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XV-3 从直升机状态向固定翼飞机状态转换的过程。



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。



贝尔 XV-15 在悬停中 / XV-15 在平飞中。

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XV-15 在起飞。

　　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 /  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。



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 / 这是在两栖登陆建“塞班”号机舱内的情景。

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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？

      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。

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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。

lai

曾经阅读过，但内容好像经过重新组合了吧，辛苦了。

joyrus

确实这是一部值得收藏的大作，我本人在整理的过程中同时也补充了大量的知识。