,倾转旋翼机技术还远谈不上已成熟,还有许多技术有待进一步研究和验证。研制周期长从40年代起,美国贝尔直升机公司就开始进行倾转旋翼机的研究,已经过50多年的技术发展,其技术仍不是很成熟。“鱼鹰”倾转旋翼机仍存在诸多问题,并没有真正形成战斗力和投放民用市场。倾转旋翼机的技术研究和型号研制的周期都相当长。研制费用高、单机成本高由于倾转旋翼机是一项高新技术产品,其技术复杂、难度高,因此要验证各项技术需要很高的费用,造成研制费用和单机成本都高得惊人。像美国的“鱼鹰”倾转旋翼机的研制费用达380亿美元,其海军型MV-22的单价达4400万美元。旋翼效率低与直升机旋翼相比,螺旋桨旋翼的扭转角比较大,这对于确保桨叶根部能够在前飞状态下产生较大的拉力是十分有必要的。但在悬停状态时,采用大扭转角设计螺旋桨旋翼,其工作效率会大大降低,这就意味着由发动机输送过来的可用功率有很大一部分都被损耗了。气动特性复杂在直升机前飞速度很低且下降速度较大时,它就会陷入到自身的下洗气流当中,此时极易导致涡环状态的发生。在涡环状态下,空气会绕着旋翼桨叶的叶尖呈环形流动,形成了类似于炸面包圈的涡流。涡流内部的空气压力下降,这就导致旋翼会损失一部分升力。如果此时飞行员试图通过加大油门、增大桨叶工作迎角的方法来弥补因涡流而损失的那部分升力,那么涡环运动将会加速,导致旋翼损失更多的升力,情况就变得更加糟糕。由于MV-22飞机的机体重量大,导致由发动机输出的可用于机动飞行的剩余功率减少。另外,MV-22飞机上的两副螺旋桨旋翼采用的是较为独特的横列式布置方式,一旦在飞行过程中出现一侧旋翼进入涡环状态,而另一侧则正常工作的情况,就会导致左右两侧的升力失衡,飞机就会向着受到涡环影响的一侧旋翼方向滚转。可靠性及安全性低可靠性的高低直接影响着安全性的好坏。迄今为止,两架V-22飞机的坠毁事故都可能是源于发动机舱内液压系统的泄漏。机上液压系统,尤其是发动机舱内与飞行控制系统相关部分的可靠性低的问题,对V-22飞机的安全飞行构成了极大威胁。可靠性和维修性之所以不甚理想,除了与维护人员的技术水平、熟练程度等因素相关之外,更重要的还源自于飞机设计上的欠缺。就在2000年发生两起坠机事故之后,事故调查人员就已经充分地认识到了这一问题的严重性,要求贝尔和波音公司对发动机舱进行重新设计。

直升机的革命之作:V-22鱼鹰式倾转旋翼机

——*(研发历程):

[早期]:倾转旋翼机的发展经历了漫长曲折的发展过程,在过去半个多世纪中,共开发研究过XV-3、X-22A、XC-124A、CL-84、“伏托尔”76等43 种不同的型号,但多数以失败而告终。只有美国贝尔直升机公司成功地研制出了XV-3,XV-15,并在XV-15的基础上成功地研制出军用型“鱼鹰”及民用型BA609倾转旋翼机。经过漫长的探索研究之后,倾转旋翼机终于真正地投入了实际应用。早在20世纪40年代末期,美国贝尔直升机公司就开始了对倾转旋翼机技术进行研究。1951年,贝尔直升机公司在军方的支持下开始研制 XV-3倾转旋翼机。1955年8月第一架XV-3倾转旋翼试验机以直升机模式进行了首次垂直起降飞行试验。通过风洞试验发现,XV-3旋翼系统存在气动弹性不稳定的问题,为了解决这一问题,技术人员将XV-3的3片桨叶铰接式旋翼系统改为2片桨叶半刚性旋翼系统。1958年12月12日,XV-3第二架原型机在美国爱得华空军基地试飞。同月18日,该机成功地完成了两副旋翼倾转90°的飞行试验,整个倾转过程只需10秒钟。这标志着倾转旋翼机技术取得了重大的进展。在飞行试验中,该机以固定翼飞机的模式飞行的最大速度为213千米/小时。小角度俯冲速度为287千米/小时。由于XV-3没有完全解决好气动弹性不稳定性的技术问题,该机的性能受到了很大的限制。1965年第二架原型机在风洞实试中,旋翼与机身脱离,从而结束了XV-3的历史使命。XV-3倾转旋翼机的飞行试验成功,证明了倾转旋翼机具有强大的生命力,同时也引起了美国航空航天局和军方的高度关注,为倾转旋翼机的发展打下了良好的基础。开创了倾转旋翼机这一新型飞行器发展的新局面。1972年,美国航空航天局和陆军开展了一项全新的、以涡轮轴发动机驱动的倾转旋翼机计划。贝尔直升机公司于1973年获得研制合同,并将原型机取名为XV-15。1977年5月,贝尔直升机公司生产的第一架原型机完成首次悬停试验。该原型机经过3小时的飞行后,转入风洞试验,以遥控的方式试验原型机不同飞行模式的情况和寻找动力不平衡的原因。第二架原型机于1979年4月23日进行首次悬停试验,同年7月24日完成了旋翼的倾转试验。试验中,XV-15原型机在短距起落时的最大起飞重量为6804千克,以飞机模式飞行时的水平飞行速度达到555千米/小时,最大俯冲速度达到639千米/小时。XV-15原型机还能以74千米/小时的速度后退飞行。

[研发]:基于XV-15的出色表现,美国政府于1981年年底提出了“多军种先进垂直起落飞机”(JVX)计划,要求在XV-15的基础上研制三军共用的倾转旋翼机。1982年这项计划由美国陆军负责,1983年1月后该计划转交给了美国海军。1981年,第一架XV-15原型机代表贝尔直升机公司和美国陆军在巴黎航展上展出,它在连续11天的飞行表演中,给参观者尤其是直升机同行们留下了深刻的印象。XV-l5倾转旋翼机在此次航展上卓越的、具有创造性的表演,促使后来的V-22“鱼鹰”倾转旋翼机计划的诞生。XV-15的 2架原型机一直进行着飞行试验,直至1992年第一架原型机失事。第二架原型机于1994年由美国国家航空航天局返还给贝尔直升机公司,用作民用倾转旋翼机的试验机,并进行有关声学的试验。V一22“鱼鹰”飞机是由美国贝尔直升机公司和波音直升机公司共同研制的,其是按照美国空、海、陆军及海军陆战队4个军种的作战使用要求而设计的。1973年,贝尔直升机公司就开始了这种倾转旋翼飞机的研究,XV-15倾转旋翼研究机便是V一22“鱼鹰”飞机的雏形。1983年美国国防部批准了贝尔直升机公司和波音直升机公司的设计方案。1986年5月与两公司签订了耗资37.14亿美元的研制合同。V一22飞机将制造10架原型机:6架用于飞行试验:4架用于地面试验。用于飞行试验的6架原型机,除l架已V一22飞机的基本设计布局与贝尔直升机公司1973年开始研制的XV-15(贝尔301)倾转旋翼研究机一样,发动机和旋翼/螺旋桨安装在翼尖处,方向可调,飞机垂直起飞到高速巡航时,可倾转90度。V一22飞机由于在机翼翼尖处安装可倾转的发动机和直径达11.57米的旋翼,可像直升机那样垂直起飞着陆并悬停。发动机直立时,飞机垂直起飞着陆;发动机转到水平方向时,飞机则如同固定翼的涡轮螺旋桨飞机那样,可高速巡航飞行。1983年4月26日,贝尔/波音直升机公司与美国海军航空系统司令部签订了一项为期24个月的合同,对V-22进行初步设计。 1985年1月正式将这种旋翼机命名为V-22“鱼鹰”。1986年5月2日,美国海军航空系统司令部又与贝尔和波音直升机公司签订了合同。这个合同是 V-22旋翼机为期7年的全尺寸研制(FSD)总合同的第一期合同。合同要求制造6架试飞原型机,以及用于静力试验、地面试验和疲劳试验的机体。1989 年3月19日完成首次试飞,同年9月14日完成首次由直升机状态向定翼机状态过渡的飞行转换。1990年4月美国政府开始对“鱼鹰”进行试验,其中包括三军试飞员15个小时的飞行试验。1990年12月4~7日,在美海军“大黄蜂”号航空母舰上进行了海上试飞,其中包括3号机的起飞和着舰试飞,以及4号机的设备和功能试飞。到1990年底已完成起飞着陆转换试飞、机翼失速试飞、单发试飞以及飞行速度高达647千米/小时的试飞。同年获得美国国家航空协会颁发的“航空重大进步奖”。1992年7月在V-22总计飞行643个起落763小时后,由于4号机在试飞中发动机舱起火后坠毁而造成临时停飞。1993 年,2号和3号机又重新试飞,并且改进了防火墙、发动机舱、放泄口及驱动轴的防热层。

[测试]:1997年5月7日,首架MV-22B开始生产,1999年5月开始交付14架给海军陆战队试用。2000年美国海军陆战队对MV-22“鱼鹰”倾转旋翼机进行了一系列的测试。美国海军陆战队自从1999年11月开始对海军型MV- 22进行使用鉴定计划以来,独立测试小组对MV-22进行了广泛的测试,测试地点包括舰船、机场、野外地点、受限区域以及测试站。对MV-22进行了包括部署、着陆和舰上作业、两栖攻击、掠海飞行、夜间飞行、低空飞行、吊挂飞行、与C-130加油机进行空中加油、人员和货物的空中运输、登陆、从舰船起飞着陆等一系列测试,用以评估MV-22的作战能力。但在经过8个多月522架次、804个飞行小时的使用鉴定试验之后,发现MV-22的桨叶折叠系统有缺陷,而该系统是MV-22舰载所不可缺少的,并且发现该机的可靠性、维护性、可用性和互用性仍然存在不少问题。测试结果表明MV-22倾转翼机暂时不符合使用要求。据测试报告称,MV-22达到了重大故障时间间隔的要求,但是该机只满足平均故障间隔时间(MTBF)要求的一半。为了实现MTBF的要求,海军陆战队已发现该机有149处需要修改,并随后进行了改进。经过测试表明,MV-22能满足甚至超过其他重要的性能指标,其中巡航速度达到了 478千米/小时,比要求的高33千米/小时;海上部队运输半径几乎比要求的增加了一倍,并可携带770千克的外挂。值得指出的是,该机可在8小时内实现 3890千米外的部署,比要求的12小时大大缩短。

直升机的革命之作:V-22鱼鹰式倾转旋翼机

[后续]:2000年,在美国倾转旋翼机MV-22“鱼鹰”发生两次重大事故后,停止了其所有的飞行试验计划。造成这两起灾难的原因有液压系统故障、机电问题和飞行控制软件缺陷。在海军、海军陆战队、国防部和工业部门协商拟订一项计划、并通过改进一系列硬件和软件以及提高MV-22安全性和性能后,于2002年5月29日恢复了该机的飞行试验。在此次试飞中,MV-22完成了20次起降,并且在空中连续多次进行了从直升机模式转换到飞机模式的飞行。在整个测试过程中,直升机没有出现异常情况。与以往的机型相比,这架MV-22在液压系统设计上作了很大的改动,动力系统上也作了相应的调整。MV- 22经过一系列飞行测试后,于2004年年底重新进行评估。2002年9月11日,空军特种作战型CV-22在爱德华兹空军基地也恢复了试飞。另外,2002年9月,美海军陆战队已要求波音公司和贝尔直升机公司就增加V-22倾转旋翼机桨叶升力和推力的技术途径进行竞争。V-22计划官员正在评审提高桨叶15%~20%性能的可能性。计划在2005财年进行新桨叶技术的原型机飞行验证并做出决定,2006财年将决定是否继续进行设计。2005年10月,MV-22“鱼鹰”项目被批准进入全速生产阶段,将于2007年形成初始战斗力。美国海军陆战队于2000年开始,训练V-22的飞行员,并在2007年派出,将用于补充且最后将取代CH-46海上骑士。美国空军在2009年开始引进V-22。自进入美国海军陆战队和美国空军,V-22已被部署在伊拉克,阿富汗和利比亚用于战斗及救援行动。2011年2月18日,海军陆战队指挥官James Amos表示, 美国海军陆战队部署到阿富汗的MV-22飞行超过10万小时,并指出MV-22已成为最安全或接近最安全的飞机。MV-22在过去十年每飞行小时的事故发生率大约只有美国海军陆战队飞行机队平均事故发生率的一半。V-22已成为海军陆战队中事故发生率最低的旋翼机。

直升机的革命之作:V-22鱼鹰式倾转旋翼机

[基本信息]:

乘员: 2 人

载客量: 24 人(座位),32 人(最大载员)或15,000 磅物资

长度: 57 尺 4 寸(17.5 米)

旋翼直径: 38 尺 0 寸(11.6 米)

翼展: 46 尺(14 米); 84 尺 7 寸(连旋转翼))

高度: 22 尺 1 寸(旋转翼垂直)(17 尺 11 寸/5.5 米)

旋翼面积: 2,268 平方尺(212 平方米)

翼面积: 301.4 平方尺(28 平方米)

空重: 33,140 磅(15,032 公斤)

载重: 47,500 磅(21,500 公斤)

最大起飞重量: 60,500 磅(27,400 公斤)

发动机: 2×劳斯莱斯T406 (AE 1107C-Liberty)涡轮轴发动机,每个 6,150 匹(4,590 千瓦)

[性能数据]:

最高速度: 275 节 (316 英里/小时,509 公里/小时)

巡航速度: 214 节(246 英里/小时,396 公里/小时)(水面)

战斗半径: 370 nmi(430 mi, 690 公里)

转场距离: 2,417 nm(2,781 mi, 4,476 公里)

航程: 879 nmi(1,011 mi, 1,627 公里)

实用升限: 26,000 尺(7,925 米)

爬升率: 2,320 尺/分(11.8 米/秒)

旋翼负荷: 20.9 磅/平方尺 @ 47,500 磅 GW(102.23 公斤/平方米)

推重比: 0.259 匹/磅(427 W/公斤)