倾转旋翼飞行器

1、倾转旋翼飞行器的论证与研究1 倾转旋翼飞行器概述1.1历史沿革；倾转旋翼飞行器是一种介于固定翼飞机与普通直升机之间的一种新型飞行器。是由直升机发展而来，是为解决直升机速度较慢问题而衍生出的一种新型结构飞行器，是未来直升机发展的必然趋势。1.2典型应用；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

2、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。1.3倾转旋翼机定义；倾转旋翼飞行器是在机翼两端各安装一可变向的旋翼推进装置，整个推进装置可以绕机翼轴由朝上与朝前之间转动变向，并能固定在所需方向，因此能产生向上的升力或向前的推力。倾转旋翼飞行器兼顾了固定翼飞机和直升机的优点，可以如普通直升机一样垂直起降和在空中悬停，又可以像固定翼飞机一样以较高的速度进行巡航飞行。当旋翼飞行器推进装置垂直向上时，旋翼轴垂直

3、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；需要平飞时，其操作系统可改变旋翼上升力的大小和旋翼升力的倾转方向，以使飞机保持或改变飞行状态。在起飞之后，推进装置可转90度到水平位置，呈水平状态，旋翼当作拉力螺旋桨使用，像固定翼飞机一样依靠机翼产生升力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。因为倾转旋翼飞机具有技术复杂，研制周期长，耗资巨大等特点。目前大多数国家对其的研究还只停留于理论阶段。目前只有美军的v-22“鱼鹰”正式投入了使用，所以本文以v-22“鱼鹰”为例对倾转旋翼机进行论证和研究

4、。2 倾转旋翼飞行器模型结构2.1倾转旋翼飞行器结构倾转旋翼飞行器由机身、发动机舱、旋翼、可变向旋翼推进装置、尾翼、机翼和起落架几部分组成。其中，旋翼、可变向旋翼推进装置和机翼显示了倾转旋翼飞行器的结构特点。2.1.1 旋翼部分旋翼是一个单独的系统，也是倾转旋翼飞行器最重要的组成部分，它肩负着飞行器飞行时所需的推进、负重和操控3种功能。旋翼是飞行器的关键部件，其作用主要由以下几点：1.产生向上的拉力克服重力，类似于固定翼飞机机翼的作用。2.产生向前的水平分力使飞行器前进，类似于固定翼飞机的发动机。3.产生其他分力及力矩使飞行器保持平衡或做机动飞行，类似于操纵面的作用。2.1.2 机翼部分机翼于

5、倾转旋翼飞行器中的功能主要是保证动力装置与机身的连接和在飞行器有水平向前的速度分量时为飞行器提供部分升力。为保证飞行器平衡，两个推进装置会对飞行器产生相反的扭矩，所以要求机翼拥有较大的强度。 2.1.3 可变向旋翼推进装置可变向旋翼推进装置是区别旋翼飞行器与直升机的关键所在。直升机的操纵大多采用自动倾转器使桨叶的浆距角作周期性变化，从而改变气动合力方向。如悬停是旋转的旋翼产生的力是垂直向上的力，此时直升机并不会向前移动。当需要向前移动时，旋翼向机体纵轴方向略微倾转，同时机身低头，即产生了一个向前的力，是直升机向前飞行。2.1.4 尾翼部分 尾翼包括水平尾翼和垂直尾翼。水平尾翼由固定的水平安定面

6、和可动的升降舵组成。垂直尾翼包括固定的垂直安定面和可动的方向舵。尾翼的作用是操纵飞机俯仰和偏转，保证飞机平稳飞行。2.2机体运动模型 机体的六自由度动力学方程建立在机体轴系上，如图所示，体轴系原点位于机体的质心，轴X沿机体纵轴指向前方，轴Z垂直轴X向下，轴Y与轴X和轴Z构成右手系。2.2.1运动模型在建立动力学方程前，对机体作如下假设：（1）采用刚体动力学模型，且假定重量恒定。（2）惯性参考系建立在地面上。（3）忽略地球曲率，即地球看成平面。（4）仿真中飞行高度变化范围不大，假定重力加速度和空气密度不随高度变化。（5）机体坐标系XOZ平面为飞行器的对称平面，惯性积Ixz和Izy等于0。基于上述

7、假设，在机体轴系下所建立倾转旋翼机的运动方程为：在过渡飞行状态时，随着旋翼倾转角M的改变Iz、Ix、 Iz、Iyx也会变化。利用下列各式得到Iz、Ix、Iz、Iyx在不同的旋翼倾转角M时的值。式中m是全机质量，g是重力加速度，IxIyIz是机体质量对机体坐标系各轴的惯性矩，Izx是惯性积； FxFyFz分别为飞行器的空气动力的三分量， MxMyNz分别滚转、俯仰和偏航合力矩；wvu为质心运动速度在体轴系 XYZ轴上的投影，pqr是机体角速度在体轴系上的投影，分别称为滚转角速度、俯仰角速度和偏航角速度；为相对地面坐标系的姿态欧拉角，分别是俯仰角、滚转角和偏航角；xyz分别是相对地面坐标系的水平位

8、置和高度2.2.2 气动力模型 倾转旋翼机兼具了固定翼飞机和直升机双重飞行模式，具有旋翼和机翼两种升力来源。旋翼与机翼之间存在着严重的气动干扰，因此倾转旋翼机的空气动力学模型较传统的固定翼飞机的空气动力学模型和直升机空气动力学模型复杂。本节分别介绍旋翼气动力模型和机身空气动力模型。 2.2.2.1旋翼气动力模型 旋翼空气动力模型是倾转旋翼机空气动力模型中的关键部分。旋翼既是倾转旋翼机的升力面，也是倾转旋翼机的推进器和操纵面，具有一系列复杂的空气动力特性。 旋翼气动力建模包括了二元翼型的气动力模型、旋翼诱导速度模型和旋翼桨叶的挥舞运动模型。三者相互作用、相互影响，存在着闭环的逻辑关系，2.2.2

9、.2机体气动力模型 机体部件由机身、机翼、水平尾翼、垂直尾翼和倾转倾转舱五个子部件组成，机体空气动力由这五个子部件的空气动力合成。本文把倾转舱部件的气动力计算加入到机翼部件气动力计算中去。 机翼空气动力模型是所有组件中最复杂的，在低速飞行时，旋翼对机翼的干扰计算十分复杂。本文在建立机翼空气动力模型时，假设机翼为刚性，无弹性变形，机身对机翼的干扰效应包括在气动力系数中。机翼气动力和力矩在风轴系中计算得到，力和力矩的作用点在机翼气动中心。在低速非对称飞行时，由于左右旋翼尾涡的不同，对左右机翼的影响也不同，左右机翼所受到力的不对称，将要考虑由此产生了的滚转力矩和偏航力矩。 水平安定面和垂直安定面是一

10、种规范翼型，它的气动力在风轴系中进行计算，然后转换到机体轴系中。当地动压和迎角的计算考虑了机翼和机身的阻塞，短舱角，机翼尾迹，旋翼尾迹和飞机的姿态角和角速率的影响。3 旋翼飞行器飞行过程下面我将整个旋翼飞行器的飞行过程分为三个阶段，对每个阶段的飞行过程进行论述。3.1.升空阶段升空过程：倾转旋翼飞行器升空有两种方法，第一为当推进装置垂直向上，旋翼转动产生升力，便可像直升机一样垂直起飞、降落或悬停。第二为当推进装置倾转45度产生斜向上的拉力，使飞机短距滑跑起飞。为了保证旋翼具有一定的拉力，旋翼的螺距应达到一定的长度，此长度要大于旋翼在飞机安装处到地面的距离，所以倾转旋翼机不能以螺旋桨固定翼飞机模

11、式进行滑跑起飞。3.1.1推进装置垂直向上起飞此起飞方式与直升机类似，位于机翼两端的推进装置呈垂直向上状态，两个发动机工作带动旋翼转动，此时为保证飞机的平稳，必须保持两个旋翼的转速保持一致，当两个旋翼到达一定转速后，产生的拉力与飞机重量平衡时，飞机开始升空，旋翼的截面为拱形，在转动过程中，空气相对于旋翼运动，会在旋翼上下表面产生压强差，从而产生向上的升力，使飞机升空。3.1.2推进装置倾转45度起飞此起飞方式同时具有直升机起飞与固定翼飞机起飞特点 推进装置倾转45度后旋翼产生倾转角为45度斜向上的力，通过力的分解可以产生一个水平分力和一个垂直向上的分力，通过水平分力使飞机向前移动 ，空气流过飞

12、机机翼产生向上的升力。垂直向上的分力为飞机提供一个垂直向上的力使得机翼上升力较小时飞机即可离地起飞，达到短距起飞的效果。3.2平飞阶段平飞阶段有两种飞行模式：固定翼飞行模式和直升机飞行模式 3.2.1固定翼飞行模式通过可变向旋翼推进装置将旋翼由起飞时的垂直状态改为水平状态，使旋翼的拉力线与飞机纵轴平行，指向机头方向。此时旋翼为飞机提供一个向前的力，产生速度。升力由旋翼提供改为由机翼提供，在此状态下倾转旋翼机飞行模态与双螺旋桨固定翼飞机相似，可进行高速飞行。3.2.2直升机飞行模式此状态下，旋翼的拉力以较小的角度倾转，因而产生了两个分力，一个分力垂直向上为倾转旋翼机提供升力，一个分力与飞机纵轴平

13、行，指向机头方向为飞机提供向前的力。由于受旋翼升力不对称性的影响，在此状态下倾转旋翼机不能进行高速飞行。3.3降落阶段 降落阶段与起飞阶段类似，在到达降落局域上空后，旋翼推进装置由水平改为垂直。采用直升机的方法垂直降落。4 倾转旋翼飞行器的飞行力学4.1 旋翼力学原理 旋翼的桨叶类似于旋转的机翼，通过气流向下流动产生升力。同机翼一样，旋翼桨叶上的升力与有效迎角成正比。升力但与机翼不同的是，旋翼上各点的速度随其距中央浆毂的距离的增加而增加。升力与速度的平方成正比，所以旋翼上各点的升力随其距中央浆毂的距离的增加而迅速增加。尖头所示为旋翼产生的升力，此时旋翼的迎角恒定。显然，绝大部分升力在桨叶叶尖附

14、近产生，升力分布很不均匀。为改善这点，在制造旋翼桨叶时进行了翼扭转，以使桨叶上各点的迎角随着距中央浆毂的距离的增大而减小。这种扭转是升力分布更加均匀。s升力分布不均匀 升力均匀分布4.1.1旋翼的拉力（1）垂直飞行状态下旋翼的力倾转旋翼飞行器在主旋翼系统上产生升力，在垂直上升时，升力是沿垂直方向向上作用，阻力和重量是相反方向的力，是垂直向下的作用。升力支持飞行器的重量或垂直加速度。在垂直上升期间，由于主旋翼系统的下洗流冲击机身，阻力会显著增加，拉力必须克服阻力、重力和下洗流。空气作用于翼型产生的反作用力可以产生升力；然而，阻力是一个独立于重量之外的力。（2）前进/后退飞行状态下旋翼的力在向前、

15、向后飞行时，旋转平面通过可变向的旋翼推进装置改变方向，旋转平面与水平面是倾转的，从而，产生一个朝倾转方向的水平拉力矢量，例如，要建立向前飞行，总升力要向前倾转。与竖直方向相倾转的合力作用在向上和向前方向，因此，它可以分解成两个分量：一个是升力，另一个是拉力；同样，通过朝想要的飞行方向改变叶尖轨迹平面，就能建立侧向或任何水平方向的飞行，移动速率或速度取决于总升力的倾转程度，也就是可变向的旋翼推进装置的旋转程度。前飞状态下力的分布后飞状态下力的分布4.1.3扭矩扭矩效应通过机身向两个旋翼系统旋转的反方向转弯中，能在机体上显现出来，这种反作用力符合牛顿运动第三定律：“对任何一个作用力，都存在一个大小

16、相等方向相反的反作用力”。发动机有一个初始力驱动旋翼系统向某一个方向转动，对这个驱动力的反作用力，使得机身在大小相等而方向相反的力的作用下朝旋翼旋转相反的方向运动。如果只存在一个倾转旋翼的情况下需要加装尾桨来消除旋翼产生的相反力矩，造成了功率上的浪费。所以“鱼鹰”采用两个旋转方向相反的旋翼，使得两个相反的力矩抵消而又不浪费功率。4.1.4旋翼垂直状态下的升力不对称现象升力不对称现象是在垂直飞行期间，旋翼浆盘区域的前行一半桨叶和浆盘区域的后行一半桨叶之间的升力不相等。当“鱼鹰”的两个旋翼垂直向上，在无风状况下悬停时，在旋翼叶尖速度达435节和旋翼桨叶的桨叶角固定时，叶尖速度和迎角在整个360度的

17、一圈中保持不变，这会在整个浆盘区域产生相等的升力。当旋翼垂直朝上进入水平飞行时，在浆盘区域内前行和后行的旋翼桨叶之间的叶尖空速会有差别。在浆盘区域的前行桨叶侧边的空速是旋转速度加上前进速度，而后行桨叶侧边的空速则应减去前进速度；这就使飞行速度受到限制，当倾转旋翼机飞行速度为：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

18、，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。在此状况下，如果处理不当将会产生不等的升力，并会使飞机翻转和上仰。这就限制了旋翼垂直向上时“鱼鹰”的飞行速度。4.2固定翼力学原理当推进装置由垂直向上转为与飞机纵轴平行时，“鱼鹰”就进入了固定翼飞机模式。由于“鱼鹰”的旋翼需要兼顾直升机模式与固定翼飞机模式的动力，所以“鱼鹰”的两个旋翼采用拉进式安装，旋翼把飞机“拉过空气，发动机具有拉力作为这个方向的拉力载荷。此时“鱼鹰”的飞行状态类似于活塞式固定翼飞机的飞行原理。与之前推进装置垂直向上的原理有较大不同，其中主要的升力来源由旋翼变为机翼。固定翼飞机状态下的飞机的

19、升力飞机升力绝大部分由机翼产生，尾翼通常产生负升力，飞机其他部分产生升力很小，一般不考虑。空气流到机翼前缘，分成上、下两股气流，分别沿机翼上、下表面流过，在机翼后缘重现汇合向后流去。机翼上表面比较凸出，流管较细，说明流速加快，压力降低。而机翼下表面，气流受阻挡作用，流管变粗，流速减慢，压力增大。于是机翼上下表面出现压力差，飞机升空。飞机飞在空中有各种各样的阻力，阻力是飞机运动方向相反的空气动力，它阻碍飞机的前进，按阻力产生原因可分为摩擦阻力、压差阻力、诱导阻力和干扰阻力。5 旋翼飞行器的关键技术倾转旋翼机性能较强，但它的结构比一般飞机复杂得多，既有普通飞机的机身、机翼又有直升机的旋翼，因而它具

20、有直升机和固定翼飞机的一切特点，同时带来了倾转旋翼机独有的一些技术困难。5.1倾转旋翼非定常气动特性倾转旋翼的气动性能其气动性能包括巡航（固定翼模式）、垂直飞行及旋翼倾转过程中的气动特性。巡航模式与普通螺旋桨飞机类似，垂直飞行模式与直升机类似，而它倾转过程中的气动性能，就没有类似的成果或经验借鉴，这是倾转旋翼机需要研究解决的关键技术之一。5.2旋翼/机翼的气动干扰技术倾转旋翼机的气动干扰技术是指确定各种飞行状态下的气动干扰的方法。如旋翼/机翼、旋翼/机身、旋翼/尾部等。其中尤以垂直飞行和悬停时旋翼/机翼的气动干扰最大，对倾转旋翼机的有效载荷性能影响最大。5.3倾转旋翼结构设计为适应各种模式各种

21、状态下的飞行；倾转旋翼系统的桨叶形状、翼型。扭转等与常规旋翼系统有差异。旋翼的浆毂采用非常规万向绞式设计。三片桨叶连于浆毂，没有挥舞绞和摆振绞，浆毂通过万向绞与旋翼轴相连。5.4机翼设计由于在两侧机翼的翼尖上装有旋翼系统和发动机室，并且于各种工作状态下，旋翼轴能相对机翼旋转，这对机翼的强度和气动稳定性提出了很高的设计要求。5.5倾转旋翼机的飞行力学与控制与普通固定翼飞机相比，倾转旋翼机涉及的应用范围和飞行领域要广泛得多，因而它的飞行力学要复杂得多，特别是在倾转过程中，旋翼轴的方向和转速发生较大变化，导致飞机的升力、推力与力矩也发生重大变化，在高非定常非线性气动因数的影响下，传统飞行力学可能会失

22、效，需要建立新的飞行模型与方法。6 倾转旋翼飞行器的特点及应用研究6.1 倾转旋翼飞行器的特点以？为例，与常规直升机比较，可总结出倾转旋翼机具有以下优点：（1） 常规直升机最大速度超过360km/h，巡航速度超过300km/h的不多，而倾转旋翼机的最大速度可达650km/h，巡航速度为509km/h。（2） “鱼鹰”倾转旋翼机的噪声比直升机小得多，它与150m高度悬停时，其噪声只有80dB，仅相当于30m外卡车发出的噪声。（3） “鱼鹰”倾转旋翼机的最大航程可达3890km，而常规直升机的航程很少有超过1000km（4） “鱼鹰”倾转旋翼机在巡航飞行时，因机翼可以产生升力，旋翼转速较低，基本上

23、相当于两副螺旋桨，所以耗油率比直升机低。（5）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。（6）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。与固定翼飞机比较，倾转旋翼机的优点是：（1） 固定翼飞机对于起降条件要求较高，而倾转旋翼机在有机场的情况下可以进行滑跑起飞，在起降条件恶劣的情况下可进行小场地垂直起降。（2） 倾转旋翼机可以于空中悬停进行救援，运输，支援等任务。（3） 倾转旋翼机可做低空，低速，和机头方向不变的飞行。虽然倾转旋翼机与一般直升机相比有许多优点，但也

24、有不少缺点，主要表现在如下几个方面：（1）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。（2）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。（3）V-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

25、程中出现一侧旋翼进入涡环状态或者失效，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。6.2倾转旋翼飞行器的应用研究 由于倾转旋翼机综合了直升机与固定翼飞机的特点。具有垂直起降、空中悬停、较快的飞行速度以及较低的油耗等特点，所以在战斗搜索和救援、特种作战、作为反潜平台、火力支援平台、预警平台、执行兵员/装备突击运输、？对抗平台军事上的应用前景非常广泛。倾转旋翼机在？对抗平台上的运用优势？ 目前我？人机多采用固定翼飞行器和直升机作为飞行平台。较采用固定翼飞行器和直升机而言，我认为采用倾转旋翼机作为飞行平台有以下优点：6.2.1 起飞回收条件要求简单

26、固定翼无人机起飞通常有两种方式，滑跑起飞和火箭助推起飞。滑跑起飞对场地的要求高，需要有机场方能起飞。火箭助推起飞有非常明显的声，光等物理效应，容易暴露发射阵地。而回收方面也通常有两种方式，滑跑回收和伞降回收。滑跑回收同样要求有机场，而伞降回收在开伞后即失去了对无人机的控制，受天气影响巨大，易发生事故。而倾转旋翼机可在航母，山地等复杂的地形条件下进行垂直起降，缩短了升空作战的准备时间又不易暴露起飞阵地还保证了装备的安全。6.2.2对目标进行不间断的干扰固定翼飞机需达到一定速度之后机翼的升力才能达到要求，所以需要不间断的运动。所以固定翼无人机本身就在进行运动，又因为干扰设备的安装方式使得波瓣不能3

27、60度的覆盖。所以造成时间、空间上的干扰空白的存在。而采用可在空中悬停的倾转旋翼机的话，在抵达所要干扰的目标上空后，即可悬停于此，使主瓣对准目标实施不间断的干扰。6.2.3干扰方式调整灵活由于干扰天线装于飞行平台上通常是固定安装，受安装方式的限制，干扰电波发射后通常会有水平极化或垂直极化的存在。如果敌方通信天线的安装方式恰好与我方在无人机上的天线安装方式垂直就会因为电波极化而导致干扰效果很差。此时就需要调整天线姿态来消除部分极化损耗的影响。而因为干扰天线的安装与飞行平台又是固定的，因此只能通过调整飞行平台的飞行姿态来实现。而固定翼飞机要调整飞行姿态只能通过调整俯仰角、滚转角、偏航角来实现。由于固定翼无人机平台的本身限制，在空中频繁的变换姿态角或者长时间固定一种姿态（平飞除外）对于固定翼无人机是具有一定风险的，有可能会造成舵机卡死等情