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V-22魚鷹式傾斜旋翼機

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V-22魚鷹式傾轉旋翼機(英語:V-22 Osprey)是由美國貝爾公司和波音公司聯合設計製造的一款傾轉旋翼機,傾轉旋翼機具備直升機的能垂直升降能力及固定翼螺旋槳飛機較高速、航程較遠及耗油量較低的優點。V-22設計基於貝爾負責的實驗機XV-15,於20世紀80年代開始研發,2007年開始在美國海軍陸戰隊服役,取代CH-46 海騎士直升機作拯救及作戰任務,2009年,美國空軍也開始配備。

1 V-22魚鷹式傾斜旋翼機 -概述

V-22魚鷹式傾轉旋翼機V-22魚鷹式傾轉旋翼機

V-22魚鷹式傾斜旋翼機是由美國貝爾公司和波音公司聯合設計製造的一款傾轉旋翼機,是目前世界上唯一一款具備實用價值的該類航空器,它兼具直升機和固定翼螺旋漿飛機的優點 。 

傾轉旋翼機是一種既具有常規直升機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,其飛行速度、高度和經濟效益都大大超過了現代直升機。

2 V-22魚鷹式傾斜旋翼機 -研發歷程

背景

20世紀五六十年代美國、加拿大和歐洲一些公司競相掀起了一股研製集直升機和固定翼飛機優點於一身的傾斜旋翼機的熱潮。最初,許多航空專家對於研製這種飛機寄予厚望。但是,由於這種飛機的設計結構複雜,尤其是在對機翼旋轉結構和旋轉式短艙結構的研製方面長期難以取得突破性進展,再加上試飛時機毀人亡的事故接連發生,因此,許多國家放棄了研製。

雖然美國貝爾直升機公司研製的X-22A、XC-124A、CL-84驗證機均遭不測,但經過不懈努力,終於在1977年5月將XV-15驗證機送上了藍天,為V-22「魚鷹」的研製邁出了堅實的一步。 

歷史
V-22魚鷹式傾斜旋翼機正在執行空中受油的V-22「魚鷹」式傾轉旋翼機

「傾轉旋翼機」方案源自美國貝爾公司,該方案認為:當重航空器以直升機模式垂直起飛后,便可以將其「旋翼」向前「傾轉」約90度而成為「螺旋槳」、使該航空器「受控」地轉換為飛機模式進行水平飛行。

1951年,美國貝爾直升機公司在美空軍的支持下開始研製XV-3傾轉旋翼機,XV-3型的原型機於1955年8月進行了首次垂直起降試飛。

1958年12月進行了旋翼轉換90度的飛行,整個轉換過程僅需10分鐘。XV-3轉型傾轉旋翼機的成功飛行試驗,證實了該型機具有強大的生命力,引起了美國航空和軍方的高度關注。

1972年,貝爾公司開始了一項全新的,以渦軸發動機為動力的XV-15型傾轉旋翼機的研發,XV-15原型機於1977年5月試飛。

1981年,XV-15原型機在法國巴黎航展上亮相,並進行了飛行表演。

1982年,貝爾直升機公司和波音直升機公司根據美國國防部提出的多用途垂直起降飛機研製計劃(JVX計劃),開始在XV-15驗證機的基礎上聯合研製傾斜旋翼機。該項目當時是由美國陸軍負責。但是,沒過一年美國陸軍便決定放棄研製計劃,值得慶幸的是,美國海軍陸戰隊卻對該機產生了濃厚的興趣,並最終成為該機的主要客戶。

1985年1月,這種飛機被命名為V-22「魚鷹」飛機,首架原型機於1988年5月出廠,1989年3月首飛,同年9月又進行了從直升機飛行方式轉換成固定翼機飛行方式的首飛。

1990年12月4-7日,V-22「魚鷹」飛機在美海軍「大黃蜂」號航空母艦上進行了海上試飛,並於當年年底前完成了一系列試飛。

1998年6月開始生產五架V-22「魚鷹」,於1999年交付美海軍陸戰隊使用

3 V-22魚鷹式傾斜旋翼機 -設計

V-22魚鷹式傾斜旋翼機V-22結構透視圖

V-22在機翼兩端各有一可變向的旋翼推進裝置,各包含勞斯萊斯T406 (AE 1107C-Liberty)渦輪軸發動機及由三片槳葉所組成的旋翼,整個推進裝置可以繞機翼軸由朝上與朝前之間轉動變向,並能固定在所需方向,因此能產生向上的升力或向前的推力。這轉換過程一般在十幾秒鐘內完成 。

當V-22推進裝置垂直向上,產生升力,便可像直升機垂直起飛、降落或懸停,其操縱系統可改變旋翼上升力的大小和旋翼升力傾斜的方向,以使飛機保持或改變飛行狀態。 在起飛之後,推進裝置可轉到水平位置產生向前的推力,像固定翼螺旋槳飛機一樣依靠機翼產生升力飛行。這時以主翼后緣的兩對副翼可保證飛機的橫向操縱,鉸接在端板式垂直尾翼上的方向舵和水平尾翼上的升降舵可以依靠舵機改變飛行方向和飛行高度。

由於旋翼直徑大,在地面將推進裝置轉到水平位置會使旋翼會碰到地面,所以V-22不能像飛機一樣在跑道滑行升降。為此,V-22另一升降模式為短距起降(STOL,Short Take-Off and Landing),推進裝置會轉至前向45°,同時產生升力及向前推力,使機身在跑上滑行,主翼產生的升力,加上旋翼的升力使V-22在滑行短距離后能起飛,同樣方式也能用於降落。此模式之好處在於較垂直起降節省燃料。在直升機模式下,因為主翼擋住了部份旋翼的氣流,相比Tiltwing設計損失了10%的升力,但卻有更佳的短場升降性能。

機身有超過43%為複合材料製造,包括旋翼。為減少被運載時所需空間,整主翼可以轉動90°,變成與機身平行,三葉旋翼也能轉動重疊在一地。整個收納過程只需90秒。兩具勞斯萊斯Rolls-Royce T406引擎以轉軸及齒輪箱連動,因此即使其中一個失去動力,另一個也能讓整架機繼飛行。 大部份V-22的任務有超過70%時間以定翼機模式飛行,定翼機飛行模式有比直升機更高的飛行高度,讓V-22有更遠的航程,更快的飛行速度,也方便了通訊。

4 V-22魚鷹式傾斜旋翼機 -電子系統

V-22安裝了塔康導航系統。塔康系統工作頻段為962~1213兆赫,共有252個波道。利用該導航系統可以保障飛機沿預定航線飛行、機群的空中集合和會合以及在複雜氣象條件下引導飛機歸航和進場著陸。塔康導航系統由美國於本世紀50年代率先裝備使用,后成為北約標準軍用導航系統。

另外還安裝了AN/APQ-174地形跟蹤多功能雷達,還安裝有五台多功能顯示器,其中第五台顯示器專門用於顯示地形圖。機載設備可以確保V-22之間及飛機與基地和E-3A空中預警指揮機之間的聯絡。

為提高夜戰能力,在海軍陸戰隊使用的V-22上將安裝飛行員夜視鏡,在空軍和海軍使用的V-22改進型上將安裝AN/AAQ-16前視紅外搜索雷達。此外,還安裝了甚高頻和特高頻話音保密通信裝置、敵我識別器、AN/AAR-47導彈告警系統。

5 V-22魚鷹式傾斜旋翼機 -武器系統

V-22的機載武器可根據執行任務的性質進行選擇。通常在貨艙內安裝了若干挺7.62毫米或12.7毫米機槍,在機身的頭部下方安裝了旋轉式炮架,機身兩側安裝了魚雷和導彈掛架。貝爾·波音公司選擇通用公司全資子公司—通用動力武器系統公司為V-22「魚鷹」飛機開發炮架系統。通用動力武器系統公司提供的V-22炮塔火炮系統將包括1門GAU-19 12.7毫米加特林機槍、1個輕型炮塔與1個線形複合彈艙和供彈系統。該炮塔能左右各旋轉75度、上仰20度、下俯70度,位於機頭正下方,供彈系統則位於駕駛艙下方。該系統將為V-22「魚鷹」飛機提供壓制火力,提供戰機生存能力。

2002年12月,美國海軍航空系統司令部招標徵求一種新型12.7mm機槍,用於V-22和其他海軍飛機。對該武器的要求包括:安裝有12.7mm機槍的樞軸,機槍採用開閂待擊以防止槍彈自燃;射速超過1000發/分鐘;槍管壽命為10000發;40000發子彈之內無須送往武器維修基地進行保養;配有容量分別為100、300和600發子彈的彈箱;可以發射北約所有的制式12.7mm槍彈,包括脫殼彈藥。

6 V-22魚鷹式傾斜旋翼機 -性能

CV-22飛越新墨西哥州CV-22飛越新墨西哥州

(1)飛行速度較高,加減速響應快。與直升機相比,V-22「魚鷹」飛機擁有較大的速度優勢,它能夠在較短時間內將執行特種作戰的突擊隊員載運至對方境內的縱深地區。

(2)作戰航程大,自部署能力強。對飛機航程的比較在很大程度上還要取決於它所執行任務的模式。海軍陸戰隊型V-22「魚鷹」飛機在執行兩棲突擊任務時,其未經中間加油作戰半徑可達375千米,而典型的直升機一般只能達到137~183千米。

(3)機載設備品種全,技術新。V-22「魚鷹」飛機上的標配設備要比直升機多得多,這也是造成飛機生產成本過高的重要因素之一。空中受油探頭、紅外成像儀、雷達告警系統、電子戰管理系統、激光告警機和紅外導彈告警系統等都是機載的標配設備。

7 V-22魚鷹式傾斜旋翼機 -實戰

2005年10月,MV-22「魚鷹」項目被批准進入全速生產階段,將於2007年形成初始戰鬥力。美國海軍陸戰隊於2000年開始,訓練V-22的飛行員,並在2007年派出,將用於補充且最後將取代CH-46海上騎士。美國空軍在2009年開始引進V-22。自進入美國海軍陸戰隊和美國空軍,V-22已被部署在伊拉克,阿富汗和利比亞用於戰鬥及救援行動。

2011年2月18日,海軍陸戰隊指揮官James Amos表示, 美國海軍陸戰隊部署到阿富汗的MV-22飛行超過10萬小時,並指出MV-22已成為最安全或接近最安全的飛機。MV-22在過去十年每飛行小時的事故發生率大約只有美國海軍陸戰隊飛行機隊平均事故發生率的一半。V-22已成為海軍陸戰隊中事故發生率最低的旋翼機 。

8 V-22魚鷹式傾斜旋翼機 -生產批次

CV-22A
美國海軍魚鷹式 
類型 可傾斜旋翼機 
生產公司 貝爾直升機公司
波音直升機公司(Boeing Helicopters) 
首次飛行 1989年3月19日 
主要用戶 美國海軍陸戰隊
美國空軍 
單位造價 2007年:US$70 百萬 (CV-22)[1] 
發展自 Bell XV-15美國海軍魚鷹式
空軍使用的陸基型運輸直升機要求能在任務半徑為1,297公里的範圍內運輸12名特種部隊,或是能在463公里/小時的速度下,運送1300公斤的物資飛行1,297公里(註:美國陸軍則同意以海軍陸戰隊的型號為標準,但要改為比較適用的陸上作戰型,用來執行多種作戰運輸任務)MV-22B 美國海軍陸戰隊所使用的基本運輸型,2004年前共訂購552架。陸戰隊是V-22魚鷹的主要客戶。陸戰隊專用型MV-22B是為步兵、裝備和補給品提供快速運輸,能夠從船艦上或從遠征部隊的飛機場上起降的中型運輸機。它將替換陸戰隊的CH-46海上騎士和CH-53E超級種馬。自2007年3月起,陸戰隊編組了三個魚鷹中隊。 CV-22B 由美國特戰司令部(USSOCOM)屬下的航空戰力使用的型號,將展開遠程,特種作戰任務,並將裝上外掛油缸。在2006年11月16日,佛羅里達州西北部的Hurlburt Field舉辦的儀式中,空軍正式宣布會採用CV-22。 HV-22B 僅限計劃階段,但未備資金,美國海軍的HV-22將提供戰鬥搜索和搶救、投遞和回收特戰部隊與艦隊後勤支援運輸一起。 SV-22 海軍設計的反潛型

9 V-22魚鷹式傾斜旋翼機 -使用國家

美國

V-22魚鷹式傾斜旋翼機夜間起飛
1、美國空軍 
(1)第8特戰中隊(駐紮佛羅里達州)
(2)第58特戰大隊(駐紮新墨西哥州)

2、美國海軍陸戰隊 
(1)VMM-162
(2)VMM-263
(3)VMM-266
(4)VMMT-204 - 訓練中隊
(5)VMX-22 - 陸戰隊旋翼機適用性試驗和評估中隊

10 V-22魚鷹式傾斜旋翼機 -事故

五架原型機中有3架分別於1991年、1992年與2000年發生意外。 

11 V-22魚鷹式傾斜旋翼機 -不足

槳盤載荷過高

V-22魚鷹式傾轉旋翼機V-22魚鷹式傾轉旋翼機

V-22飛機的載重量與其笨重的機體相比顯得非常不相稱的,這是由於槳盤載荷過高造成的直接後果。在設計傾轉翼飛機或是與此相類似飛行器的過程中,如何降低槳盤載荷問題始終是一個關鍵點和難點。

螺旋槳旋翼效率較低

與直升機旋翼相比,螺旋槳旋翼的扭轉角比較大,這對於確保槳葉根部能夠在前飛狀態下產生較大的拉力是十分有必要的。但在懸停狀態時,採用大扭轉角設計螺旋槳旋翼,其工作效率會大大降低,這就意味著由發動機輸送過來的可用功率有很大一部分都被損耗了。

氣動特性複雜

V-22魚鷹式傾斜旋翼機魚鷹機

在直升機前飛速度很低且下降速度較大時,它就會陷入到自身的下洗氣流當中,此時極易導致渦環狀態的發生。在渦環狀態下,空氣會繞著旋翼槳葉的葉尖呈環形流動,形成了類似於炸麵包圈的渦流。渦流內部的空氣壓力下降,這就導致旋翼會損失一部分升力。

如果此時飛行員試圖通過加大油門、增大槳葉工作迎角的方法來彌補因渦流而損失的那部分升力,那麼渦環運動將會加速,導致旋翼損失更多的升力,情況就變得更加糟糕。

由於V-22飛機的機體重量大,導致由發動機輸出的可用於機動飛行的剩餘功率減少。另外,V-22飛機上的兩副螺旋槳旋翼採用的是較為獨特的橫列式布置方式,一旦在飛行過程中出現一側旋翼進入渦環狀態,而另一側則正常工作的情況,就會導致左右兩側的升力失衡,飛機就會向著受到渦環影響的一側旋翼方向滾轉。

可靠性和安全性有待提高

可靠性的高低直接影響著安全性的好壞。迄今為止,兩架V-22飛機的墜毀事故都可能是源於發動機艙內液壓系統的泄漏。機上液壓系統,尤其是發動機艙內與飛行控制系統相關部分的可靠性低的問題,對V-22飛機的安全飛行構成了極大威脅。

可靠性和維修性之所以不甚理想,除了與維護人員的技術水平、熟練程度等因素相關之外,更重要的還源自於飛機設計上的欠缺。就在2000年發生兩起墜機事故之後,事故調查人員就已經充分地認識到了這一問題的嚴重性,要求貝爾和波音公司對發動機艙進行重新設計。

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