海軍傾轉旋翼無人機技術和發展優勢綜述

摘 要：傾轉旋翼無人機是一種介于無人直升機和固定翼無人機的新型無人機。它一方面具有垂直起降能力；另一方面還可以作高速巡航飛行，是未來無人機發展的趨勢之一。簡要地介紹了“鷹眼”無人機的發展歷程和技術特點，綜合分析了傾轉旋翼無人機的關鍵技術。在此基礎上，對海軍傾轉旋翼無人機的發展優勢和應用前景進行了展望。

關鍵詞：傾轉旋翼 無人機 固定翼 直升機

中圖分類號：V275.1 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）10（a）-0073-03

隨著科學技術的不斷發展，艦載機在現代戰爭中的地位越來越重要。但是普通艦艇受到空間、場地的限制，不可能有很長的起降跑道，所以具有垂直起降功能的傾轉旋翼飛行器越來越受到各國的青睞。

傾轉旋翼飛行器是一種將固定翼飛機與直升機融為一體的新型飛行器，它既具有常規直升機的垂直起降和空中懸停能力，又具有渦輪螺旋槳飛機高速巡航飛行能力的旋翼飛行器。由于傾轉旋翼機獨有的動力裝置和獨特的結構布局，使其受到世界航空界的關注。

傾轉旋翼飛行器的概念最早是由美國貝爾公司的工程師在二戰期間提出的，1955年，貝爾公司研制了第一架傾轉旋翼原形樣機XV-3，通過XV-3的飛行試驗驗證了傾轉旋翼飛行的可行性。隨后貝爾公司又相繼研制出了XV-15和V-22“魚鷹”傾轉旋翼飛機。隨著傾轉旋翼有人機的研制成功，以及航空電子尤其是飛行控制技術的發展，傾轉旋翼無人機的研制也提上日程，并得到了迅速發展，典型的傾轉旋翼無人機是美國的“鷹眼”無人機，如圖1所示。

1 傾轉旋翼無人機的發展及技術特點

1.1 傾轉旋翼無人機的發展歷史

最早的無人傾轉旋翼飛行器是美國貝爾和波音直升機公司合作研究的D-340Pointer。1986年雙方合作研制V-22“魚鷹”傾轉旋翼飛行器，利用V-22的技術產生了Bell/BoeingD-340Pointer（“瞄準手”）無人飛行驗證機，并于1988年完成了首次試飛。該Pointer驗證機采用盒形截面的機身，起落架沿用傳統直升機的滑翹式。1989年雙方結束了合作關系，而后，Bell公司繼續開展自己的傾轉旋翼式無人飛行器“鷹眼”的技術研究。

“鷹眼”無人機是在美國國防部TRUS（Tilt rotor UAV System“傾轉旋翼無人機系統”）計劃下研制的垂直起降無人機。1993年7月10日，首架原型機TR-911開始懸停驗證試飛，7月16日在第六次試飛時著陸失敗并損壞。11月4日，第二架原型機試飛，不久它成功地完成了從垂直起飛到平飛和從平飛到垂直降落的轉換試驗。1994年，由于一些原因TRUS研制計劃中止。1998年Bell公司在海軍合同支持下又恢復“鷹眼”無人機的飛行試驗，并成功地驗證了任務載荷、慣性導航系統、GPS導航、數據鏈路的試驗。

“鷹眼”無入機于1998年3月開始正式試飛，在當年就飛行了40次，累計55.5h，飛行高度達到4450m以上，裝載了95千克任務載荷和燃油后的水平巡航速度可達到390km/h，并實現了實時目標圖像傳送?！苞椦邸睙o人機的飛行試驗表明，它能夠滿足美國海軍“無人機通用自動回收系統”（UCARS）的要求，并達到“垂直起降無人機”項目的技術指標，然而，在2000年2月的美國海軍項目競標時，勝出者卻是諾斯羅普·格魯門公司的“火力偵察兵”。盡管如此，貝爾公司還是繼續該計劃，并在2003年2月被美國海岸警衛隊選中，用于它的“深水計劃”的垂直起降無人機系統部分，并簽訂了購買合同，貝爾直升機最終將交付與“鷹眼”TR9l6相似的生產型號[3]。

1.2 傾轉旋翼無人機的技術特點

所謂“傾轉旋翼”，簡單地說就是指飛機依賴旋翼的傾轉來調節飛機的飛行狀態。具體方案是在機翼兩端分別安裝發動機短艙，內部裝有渦輪發動機來驅動旋翼系統。該型飛行器的關鍵在于發動機短艙可以繞機翼軸進行由朝前到朝上以及由朝上到朝前的直角轉動，這樣就能改變旋翼推力的方向。當發動機短艙呈水平狀態時，旋翼就變成了螺旋槳，加上原有的一段機翼，飛機就變成螺旋槳固定翼飛機；當發動機短艙呈垂直狀態時，飛機就變為一架雙旋翼或者多旋翼直升機。性能上，傾轉旋翼無人機既有普通直升機的垂直起降和空中懸停能力，又有一般螺旋槳飛機的巡航飛行能力。所以傾轉旋翼無人機起降時，可免去起降跑道，具有直升機的靈活性，同時能作高速遠程飛行，擴大了飛行包線（如圖2）。

傾轉旋翼無人機有三種飛行模態：直升機模態、固定翼飛機模態和過度模態，它主要是工作在直升機模態和固定翼飛機模態。傾轉旋翼無人機的旋翼不同于一般直升機的旋翼：它在直升機模態下提供升力，而在固定翼飛機模態下提供推力，此時升力由固定部分的機翼來提供，并且在懸停時，傾轉旋翼無人機所需發動機的功率最大，而一般直升機的旋翼在前飛時不但要提供推力還要提供升力。為了兼顧傾轉旋翼無人機在直升機模態和固定翼飛機模態下的飛行品質，旋翼設計采用了折中的辦法。

傾轉旋翼無人機的旋翼半徑比一般直升機的旋翼半徑要小，因而和一般直升機相比，其懸停效率下降。同時，傾轉旋翼無人機的旋翼尺寸比一般的螺旋槳飛機的旋翼要大，使得螺旋槳的推進效率減小。因此，傾轉旋翼無人機的旋翼槳葉采用大扭角設計，提高飛機的懸停性能，而一般直升機的旋翼槳葉由于前飛時要同時提供升力和向前的推力，因而不能采用大扭角設計。

傾轉旋翼無人機翼尖兩側安裝旋翼系統，為避免一側發動機意外停車造成同側旋翼停止工作，設計上使螺旋槳減速器通過橫軸系統連接，允許1臺發動機失效時，由另一側發動機帶動兩側旋翼轉動，從而保證兩副旋翼轉速同步。因此傾轉旋翼無人機的安全性較高。

美國傾轉旋翼無人機“鷹眼”的主要參數和性能如表1所示。

2 傾轉旋翼無人機的關鍵技術分析

雖然第二代傾轉旋翼機已經進入產品的設計階段，然而它的很多關鍵技術還并不是很成熟。要研制出性能優越同時又安全可靠的傾轉旋翼無人機，還有如下幾項關鍵技術需要解決和改進。

2.1 旋翼、機翼系統研究

傾轉旋翼無人機具有快速、遠程、垂直起降等特點，這些特點的實現均依賴其高性能的傾轉旋翼系統。傾轉旋翼系統既要適用于高速前飛，又要兼顧垂直懸停效率，因此槳葉的形狀、扭轉及槳轂形式的設計都不同于常規的旋翼，同時由于槳盤的高載荷，旋翼與機翼還存在較嚴重的氣動干擾問題。在過渡模態時，旋翼傾轉會產生陀螺效應和斜流問題，在高速前飛時螺旋槳又大大增加了飛行阻力。

傾轉旋翼無人機在垂直飛行和低速飛行時類似于橫列式直升機，因此對機翼剛度要求較高，且機翼氣動彈性穩定性問題十分突出。旋翼的旋轉會帶來一系列振動問題，同時旋翼槳尖尾跡、機翼尾流和槳尖渦流也會引起機體尾面振動，因此旋翼、機翼及機體存在更為復雜的振動問題[3]。

2.2 過渡轉換技術研究

過渡模態是傾轉旋翼無人機不同于無人直升機和固定翼無人機的關鍵飛行狀態。在該模態下，旋翼的流場和尾跡都是很復雜的，其槳葉氣動力也是非定常的，這種非定常變化的氣動力直接影響到飛行器的平衡和操縱特性。同時，也對飛行器的飛行力學建模的準確性有重要影響，而高質量的飛行力學模型對改進飛行控制技術又是十分重要的。如何確定一個合適的過渡轉換方案，確保傾轉旋翼無人機平穩的實現直升機模態與固定翼模態之間的相互轉換，也是傾轉旋翼無人機的一項關鍵技術。

目前關于過渡模態的氣動力研究尚不成熟。另外，傾轉旋翼無人機在兼具直升機和固定翼飛機優點的同時也兼具二者的動力學問題，其復雜性要大于二者之和。傾轉旋翼飛行器復雜的結構及運動部件，使得其動力學問題的研究具有較大的挑戰性，特別是過渡模態（如圖3）。

2.3 氣動干擾研究

主要包括垂直起降狀態與過渡低速狀態下的旋翼/機翼氣動干擾下的氣動特性研究。其研究目的就是通過掌握氣動干擾下的氣動特性，以便對旋翼與機翼進行氣動優化設計，使之降低旋翼氣流“噴泉”效應，避免垂直下降進入渦環狀態，增加過渡模態下的飛行速度范圍和前飛時降低氣動廢阻等。

2.4 飛行控制系統研究

傾轉旋翼無人機的飛行不但涉及到復雜的雙旋翼飛行器的飛行姿態的控制，而且還要控制固定翼飛機模態與直升機模態的復雜轉換，其操縱和飛行控制比固定翼無人機和無人直升機困難很多。傾轉旋翼無人機在直升機模態下，與普通直升機相比，由于沒有尾槳，側向安定性下降，甚至出現靜不穩定，使得直升機模態下操縱困難，飛行控制系統設計復雜。此外，傾轉旋翼無人機在過渡模態時，存在明顯的拉力矢量控制特性，由于拉力矢量的存在，三通道之間出現較強的耦合。同時，還存在著氣動舵面操縱與拉力矢量控制之間的協調問題，使得過渡模態下飛行控制系統設計變得更加復雜。因此飛行控制技術是傾轉旋翼無人機的另一個關鍵技術。

3 海軍傾轉旋翼無人機的發展優勢及應用前景

由于傾轉旋翼無人機起降不需要正規的跑道，因此，在處理海上的突發事件上可以完成固定翼無人機完成不了的任務。同時，它又具有一般無人直升機沒有的遠程巡航能力，因此，在未來的海戰中，尤其是登陸作戰中將發揮重要的作用。通過對國外傾轉旋翼無人機發展現狀的了解，結合我國的基本國情可以認為，傾轉旋翼無人機對我國海軍的發展也必將起到很大的作用。

目前，我國海軍現有的裝備跟水面艦艇大多缺乏低空警戒、監視、中繼制導等作戰能力。海軍航空兵受到裝備數量、作戰半徑、技術水平等因素的限制，岸基航空兵部隊難以在第一時間為遠海執行任務的水面艦艇提供有效的空中支援。傾轉旋翼無人機具有垂直起降功能，可以方便地裝備在驅逐艦，護衛艦，兩棲艦以及航空母艦上，利用紅外，光電等先進的傳感器，實施空中偵察、監視、通信中繼、目標指示、電子干擾、充當誘餌以及配備機載導彈等武器，完成封鎖、對海或反艦攻擊等軍事任務。

我國是一個海域遼闊的國家，在黃海、東海和南海，均與數個國家存在領海和島嶼之爭。尤其是在南海海域，一些國家明目張膽地侵占了我國的島嶼。歷史的教訓告訴我們，要維護國家領土和主權的完整，就離不開一支強大的人民海軍。傾轉旋翼無人機正是適合我海軍使用的、大航程、無需起降跑道、能在艦艇上垂直起降的（尤其適合航空母艦）一種武器裝備。在南海的眾多島礁上，由于受到島礁面積的限制，修建機場幾乎是不可能實現的。而傾轉旋翼無人機具有垂直起降特點，不需要起降跑道，并且無人機系統操作、使用方便，基本不需要其他的保障條件，因而非常適合于列裝在島礁上，完成偵察、巡邏和對敵艦攻擊等任務，也能為遠離大陸的南海海域提供及時的空中支援，可以有效地減小作戰反應時間，擴大我海軍航空兵的作戰半徑。

我國對傾轉旋翼技術的研究開始較晚，但經過前期的認真研究，在旋翼/機翼氣動干擾、旋翼/短艙/機翼耦合氣動穩定性、傾轉過程飛行控制等方面取得了一些階段性的成果。只要我國對國外傾轉旋翼無人機發展過程中存在的技術問題進行充分分析，并加大對傾轉旋翼無人機關鍵技術的攻關力度，進而開展傾轉旋翼無人機的研制，就能使我國海軍的軍事實力得到顯著提升，對于我國海軍的發展和保障國家海洋權益有重要意義（如圖4）。

4 結語

雖然目前傾轉旋翼無人機的一些技術還不如無人直升機和固定翼無人機成熟，但是傾轉旋翼無人機在動力裝置、結構布局和作戰使用性能等方面的獨特設計和優越性能，使其受到了航空界的廣泛關注，也代表了21世紀無人機發展的一個方向。隨著技術的不斷發展和進步，傾轉旋翼無人機的技術也將日趨完善和成熟，其使用會更加安全可靠，操縱也會更加簡單，它的良好性能和廣闊的應用前景將得到充分展現。

參考文獻

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[3] 王芳，李春華，徐國華．無人傾轉旋翼飛行器的技術特點分析[C]//中國無人機大會會議集論文，北京：航空工業出版社，2006，137-143.

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