上濟文通大￥ SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 【飞行器设计】课程大作业报告：民用倾转旋翼机设计 第一章设计背景 倾转旋翼机的设计概念来源于直升机。 直升机由于具有不需机场而能垂直起降、悬停、前后侧飞等优良的飞行品质，在军事和 民用中获得广泛的使用。然而，由于直升机旋翼气动力的固有限制，导致直升机的飞行速度 受到很大的限制。目前，在军用领域，现代战争对飞行器的高机动性以及快速投放兵力能力 提出了很高的要求；在民用航空领域，则各类飞行器在速度上的竞争日趋激烈。以上这些因 素，都成了制约着直升机进一步发挥其作用，限制了直升机的后续发展。 从20世纪40年代起，人们就在探索和研究一种不但具有直升机垂直起降、悬停、前后 侧飞能力，而且还具有固定翼飞机航程远、高速度飞行性能的飞行器。经过几十年的试验研 究，目前比较成功并将投入实用的只有倾转旋翼机的方案。 1.1倾转旋翼机的概念 倾转旋翼机，也叫可倾斜旋翼机或倾转旋翼飞机，是一种同时具有旋翼和固定翼，并在 机翼两侧翼梢处各安装有一套可在水平和垂直位置之间转动的可倾转旋翼系统的航空器。倾 转旋翼机在引擎旋转到垂直位置时相当于横列式直升机，可进行垂直起降、悬停、低速空中 盘旋等直升机的飞行动作：而在引擎旋转至水平位置时相当于固定翼飞机螺旋桨飞机，可实 现比直升机更快的航速，增加了飞行包线。以上特点使得倾转旋翼机兼具直升机和固定翼飞 机的优点，应用前景十分看好。山 图1倾转旋翼机飞行状态的过度（引自参考文献2） 第1页共57页
【飞行器设计】课程大作业报告：民用倾转旋翼机设计 第 1 页 共 57 页 第一章 设计背景 倾转旋翼机的设计概念来源于直升机。 直升机由于具有不需机场而能垂直起降、悬停、前后侧飞等优良的飞行品质，在军事和 民用中获得广泛的使用。然而，由于直升机旋翼气动力的固有限制，导致直升机的飞行速度 受到很大的限制。目前，在军用领域，现代战争对飞行器的高机动性以及快速投放兵力能力 提出了很高的要求；在民用航空领域，则各类飞行器在速度上的竞争日趋激烈。以上这些因 素，都成了制约着直升机进一步发挥其作用，限制了直升机的后续发展。 从 20 世纪 40 年代起，人们就在探索和研究一种不但具有直升机垂直起降、悬停、前后 侧飞能力，而且还具有固定翼飞机航程远、高速度飞行性能的飞行器。经过几十年的试验研 究，目前比较成功并将投入实用的只有倾转旋翼机的方案。 1.1 倾转旋翼机的概念 倾转旋翼机，也叫可倾斜旋翼机或倾转旋翼飞机，是一种同时具有旋翼和固定翼，并在 机翼两侧翼梢处各安装有一套可在水平和垂直位置之间转动的可倾转旋翼系统的航空器。倾 转旋翼机在引擎旋转到垂直位置时相当于横列式直升机，可进行垂直起降、悬停、低速空中 盘旋等直升机的飞行动作；而在引擎旋转至水平位置时相当于固定翼飞机螺旋桨飞机，可实 现比直升机更快的航速，增加了飞行包线。以上特点使得倾转旋翼机兼具直升机和固定翼飞 机的优点，应用前景十分看好。[1] 图 1 倾转旋翼机飞行状态的过度（引自参考文献[2]）
上濟文通大￥ SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 【飞行器设计】课程大作业报告：民用倾转旋翼机设计 1.2倾转旋翼机的特点 倾转旋翼机主要有一下五个特点，分别为： (1)速度快 一般直升机因受到旋翼前行桨叶激波失速和后行桨叶气流分离的限制，其最大速度超过 360km/h、巡航速度超过300km/h的不多。而倾转旋翼机的巡航速度可以达到更高的值， 例如美军的V-22“鱼鹰”倾转旋翼机巡航速度为509km/h,最大速度可达650km/h。 (2)噪声小 倾转旋翼机因巡航时一般以固定翼飞机的方式飞行，因此噪声比直升机小得多，并且在 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)航程远 如V-22的作战距离大于1850km,若再加满两个转场油箱，航程可达3890km。如果进 行空中加油，该机能从美国本土直飞欧洲，而直升机的航程很少超过1000km。 (4)载重量大 V-22倾转旋翼机的悬停重量达21800kg。 (5)耗油率低 倾转旋翼机在巡航飞行时，因机翼可产生升力，旋翼螺旋桨转速较低，基本上相当于两 副螺旋桨，所以耗油率比直升机低。倒 1.3研究现状 1.3.1美军V-22“鱼鹰”倾转旋翼机 1983年4月26日，贝尔/波音直升机公司与美国海军航空系统司令部签订了一项为期 24个月的合同，对V-22进行初步设计。1985年1月正式将这种旋翼机命名为V-22“鱼鹰”。 1986年5月2日，美国海军航空系统司令部又与贝尔和波音直升机公司签订了合同。这个 合同是V-22旋翼机为期7年的全尺寸研制(FSD)总合同的第一期合同。合同要求制造6 架试飞原型机，以及用于静力试验、地面试验和疲劳试验的机体。1989年3月19日完成首 次试飞，同年9月14日完成首次由直升机状态向定翼机状态过渡的飞行转换。1990年4月 美国政府开始对“鱼鹰”进行试验，其中包括三军试飞员15个小时的飞行试验。1990年12 月47日，在美海军“大黄蜂”号航空母舰上进行了海上试飞，其中包括3号机的起飞和着 舰试飞，以及4号机的设备和功能试飞。到1990年底已完成起飞着陆转换试飞、机翼失速 试飞、单发试飞以及飞行速度高达647千米/小时的试飞。同年获得美国国家航空协会颁发 第2页共57页
【飞行器设计】课程大作业报告：民用倾转旋翼机设计 第 2 页 共 57 页 1.2 倾转旋翼机的特点 倾转旋翼机主要有一下五个特点，分别为： （1）速度快 一般直升机因受到旋翼前行桨叶激波失速和后行桨叶气流分离的限制，其最大速度超过 360 km/h、巡航速度超过 300 km/h 的不多。而倾转旋翼机的巡航速度可以达到更高的值， 例如美军的 V-22“鱼鹰”倾转旋翼机巡航速度为 509 km/h，最大速度可达 650 km/h。 （2）噪声小 倾转旋翼机因巡航时一般以固定翼飞机的方式飞行，因此噪声比直升机小得多，并且在 150 m 高度悬停时，其噪声只有 80 dB，仅相当于 30 m 外卡车发出的噪声。 （3）航程远 如 V-22 的作战距离大于 1850km，若再加满两个转场油箱，航程可达 3890km。如果进 行空中加油，该机能从美国本土直飞欧洲，而直升机的航程很少超过 1000 km。 （4）载重量大 V-22 倾转旋翼机的悬停重量达 21800 kg。 （5）耗油率低 倾转旋翼机在巡航飞行时，因机翼可产生升力，旋翼螺旋桨转速较低，基本上相当于两 副螺旋桨，所以耗油率比直升机低。[3] 1.3 研究现状 1.3.1 美军 V-22“鱼鹰”倾转旋翼机 1983 年 4 月 26 日，贝尔/波音直升机公司与美国海军航空系统司令部签订了一项为期 24 个月的合同，对 V-22 进行初步设计。1985 年 1 月正式将这种旋翼机命名为 V-22“鱼鹰”。 1986 年 5 月 2 日，美国海军航空系统司令部又与贝尔和波音直升机公司签订了合同。这个 合同是 V-22 旋翼机为期 7 年的全尺寸研制（FSD）总合同的第一期合同。合同要求制造 6 架试飞原型机，以及用于静力试验、地面试验和疲劳试验的机体。1989 年 3 月 19 日完成首 次试飞，同年 9 月 14 日完成首次由直升机状态向定翼机状态过渡的飞行转换。1990 年 4 月 美国政府开始对“鱼鹰”进行试验，其中包括三军试飞员 15 个小时的飞行试验。1990 年 12 月 4~7 日，在美海军“大黄蜂”号航空母舰上进行了海上试飞，其中包括 3 号机的起飞和着 舰试飞，以及 4 号机的设备和功能试飞。到 1990 年底已完成起飞着陆转换试飞、机翼失速 试飞、单发试飞以及飞行速度高达 647 千米/小时的试飞。同年获得美国国家航空协会颁发
上濟通大￥ SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 【飞行器设计】课程大作业报告：民用倾转旋翼机设计 的“航空重大进步奖”。1992年7月在V-22总计飞行643个起落763小时后，由于4号机 在试飞中发动机舱起火后坠毁而造成临时停飞。1993年，2号和3号机又重新试飞，并且改 进了防火墙、发动机舱、放泄口及驱动轴的防热层。1981年，美国在XV-15的基础上研制 成功了实用型倾转旋翼机，1985年1月它被正式命名为V22“鱼鹰”。 图2“V-22”鱼鹰倾转旋翼机（引自参考文献2） V-22的旋翼螺桨直径为11.61m,翼展（包括发动机短舱）为14.02m、机宽（旋翼螺 桨旋转)25.76m、全长19.2m、机高（至垂尾顶）5.46m:空重15032kg、最大垂直起飞重 量23446kg、最大短距起飞重量（自转场）27442kg:最大平飞速度（海平面）为509km/h、 实用升限为7925m、两栖突击航程达953km。完成全尺寸研制的费用为27.5亿美元(1991 年币值)，单机价格约为3230万美元(1997年币值)。 目前V-22有4个军用型别，分别供海陆空和海军陆战队使用。) 1.3.2BA609 1996年2月，贝尔直升机公司和波音直升机公司透露在合作研制军用型V-22倾转旋翼 机的基础上还在研制6350kg重量级的双发9座民用型倾转旋翼机，命名为D-600。 1996年11月宣布建立联合风险投资机制来设计、研制、取证和开拓该型民用倾转旋翼 机的市场。1998年3月1日，波音公司退出该项目。1998年9月宣布贝尔直升机公司和意 大利阿古斯塔公司联合继续开发民用型倾转旋翼机，其编号为BA609。阿古斯塔公司负责 BA609的装配与在欧洲和美国以外其他地区的销售。 BA609于1997年5月完成初步设计审查，1997年8月开始制造原型机的零件。1997 年6月在巴黎航展上展出了BA609的全尺寸模型。2002年12月6日开始地面开车试验。 2003年3月7日原型机（编号N609TR)仅以垂直飞行方式进行了首飞。由于V-22“鱼鹰” 第3页共57页
【飞行器设计】课程大作业报告：民用倾转旋翼机设计 第 3 页 共 57 页 的“航空重大进步奖”。1992 年 7 月在 V-22 总计飞行 643 个起落 763 小时后，由于 4 号机 在试飞中发动机舱起火后坠毁而造成临时停飞。1993 年，2 号和 3 号机又重新试飞，并且改 进了防火墙、发动机舱、放泄口及驱动轴的防热层。1981 年，美国在 XV-15 的基础上研制 成功了实用型倾转旋翼机，1985 年 1 月它被正式命名为 V 22“鱼鹰”。 图 2 “V-22”鱼鹰倾转旋翼机（引自参考文献[2]） V-22 的旋翼螺桨直径为 11.61 m，翼展（包括发动机短舱）为 14. 02 m、机宽（旋翼螺 桨旋转）25.76m、全长 19.2m、机高（至垂尾顶）5.46m；空重 15032 kg、最大垂直起飞重 量 23446 kg、最大短距起飞重量（自转场）27442 kg；最大平飞速度（海平面）为 509km/h、 实用升限为 7925m、两栖突击航程达 953km。完成全尺寸研制的费用为 27.5 亿美元（1991 年币值），单机价格约为 3230 万美元（1997 年币值）。 目前 V - 22 有 4 个军用型别，分别供海陆空和海军陆战队使用。[3] 1.3.2 BA609 1996 年 2 月，贝尔直升机公司和波音直升机公司透露在合作研制军用型 V-22 倾转旋翼 机的基础上还在研制 6350 kg 重量级的双发 9 座民用型倾转旋翼机，命名为 D-600。 1996 年 11 月宣布建立联合风险投资机制来设计、研制、取证和开拓该型民用倾转旋翼 机的市场。1998 年 3 月 1 日，波音公司退出该项目。1998 年 9 月宣布贝尔直升机公司和意 大利阿古斯塔公司联合继续开发民用型倾转旋翼机，其编号为 BA609。阿古斯塔公司负责 BA609 的装配与在欧洲和美国以外其他地区的销售。 BA609 于 1997 年 5 月完成初步设计审查，1997 年 8 月开始制造原型机的零件。1997 年 6 月在巴黎航展上展出了 BA609 的全尺寸模型。2002 年 12 月 6 日开始地面开车试验。 2003 年 3 月 7 日原型机（编号 N609TR）仅以垂直飞行方式进行了首飞。由于 V-22“鱼鹰
上濟通大￥ SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 【飞行器设计】课程大作业报告：民用倾转旋翼机设计 计划的推迟，2002年4月决定放慢BA609的研制与取证步伐，并从新调整了进度计划。正 在为36个月的飞行试验计划制造4架原型机，预定在2007年1月按美国联邦航空局条例 FAR Pt25(固定翼机)和Pt29(直升机)以及P21.17(b)特种条件取得合格证。该机能 进行单飞行员仪表飞行条件飞行。第1架原型机主要用于扩展飞行包线，第2~4架原型机分 别用于系统合格试验、航空电子设备与结冰验证和可靠性试验。 BA609的单价为800~1000万美元。最大起飞重量为7620kg,最大巡航速度为509km/h, 实用升限为7620m,航程（在2500kg载荷、463m/h速度条件下）为1400km。至2003年 3月止已有18个国家40个用户总计订购了70架BA609。据预测，在未来20年BA609将 有600~700架的市场需求。) 图3BA609倾转旋翼机（引自参考文献1） 1.3.3欧洲倾转旋翼机 1987年初，欧洲委员会资助了名为“尤洛法”(EuroFAR)的倾转旋翼运输机的可行性 与方案论证研究。欧直公司希望在1998年10月宣布的一项研究计划中能够利用上述的基础 工作，为此寻找其他的欧洲合作伙伴。欧直公司设想了一种19~20座、最大起飞重量为 25000kg的倾转旋翼机，预计在2015年前后投人使用。1999年初，在法国国防部的资助下 进行了倾转旋翼机军用潜力的研究。 1999年，9个欧洲国家的33家公司与欧直公司联合开始为总重为10000kg,12~19座暂 时命名“尤洛泰特”(Eurotilt)的倾转旋翼机制造试验台、原打算在2004~2005年间飞行 原型机，2008年投人使用。巡航速度556km/h、航程1481km和实用升限7620m。研制费用 估计10.5亿美元。 与此同时，1999年7月意大利阿古斯塔公司宣布了一种10吨级20座名为尤利卡”(Eica) 的倾转旋翼机，并向欧洲第5届框架研究计划寻求9000欧元经费以制造一架地面试验机。 第4页共57页
【飞行器设计】课程大作业报告：民用倾转旋翼机设计 第 4 页 共 57 页 计划的推迟，2002 年 4 月决定放慢 BA609 的研制与取证步伐，并从新调整了进度计划。正 在为 36 个月的飞行试验计划制造 4 架原型机，预定在 2007 年 1 月按美国联邦航空局条例 FAR Pt 25（固定翼机）和 Pt29（直升机）以及 Pt21. 17（b）特种条件取得合格证。该机能 进行单飞行员仪表飞行条件飞行。第 1 架原型机主要用于扩展飞行包线，第 2~4 架原型机分 别用于系统合格试验、航空电子设备与结冰验证和可靠性试验。 BA609 的单价为 800~1 000 万美元。最大起飞重量为 7620 kg，最大巡航速度为 509 km/h， 实用升限为 7620m，航程（在 2500kg 载荷、463km/h 速度条件下）为 1400 km。至 2003 年 3 月止已有 18 个国家 40 个用户总计订购了 70 架 BA609。据预测，在未来 20 年 BA609 将 有 600~700 架的市场需求。[3] 图 3 BA609 倾转旋翼机（引自参考文献[1]） 1.3.3 欧洲倾转旋翼机 1987 年初，欧洲委员会资助了名为“尤洛法”（EuroFAR）的倾转旋翼运输机的可行性 与方案论证研究。欧直公司希望在 1998 年 10 月宣布的一项研究计划中能够利用上述的基础 工作，为此寻找其他的欧洲合作伙伴。欧直公司设想了一种 19~20 座、最大起飞重量为 25000kg 的倾转旋翼机，预计在 2015 年前后投人使用。1999 年初，在法国国防部的资助下 进行了倾转旋翼机军用潜力的研究。 1999 年，9 个欧洲国家的 33 家公司与欧直公司联合开始为总重为 10000kg，12~19 座暂 时命名“尤洛泰特”（ Eurotilt）的倾转旋翼机制造试验台、原打算在 2004~2005 年间飞行 原型机，2008 年投人使用。巡航速度 556km/h、航程 1481km 和实用升限 7620m。研制费用 估计 10. 5 亿美元。 与此同时，1999年7月意大利阿古斯塔公司宣布了一种10吨级20座名为“尤利卡”（Erica） 的倾转旋翼机，并向欧洲第 5 届框架研究计划寻求 9000 欧元经费以制造一架地面试验机
上海充通大学 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 【飞行器设计】课程大作业报告：民用倾转旋翼机设计 地面试验机制造好后将进行5年的试验，再用2年进行原型机的首飞。这项计划得到欧洲英、 德、意、西班牙、荷兰和瑞典等国16家公司的支持。 “尤利卡”在BA609和V-22的基础上进行了一些改进。两台发动机安装在两机翼内侧 下面，通过传动轴驱动翼尖的旋翼螺旋桨。机翼一半的外段随旋翼螺旋桨一起倾转，消除了 固定机翼对旋翼螺旋桨下洗流的阻塞效应，使垂直升力增加12%。这种改进使得能采用较 小直径的旋翼螺旋桨、增加巡航速度和进行常规的滑跑着陆，因为外侧机翼只要倾斜5~7° 就能避免旋翼螺旋桨碰到地面。 1999年10月，欧洲委员会不同意为竞争欧洲倾转旋翼机的各单个计划拨给经费，极力 主张“尤利卡”与“尤洛泰特”计划合并成一个共同研制计划。该计划称作“第二代欧洲高 效倾转旋翼机”(2 Gether)),由欧直、韦斯特兰和阿古斯塔公司于2000年3月31日向欧洲委 员会提交了计划方案。这顶计划设想在2000-2004年间投人9500万欧元研究费，2005年验 证机首飞，2010年开始批量生产。最初型号的最大起飞重量为10吨、载20名乘客，预计 2020年以后需要30座和更大的倾转旋翼机。) 第5页共57页
【飞行器设计】课程大作业报告：民用倾转旋翼机设计 第 5 页 共 57 页 地面试验机制造好后将进行5年的试验，再用2年进行原型机的首飞。这项计划得到欧洲英、 德、意、西班牙、荷兰和瑞典等国 16 家公司的支持。 “尤利卡”在 BA609 和 V-22 的基础上进行了一些改进。两台发动机安装在两机翼内侧 下面，通过传动轴驱动翼尖的旋翼螺旋桨。机翼一半的外段随旋翼螺旋桨一起倾转，消除了 固定机翼对旋翼螺旋桨下洗流的阻塞效应，使垂直升力增加 12%。这种改进使得能采用较 小直径的旋翼螺旋桨、增加巡航速度和进行常规的滑跑着陆，因为外侧机翼只要倾斜 5~7° 就能避免旋翼螺旋桨碰到地面。 1999 年 10 月，欧洲委员会不同意为竞争欧洲倾转旋翼机的各单个计划拨给经费，极力 主张“尤利卡”与“尤洛泰特”计划合并成一个共同研制计划。该计划称作“第二代欧洲高 效倾转旋翼机”(2Gether)，由欧直、韦斯特兰和阿古斯塔公司于 2000 年 3 月 31 日向欧洲委 员会提交了计划方案。这顶计划设想在 2000~2004 年间投人 9500 万欧元研究费，2005 年验 证机首飞，2010 年开始批量生产。最初型号的最大起飞重量为 10 吨、载 20 名乘客，预计 2020 年以后需要 30 座和更大的倾转旋翼机。[3]