主题：【原创】像鸟儿一样腾飞（一） -- 晨枫

倾转旋翼是倾转动力方案中最容易想到的，倾转螺旋桨可以算倾转旋翼的一个分支，但倾转旋翼在直升机状态时，机翼对旋翼的下洗气流的遮挡较大，而直升机状态是最需要把所有的推力全部发挥出来的时候。另外，由于旋翼和机翼的相对位置和角度的变化，旋翼-机翼的气动相互作用十分复杂，在至关重要的直升机-固定翼状态转换期间尤其如此。既然如此，何不换一个思路，将发动机固定安装在机翼上，而让机翼倾转呢？倾转机翼（tilt wing）的好处是较好地解决了下洗气流的遮挡问题和发动机-机翼的相互作用问题。但是世上没有免费的午餐。倾转机翼要倾转整个机翼，由于机翼是飞机产生升力的所在，而机体是承重的所在，机翼和机体连接部是飞机上最吃重的部位，现在这个最吃重的部位把所有应力全部集中到一个控制机翼倾转的铰链上，要保证最大的可靠性，机械设计上的难度可想而知。和倾转旋翼一样，理论上倾转机翼可以通过前后倾转机翼来实现俯仰控制，控制左右发动机的推力来实现横滚控制，用下洗气流作用在襟翼上来实现偏航控制，但倾转机翼太不灵敏，所以有时在机尾增加一个水平风扇，专门用于俯仰控制。这个水平风扇只在垂直起落和悬停状态时打开，在平飞状态时折起以减小阻力，在地面也折起，不妨碍使用尾门装卸人员和货物。由于在直升机状态下必须保证所有旋翼/螺旋桨的绝对同步，所有旋翼/螺旋桨之间必须用同步轴连接，但是机翼不是绝对刚性的，在气动力的作用下，总是有一定的挥舞，这样一来，机翼内的同步轴非常容易受到损坏，这是倾转机翼和倾转旋翼共有的一个问题。

Vertol 76（也称VZ-2）是倾转机翼的早期尝试之一

由于整个机翼可以倾转，VZ-2的平飞和普通固定翼飞机无异

但在机翼竖起来时，发动机推力向下，产生直接升力，而且机翼对发动机的下洗气流的遮挡很小

早期直升机界很活跃的Hiller也推出了X-18研究机，图中为地面演示机翼的倾转

除了倾转机翼的机构外，倾转机翼的机械结构相对简单，发动机刚性固定在机翼上，发动机气流和机翼的设计也相对简单

不知道是不是处于习惯的原因，直升机出身的公司大多走倾转旋翼的路子，固定翼出身的公司大多走倾转机翼的路子。50年代初，美国军方资助了很多垂直起落的研究项目，但基本上都是概念研究，离实战使用相差很远。59年军方根据一个咨询委员会的建议，启动一项旨在实用化的垂直起落飞机计划，特别要检验新飞机在实战条件下的，而且要适合三军（海军陆战队在50年代没有独立的采购计划，由海军代办）的需要，所以产生了三军联合的XC-142计划，LTV的Vought分布得标，Hiller和Ryan作为主要次级承包商，计划由空军主持。XC-142可以装载32名士兵，比30年后的V-22还多40%，四台发动机和5个螺旋桨（4个推进螺旋桨加一个机尾的姿态控制螺旋桨）全部交联，所以只有还有一台发动机在工作，5个螺旋桨都会转动，尽管可能动力不足。空军对XC-142作了大量的测试，包括空运、空投、沙漠、山地、航母、搜索救援、装载机动车辆等。XC-142最后还是坏在机械复杂性上，可靠性不够，而且机翼在35-80度倾转范围里，机翼像门板一样，受横风影响太大，发动机差动推力的控制不够灵敏。最大的抱怨是机翼倾转过程中，差动的辅翼有横滚控制变为偏航控制，而差动的发动机推力由偏航控制变为横滚控制，这不光是一个操作习惯的改变，还在机翼倾转的过程中，横滚控制和偏航控制交联，要求飞行员作大量复杂的补偿动作，工作量太大，而且机舱内噪音和振动太大，估计和在接近垂直状态而低速前进时，刚性的螺旋桨对非对称升力不作补偿，振动全传到机舱里了。XC-142在67年下马了。

早期倾转机翼发展得最远的还要数Vought Hiller Ryan三家合作的XC-142，美国军方对XC-142也寄予深望，空军、陆军和海军联合研制，这是XC-142之后又一个Tri-Service项目

XC-142起飞到平飞的过程

倾转机翼在垂直起飞和悬停时，竖起的巨大机翼形成“门板”效应，容易受低空阵风影响

作短距起飞时，机翼并不倾转到垂直，有趣的是，平尾也同步倾转，充分利用发动机下洗气流在地面造成的反弹，增强地面效应

XC-142在航母Bennington号上着舰试验

如果有合适的跑道，当然也可以正常滑跑起飞

加拿大Bombardier CL-84在试飞中

60年代德国航空工业专注于垂直/短距起落飞机，MBB的Bo-140是其中一个夭折的方案，其倾转机翼可以清楚地看见，MBB的全称为Messerschmitt Bolkow Blohm，包括前Messerschmitt和Bolkow的人马，Ludwig Bolkow是第一架实战的喷气式战斗机Me-262的总设计师

Bo-140还打算作为战术运输机，取代C-160“协同”

同时期的还有VFW VC-400，VFW的全称为Vereinigte Flugtechnische Werke，包括前Heinkel和Focke-Wulf的人马

倾转机翼的机械相当复杂，可靠性成问题。早期的X-18和XC-142用螺杆千斤顶控制机翼的倾转，动作平稳但是迟缓。经过30年的冬眠，倾转机翼近来有复苏的迹象。美国空军在寻找C-130的替代的过程中，从AMST开始，已经放弃了垂直起落的要求，现在只要求短剧起落。波音将倾转机翼的概念用于“先进战区运输机”（Advanced Theater Transport）计划的招标，利用倾转机翼和地面效应相结合产生的增升效果，来达到短剧起落。

倾转机翼经过30年的冬眠，现在又重新得到重视，这是波音的147型倾转机翼公务飞机

波音的雄心当然不止于小型公务飞机，波音投标美军“先进战区运输机”（Advanced Theater Transport，简称ATT）的方案就是倾转机翼

ATT只要求短距起落，而不强调垂直起落，不过波音的ATT形状怪异，被戏称为“超级大青蛙”（Super Frog）

要是没有心理准备，冷不防看见空中飞来这么一个怪东西，地面的敌人怕是惊得目瞪口呆，放枪也忘记了

洛克希德的ATT方案就要常规多了，虽然为隐身修形的机翼和V形尾比较新颖

洛克希德的另一个ATT方案就简直是F-22的运输机版了

意大利Agusta推出的ERICA计划不仅仅是又一个倾转旋翼的方案

ERICA的机翼外翼段倾转，使其介于倾转旋翼和倾转机翼之间，不过现在ERICA已经和Eurotilt合并了

贝尔在V-22的成功之后，向两条战线出击，一是将倾转旋翼技术用于无人机，以最大限度地利用其垂直起落和速度、航程上的优势，二是将倾转旋翼技术推向民航市场。早先雄心勃勃的中短程支线客机看来一时还难以实现，但小型公务机已经开始了，贝尔和意大利的Agusta合作，正在研制BA-609，其垂直起落的能力和速度、航程将对大公司、政府机构的要员从城市中心到城市中心的空中旅行有很大的诱惑力。欧洲从80-90年代开始，也展开了倾转旋翼的研究。法、德合作的Eurotilt和英、意合作的Eurofar最后合并成一个计划，但在V-22和BA-609面临一系列技术困难后，速度放慢，估计现在处于观望状态，在等待倾转旋翼的技术进一步成熟、技术风险进一步降低后再行动。

BA-609的BA代表Bell Agusta，将成为倾转旋翼在民用领域里“吃螃蟹的人”

BA-609是面对有钱的阔佬的

BA-609在警方和海岸警卫队中也有望得到青睐

BA-609已经试飞，正在欧洲大力推销，力图抢在欧洲公司的前面霸占市场

法国主导的Eurotilt倾转旋翼飞机方案

Eurotilt的倾转和V-22稍有不同，只有发动机前半部分倾转，介于tilt rotor和tilt shaft之间

贝尔当然不会把倾转旋翼的概念只用在载人飞机上，在如火如荼的无人机领域，贝尔也推出了采用倾转旋翼的“鹰眼”（Eagle Eye）

“鹰眼”预计要和海军或海岸警卫队的舰船配合行动，所以有很高的上舰要求

尽管V-22在研制过程中遇到严重的问题，美国军方对用具有垂直/短距起落能力的运输机作为战术空运主力的概念依然不肯放弃，在V-22尚未大规模服役时，已经开始对更大型垂直/短距起落运输机的研制，贝尔的方案自然是V-22的延伸：采用四旋翼的倾转旋翼方案，即所谓quad tilt rotor。值得注意的是，倾转旋翼的发动机通常都是成双布置的。除非在机顶重心处安装一根很高的桅杆，倾转旋翼基本不可能是单旋翼的。

贝尔提出的四旋翼倾转旋翼（Quad Tilt Rotor，简称QTR）方案，用于担当美军战场空运的主力

媒体为新飞机的名字都想好了：V-44，尽管军方并没有这样的命名

四旋翼尽管顺理成章，但平飞时前后旋翼之间相互之间的气动干扰可能会很严重，尤其是机动飞行的时候，后发动机也要避开前发动机的尾流

QTR可以用于在城市中心机降“重型部队”（相对空降兵来说）

QTR的结构想象图，传动轴不仅要左右同步，前后也要同步，复杂性和重量肯定要增加

QTR是和Groen Brothers的Gyrolifter竞争，当然也不会忘了海军型

四旋翼倾转旋翼运输机的另一个方案

NASA还在研究更大型的QTR，用于民航

螺旋桨可以看成小直径、宽弦、大弯度的刚性旋翼，除了桨距以外，没有挥舞铰、摆振铰之类的，只是螺旋桨一般比刚性旋翼的直径小一点就是了。不过直径小，对减小前飞阻力具有不可置疑的好处。只要能够满足垂直起落要求，用螺旋桨代替旋翼是倾转旋翼的一个自然的延伸，Curtis-Wright就是这方面的先驱。Curtiss-Wright是航空先驱Glenn Curtiss和Wright兄弟的公司合并的结果，50年代时已经落后于喷气时代，但在螺旋桨领域还是一方好汉。倾转的螺旋桨称为tilt prop。螺旋桨需要较高的转速才能产生足够的推力，这对小直径刚性的桨叶不成问题。不过Curtiss-Wright的研究机没有发展到V-22的阶段，估计快速下降时，会有更严重的“涡流环”问题。但是Curtiss-Wright的螺旋桨还有玄机在里面。普通螺旋桨是针对迎面气流的，如果把螺旋桨略微向上倾斜一点，下行的桨叶相对迎面气流的迎角增加，上行桨叶的迎角减小，这样下行桨叶产生向下的划动大于上行桨叶产生向上的划动，产生所谓“轴向升力”（radial lift），可以减小机翼面积，有螺旋桨产生部分升力。这里要注意的是，螺旋桨抬起来一点，倾泻的推理矢量本身就产生一点向下的升力分量，但轴向升力比这点升力分量要大很多。为了最大限度地实现轴向升力，螺旋桨的桨叶应该是宽弦、大弯度的。Curtiss-Wright先研制X-100研究机，特意设计了出奇地小的机翼，以证明轴向升力的概念。不过要是现垂直起落，还是要老老实实把发动机竖起来，推力朝下。在向军方游说假如下面还要提到的三军联合直升机计划后，空军同意投资，这以后Curtiss-Wright在已经部分完成的M-200试验机基础上，大规模展开四发动机的X-19的研制，采用四个角落的四台发动机的差动升力控制横滚和俯仰姿态，螺旋桨的差动扭力控制偏航。试飞中，控制反应不够灵敏，控制力矩不足，但机械可靠性是最大的问题，主齿轮箱的寿命只有50小时，发动机的倾转机构只有15小时的寿命。在50个起落的试飞中，留空时间一共只有4小时，计划在4个月后放弃了。

Curtiss Wright X-100是X-19的先驱，只有两台发动机，采用导至机尾的发动机废气喷管提供姿态控制，效果不好

Curtiss Wright X-19，预计用作小型公务机或短程客机，但飞行控制问题没法很好地解决

Curtiss Wright X-19在悬停中，前后左右的四台发动机用于悬停中的姿态控制。为了避免陀螺力矩，左前、右后和左后、右前的发动机交联

由于螺旋桨比直升机旋翼简单、可靠，平飞速度高，美国军方对X-19寄予很大的希望，空军、海军、陆军三军联合研制，这是“三军攻击运输机计划”（Tri-Service Assault Transport）的一部分

从复合直升机，到直升-旋翼机，到可锁定的旋翼-机翼，这是一条从直升机向固定翼飞机过渡的路径。与此对应，当然也有一条从固定翼飞机向直升机过渡的路径。如果能使固定翼飞机的推进装置改变方向，不就能实现垂直起落了吗？

贝尔的XV-3是采用倾转动力的固定翼飞机的先驱之一。XV-3的处在翼尖的发动机是固定的，但驱动旋翼的桨轴可以倾转，所以叫倾转轴（tile shaft）。平飞时，旋翼向螺旋桨飞机一样驱动飞机，垂直起落和悬停时，旋翼通过桨轴向上偏转90度。为了保持直升机状态的飞行控制，XV-3的旋翼是和直升机一样的柔性旋翼，具有全套的总距和周期距控制。XV-3的动力不足，无法在超出地面效应的高度悬停，作为直升机的功效有限，但XV-3证明了将直升机和固定翼飞机结合起来的可能性，为贝尔日后争取到XV-15乃至V-22的合同至关重要。

以固定翼状态飞行的贝尔的XV-3，发动机不转动，旋翼的驱动轴转动，所以称tilt shaft，日后成为V-22的重要先驱

以直升机状态飞行的XV-3

XV-3在悬停状态，由于功率不足，XV-3不能在超出地面效应以上的高度悬停

XV-3从直升机状态向固定翼飞机状态转换的过程

与贝尔XV-3竞争落选的Transcendental 1G，这是由从Piasecki分出来的一批人设计的

和贝尔XV-3的技术相似，Transcendental 1G也是采用倾转轴

Vertol（以CH-46、CH-47出名，后为波音收购）XV-21，同样是Tilt Shaft

贝尔对柔性桨叶的局限清楚得很，在70年代，以XV-3的研究结果为基础，和NASA和美国军方合作，研制了采用半刚性桨叶的XV-15。XV-15的发动机舱和旋翼一起倾转，所以成倾转旋翼（tilt rotor）。半刚性桨叶可算是贝尔的看家本领了，当年红透直升机世界半边天的UH-1，就是采用半刚性的双叶旋翼，桨叶和桨毂刚性连接，但桨毂和桨轴通过跷跷板轴承柔性连接，利用前行侧桨叶的自然升起和滞后，带动后行侧桨叶的自然降落和超前。很神妙的设计，可惜只能用于双叶旋翼。贝尔将跷跷板的原理推广到三叶（理论上也可以更多片桨叶），估计就是在万向接头外包覆一个刚性的整流罩，所有桨叶和整流罩刚性连接。

桨叶和桨毂的经典的分立铰链式连接，挥舞铰、摆振铰“五毒俱全”

紧凑一点的重合式铰链连接

双叶桨叶特有的跷跷板式连接，省却了挥舞铰和摆振铰，贝尔的经典之作UH-1和AH-1就是用这种结构

从跷跷板进一步发展而来的万向接头式连接，估计贝尔的半刚性旋翼就是在万向接头外包覆一个刚性的整流罩

贝尔的半刚性旋翼保留了直升机的总距和周期距控制，用于在悬停或直升机飞行状态时的飞行控制。贝尔还采用了宽弦、大弯度的桨叶，是桨叶最大限度地在前飞时接近常规螺旋桨的特性。XV-15引起了军方极大的兴趣，飞行试验远远超过简单的悬停、平飞和直升机-固定翼飞机之间的状态转换等概念证明型的试飞科目，而是进入了演习场、两栖登陆舰等接近实战的条件下的试验。美国军方对实验结果相当满意，这直接导致最终的四大军种联合研制的V-22“鱼鹰”项目。V-22是历史上第一架也是仅有的一架可以垂直/短距起落的量产型运输机，V-22故事的细节请看《吃鱼是如何被熊掌梗住的》。

贝尔XV-15在悬停中

XV-15在平飞中

为了尽可能减小迎风阻力，倾转旋翼的旋翼直径应该在不影响直升机状态下的性能的前提下尽可能减小。但较小的旋翼不可能不影响直升机状态的性能，最突出的就是所谓“涡流环”现象。直升机在快速下降过程中，要使旋翼进入自己的下洗气流，或下洗气流造成的涡流，旋翼和周围空气之间的相对气流方向和相对速度出现本质变化，可能出现“打滑”而失去升力，这时候越是增加旋翼功率，打滑越严重，这就是所谓的“涡流环”现象。常规直升机也会出现“涡流环”现象，但小直径的旋翼更容易进入这一状态。V-22在试飞中几次引人注目的坠机，大多出自这个原因。在悬停或直升机状态时，倾转旋翼在理论上可以通过控制左右发动机的推力来控制横滚，用旋翼的前后转动来控制俯仰，偏航比较难办，可以用旋翼下洗气流作用在机翼的襟翼上，辅以一定的横滚作用来实现。但事实上，增减发动机推力的灵敏度不够，反映不够快，控制量也不够精细。用机电控制倾转旋翼来实现俯仰控制，灵敏度问题更大，无法适应恶劣天气时的飞行要求。实用化的倾转旋翼的V-22（及其前身XV-15）都是采用直升机桨叶，即保留了全套直升机的总距和周期距控制，而不是只可以调节桨距的螺旋桨，所以直升机状态的V-22的操控和直升机无异。在以螺旋桨-旋翼为基础的垂直/短距起落飞机中，倾转旋翼是最成熟的方案。美国的V-22在饱经千难万险之后，终于开始量产。

直升机状态前飞中的V-22在空投伞兵

V-22的半刚性旋翼清晰可见

V-22的宽弦、大弯度、无铰、无轴承桨叶清晰可见

起飞、着陆时，襟翼放下，最大限度地减小对下洗气流的遮挡

V-22双机编队平飞

作为直升机，V-22可以外吊负载，这是固定翼运输机没有办法做到的绝技

V-22着舰试验，一侧旋翼在甲板上空、一侧旋翼在舷外时，两侧升力不均匀，容易造成事故。一架接一架紧接着快速降落时，前面飞机造成的空气涡流容易使后面的飞机进入危险的“涡流环”状态（vortex ring），造成旋翼吃不上劲，导致坠机

为了适合上舰的需要，V-22的旋翼可以折叠，机翼还可以横转90度，和机体平行，以节约占地空间

这是在两栖登陆建“塞班”号机舱内的情景

V-22较快的速度和较大的航程，使其成为搜索救援的理想平台

V-22的性能被说得如此出众，人们不禁疑惑，为什么总统的“海军陆战队一号”要选新机时，没有选V-22？