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本帖最后由 晨枫 于 2016-3-15 09:41 编辑 2 X; f6 v; t0 |- K& p3 G
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在F-35“闪电II”战斗机之前，MV-22“鱼鹰”直升机是美国近年来最受争议的作战飞机，是拖延、超支的坏榜样，被前国防部长切尼命令下马，如果不是美国国会死保，本来已经寿终正寝了。但MV-22是很独特的飞机，几经磨难之后，现在大批装备美国海军陆战队，成为两栖作战中垂直登陆的主力。' @/ J/ l1 {1 ^8 f v+ H4 o7 H
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在1980年的伊朗人质救援行动中，美国直升机速度与航程不足的问题充分暴露出来。人质营救本来就是十分复杂的作战，如果当年使用的是MV-22，从阿拉伯海的航母到德黑兰的美国大使馆来回飞行就不需要落地加油，至少减少了行动中的最大变数。1981年，美国国防部指令启动JVX计划，研究远程、高速直升机技术，美国海军陆战队对JVX的热情最高。直升机一出现，美国海军陆战队就是热情的追随者，这是因为二战式的密集船队集群抢滩在核战争条件下已经不可行，拥挤在滩头的密集船队和车辆、人员是战术核打击的最好目标。直升机的垂直登陆不仅速度快，不受水际滩头障碍和滩岸条件影响，而且容许在宽广战线上从地平线以外的远海直接到浅近内陆进行快速输送，是两栖作战的理想运输工具。多年来，串列双旋翼的CH-46是美国海军陆战队的运兵主力，MV-22具有更高的速度和航程，计划用来替换CH-46。1 {! y# B' n3 ?* P- ?
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在JVX计划期间，贝尔联合波音伏托尔，以贝尔XV-15研究机的技术投标。贝尔是直升机世界的老字号，越战期间大名鼎鼎的UH-1“休伊”就是贝尔的产品。伏托尔是波音的直升机分部（购入麦道直升机后，现在合并称为波音直升机），擅长大中型直升机，美国陆军的CH-47和海军陆战队的CH-46都是波音伏托尔的产品，拉进来有助于借用波音伏托尔熟悉海军陆战队使用要求的优势。贝尔-波音是JVX唯一应标者，自然入选。1985年，JVX正式定名为V-22，计划包括海军陆战队运输型MV-22、空军战斗搜救型CV-22、海军反潜型SV-22和海上搜救型HV-22、陆军运输型UV-22和电子战型EV-22。陆军和海军相继退出，最后只有MV-22和CV-22成为现实。
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! ?) v0 [. l) l( S- B- x第一架MV-22在1988年装配完成下线，1989年3月19日首飞，但要到18年后的2007年6月13日才正式投入使用，严重的超支、拖延部分由于MV-22的独特技术。
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+ j" n# S. Z9 ]; s" GMV-22采用独特的倾转旋翼技术，可以在螺旋桨状态和旋翼状态平滑过渡。在螺旋桨状态时，相当于螺旋桨推进的固定翼飞机，可以获得较高的速度和较低的油耗；在旋翼状态，相当于直升机，可以垂直起落和悬停，并有前飞、后飞、侧飞等非常规飞行能力。应该说，倾转旋翼的概念很精妙，但恶魔总是在细节之中。6 F' I4 x- x3 y& s1 `5 C' n4 A U7 Q, |
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前飞状态下，桨盘（桨叶圆周运动构成的虚拟圆盘）应该较小，用较高的桨盘载荷（推力与桨盘面积之比，相当于固定翼飞机的翼载）产生足够推力，这样阻力较小；垂直起落状态下，桨盘应该较大，用较低的桨盘载荷产生升力，这样产生的升力大而且稳定。倾转旋翼需要适应两者情况，桨盘只能折中。这对螺旋桨状态只是油耗和速度的问题，对旋翼状态就有桨盘载荷过高的问题，在正常情况下还好，但遇到问题就容易发生升力不足或者其他异常现象，首当其冲的就是涡流环问题。也就是说，猛然加大升力（不管是增加转速还是增加桨叶弯度）时，气流不是平顺地向下流动，而是绕过叶尖回流上来，形成气流“短路”，造成升力损失，好像汽车轮胎陷在泥浆里打滑一样，越增加马力打滑越严重。涡流环问题对所有旋翼都可能产生，但桨盘载荷较高的情况下更加容易发生。( ^0 q% V2 |9 F- y; }# U
) I) C. {$ r$ ]1 B `0 ?/ xMV-22在早期受到涡流环问题的严重影响，接连发生机毁人亡的恶性事故。在海军陆战队的垂直登陆战术中，直升机应该快速进入战斗地域上空，然后速停速降，放下陆战队员后，快速升空撤离。原则是尽量缩短在敌人火力下的暴露时间。但涡流环问题在垂直速降阶段特别容易发生，直接影响飞行安全，只能改用需要时间较长的带短滑跑的倾斜速降（简称RVL），增加敌人火力下的暴露时间总比直接坠毁要强。严格执行RVL可以大大减少涡流环的危险，这已经成为海军陆战队的标准做法了。但在5月17日的一次训练飞行中，夏威夷的海军陆战队MV-22发现了新的问题，这一次是发动机吸砂。, [$ Z, J. \, ^7 u
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直升机在起飞、着陆、悬停中离地很近的时候，强大的下洗气流卷起地面杂物，容易被吸入发动机，造成故障。直升机发动机都有异物保护装置，一般是纱网式，和口罩一样的原理。MV-22的罗尔斯•罗伊斯T406发动机是有异物保护的，但显然效果不够好。在5月17日的一次训练飞行中，一架第15远征队的MV-22满载22名士兵在瓦胡岛上的贝娄空军基地做第二次RVL着陆，在离地约45米的低空，突然发生左发动机压缩机喘振，紧接着左发动机失去推力。左右发动机之间的联动轴正确工作，飞行员试图保持高度，但飞机依然不可控制地下坠。在事故中，两名飞行员受伤，两名海军陆战队人员丧生，另有18人受伤。紧跟着事故飞机的第二架飞机也差点坠毁。. Z$ c, @- Z$ W0 B. {7 L' c- ^& u/ F
/ ^/ D* a+ ?; w4 M6 ~% _事故初步调查报告指出，发动机吸入沙土是肇事原因，含钙、锰、铝、硅的沙土（沙的主要成分是二氧化硅）在燃烧室内的高温下融化，导致玻璃状物体在涡轮叶片和导流片结构上沉积，造成严重气流堵塞，最后导致左发动机喘振。喘振是危险的工作状态，在涡轮压缩机进气受阻时，已经压缩的空气可以逆向流动，造成剧烈的压力波动，严重时可导致完全丧失压缩能力甚至机械损坏。
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6 c+ f8 f% G2 ^$ [' |MV-22采用两台发动机，分别安装在两侧翼尖。在垂直起落过程中，一旦一台发动机损坏，不对称的升力将导致立刻失控翻转，所以左右旋翼在任何时候都由交联的联动轴机械连接，即使有一台发动机失效也确保同步转动。在夏威夷事故中，联动轴正常工作，所以没有发生翻转失控的问题。但在快速下降的过程中丧失了左发动机的推力，飞行员只有大大增加右发动机的推力来控制下滑速度，但发动机控制的一个功能使得飞行员的意图实现不了。
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% A" e3 Z' o2 U% n) P mMV-22的发动机在两侧翼尖位置，这是对飞机横滚稳定性最糟糕的位置，好比扁担两头挑着两桶水。为此，发动机既要功率大，又要体积小、重量轻，结果是相对于发动机的体积、重量而言，发动机出力高于寻常，热工参数特别高。材料和技术过关的话，这其实是技术过硬的表现，问题是热工参数太高导致喘振余量减小，操作不能太泼辣。在发动机数字控制律中，大幅度增加功率要求的时候，首先保证发动机不会喘振，其次才保证旋翼扭力。换句话说，在接近喘振极限的时候，不惜降低桨叶弯度以降低扭力，也要保证发动机转速。对于飞行员来说，这就是在猛然加油门的时候，发动机出力要有一个过程才能升上来，在特定组合的情况下还可能在瞬间略有下降然后再上升。可以想象，飞行员在千钧一发的时候，最痛恨的就是功率要有一个过程才能升上来，瞬时的短暂下降更是要命的。但这不是工程师不切实际的拍脑袋，而是两难中的艰难选择。不这么做，发动机很可能进入喘振，那就彻底完了。在夏威夷事故中，发动机最后还是进入了喘振，倒霉的机组已经不可能挽救了。8 W% k9 \. E0 B( }& [1 T
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这也不是贝尔-波音脱离实际，凭空设计。MV-22在设计中是考虑到沙尘分离问题的，但效果显然没有达到要求。MV-22的优点在很大程度上造就了问题，涡流环问题是由于旋翼的桨盘载荷过高，沙尘分离问题则是由于发动机和旋翼的相互位置。常规直升机的发动机和旋翼是分开布置的，发动机固定在机身结构某处，通常在机身顶部，然后通过伞齿轮和减速箱与旋翼连接。由于发动机和旋翼在物理上分离，发动机进气口安装纱网过滤装置很容易，必要的时候可以加大和使用多层纱网，安装空间一般不是问题。MV-22不一样，发动机和旋翼是紧耦合的，两者之间没有安装传统纱网的位置。更大的问题在于MV-22的速度。纱网的压力损失较大，但常规直升机的速度不高，纱网压力损失的问题不严重。MV-22的速度接近两倍于常规直升机，使用纱网好比迫使运动员带着口罩赛跑，动力损失很大。( k- b/ }1 Z' Y# ]
- f6 z) l& a0 F$ X' @+ T7 E贝尔-波音提出用浸油的棉纱作为空气滤清器的填料，提高吸附沙尘的效率，但在高空干净空气高速飞行时，打开旁通空气回路，增加空气流量。这个方案已经验证性试飞50小时，但要到2017年才可能完成正式设计和开始测试有效性。贝尔声称，可以提高发动机寿命8倍。% k' {8 s5 V! H. c3 j
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即使沙尘不至于造成发动机喘振，沙尘对发动机寿命的影响依然很大，玻璃状沉积物必须定时在发动机大修中清除。CH-47F的霍尼韦尔T55发动机大修间隔是3000小时，但2011年时MV-22的罗尔斯•罗伊斯T406在阿富汗战区“翼上”时间平均为100-200小时，也就是说，每100-200小时就需要把发动机从翼尖位置拆下来大修。算上在其他更干净、更轻松的使用环境，如在海上的两栖攻击舰上或者在铺装良好而且干净的机场，全机队的“翼上”时间平均为560小时。几年下来，发动机可靠性有了进一步提高，但依然只有861小时。早在2007年，陆战队就有换发动机的想法，但2014年8月，美国海军（代管海军陆战队的装备采购和飞行安全）终于向工业界发出征询，了解适用产品的情况。通用电气是唯一有资格应征的公司，通用电气T406（用于CH-53K）是唯一达到罗尔斯•罗伊斯T406同等功率级的涡轴发动机，但真正的换发还遥遥无期。
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夏威夷事故不是与发动机吸砂有关的唯一事故。美国海军飞行安全当局在调查中，还发现3起与发动机吸砂有关的事故，其中一起事故在飞机坠地后起火烧毁。2010年4月，美国空军一架CV-22在战斗搜救作业中，也发生了类似问题，飞机在约60米高度突然发生超过600米/分的急剧下降，飞行员被迫试图短滑跑着陆，但撞入一条沟渠后前起落架折断，飞机毁坏，4人丧生，其中包括飞行员、飞行机械师、另一美军机上人员和一名文职人员，16人受伤，其中包括副驾驶，受伤后失忆。救援队未能取回黑盒子，飞机坠毁在塔利班控制地区，美国空军随后出动飞机轰炸，销毁残骸，所以事故调查完全凭当时在场的另一架飞机上拍摄的视频。美国空军开始时结论是飞行员错误，现在倾向于认为也是由于发动机吸砂而造成喘振而失去升力，最后坠毁。/ e. [$ K. y, I$ j# I, Z; f0 ]
9 T3 Y6 y+ S$ }. ^" V* ]' L在没有更正式的解决办法之前，美国海军飞行安全当局决定，在高沙尘环境进行RVL时，从降落到离去（包括在地面发动机保持运转的时间）的总时间不得超过60秒，夏威夷事故是在高沙尘环境110秒后发生问题的，减半得到安全工作时间。高沙尘状态从45米低空和20节一下速度开始计算。在地面时，可以发动机前倾75度以减少吸入沙尘。另外，在高沙尘环境使用后，应该对发动机热端用高压水清洗。, {/ l& c7 ?4 v: _
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本来RVL已经是为了涡流环问题而做出的牺牲，带一点前进速度的倾斜降落需要更大的着陆场，也增加敌人火力下的暴露时间。但在地面时发动机还要前倾75度，对士兵的影响更大。MV-22只有尾门可以进出，本来高桨盘载荷就是的下洗气流集中、强烈，向后吹拂在减少发动机吸入的同时，吹向士兵进出飞机的方向，除了有天然的烟幕作用，对在匆忙中登机、离机的士兵不是好消息。MV-22在纽约中央公园向公众展示时，强烈下洗气流吹起的树枝、碎石曾打伤若干观众。航空展示中观众都被隔离到一定距离之外，登机、离机的士兵就近在眼前了。/ w+ {3 j1 n( m. c
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60秒时间限制也可能造成战术使用上的问题。直升机在敌前降落、起飞都是时间越短越好，但地形、敌情有时候要求在最后一秒钟改主意，高沙尘环境看不清地面和敌情的时候尤其如此。拉起后重新进入不一定有这个时间，但要抢在敌人前面又需要冒发动机吸入过量沙尘而喘振的危险。最糟糕的是，海军陆战队经常需要在高沙尘的环境下作战，除了芳草茵茵或者有沥青或者混凝土铺装的地方，大部分适合直升机起落的平地都是砂土地，MV-22发动机吸砂问题不解决，将严重影响战斗力。高压水清洗是一个奇怪的规定，浮灰可以冲掉，但一般来说，玻璃化的沉积物用水是清洗不掉的。美国海军用打碎的核桃壳混在高压水里，冲洗舰载飞机发动机的热端，但那能冲掉积盐，对于更加坚硬、吸附更加牢固的玻璃状沉积物就不一定有用了。T406的压气机和涡轮叶片也有不耐腐蚀的问题，美国海军使用新型涂层，有望解决这个问题，但玻璃花沉积物不是涂层能解决的问题。
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; A9 }% B7 a# H' \MV-22因为采用了革命性的新技术，也遇到了前所未有的新问题，为此做出很多设计上的折中除了上面提到的，MV-22还不能做自旋着陆。自旋着陆是直升机特有的飞行模式，在发动机停车后，可在重力和气动作用下，旋翼像风车一样旋转，提供一定的升力，降低坠落的速度，在很多时候可以挽救乘员的生命。但MV-22的桨盘载荷高，无法做有效的自旋着陆，所以在设计要求中就取消了这一要求。事实上，如果MV-22有自旋着陆能力的话，夏威夷事故中的飞机或许不一定会坠毁，在阿富汗的CV-22也或许可以保全。; H' S( `1 U) C
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MV-22是可贵的尝试，有些基本设计导致的本质问题很难解决，但这不等于倾转旋翼的概念就是不可取的。在美国下一代直升机JMR计划中，贝尔提出的V-280“勇敢”在保留倾转旋翼的基础上，大胆改动了很多基本设计。首先，翼尖发动机不再倾转，而是固定在翼尖位置。不再需要整个沉重的发动机短舱和旋翼一起倾转大大简化了机械设计，但神来之笔是旋翼的倾转和传动方式。一般的螺旋桨飞机的动力传动路线是一直线的，发动机在轴线延长线上直接驱动螺旋桨；一般直升机的动力传动路线是L形的，发动机轴线是水平的，但通过伞齿轮转弯90度，把动力传递到顶上的旋翼。在MV-22上，发动机短舱带动旋翼一起倾转，这避免了动力轴与旋翼之间无级改变倾转角度的机械设计困难，但V-280一改思路，动力传动路线是独特的Z形。发动机的动力水平首先向内横向传递，这只是把通常直升机的L形动力传递路线“倒”到水平，没有技术难度。巧妙之处在第二步，水平向内的转轴用伞齿轮再把动力转弯90度传递到水平向前的旋翼转轴，这是Z形的第二拐，这也没有技术难度；但这第二拐的关节是活动的，旋翼转轴可以围绕转动支点向上倾转90度（实际上可以超过90度，倾转到后仰的角度），而对与伞齿轮来说，动力传递关系不变，只是主动轮和被动轮的传动平面随之倾转。这是大大简化的倾转设计，转动部分的重量大大降低，可靠性提高，还有很多使用上的好处。* v3 a: V& G! W4 ^3 V
7 { }8 q6 D% Q. N5 a0 U; L; [$ W; ~在MV-22的使用中，一个问题是发动机炽热喷气对地面的烧蚀。T406发动机的喷气温度本来就较高，在起飞和着陆状态下，喷口接近地面垂直往下吹拂，喷流的热量非常集中。V-280的发动机是固定的，喷流水平向后，离地较高，就没有这个问题。MV-22起飞、着陆时发动机倾转的另一个问题是遮挡侧向射界，MV-22不可能像常规直升机一样，通过侧门机枪为登机和离机的士兵提供火力掩护。V-280没有这个问题，不仅可以安装侧门机枪，士兵还可以从侧门进出，大大加快登机、离机。V-280两侧都开侧门，不仅增加战术灵活性，也使得尾门根本没有必要，除非用于装卸车辆、货物。
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: ]! i6 i) t8 h; L& j2 N; u2 S由于发动机与旋翼分离，V-280也容易在发动机进气口安装沙尘分离装置，多层纱网或者进气旁通都有空间可以安装。但V-280没有解决MV-22的所有问题，旋翼直径有所加大，但桨盘载荷依然较高。现在还不清楚V-280是否彻底解决了涡流环问题，但应该有更多的考虑，至少放宽使用容限。
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倾转旋翼是很有吸引力的概念，但MV-22也证明了倾转旋翼概念的成熟应用难度很大。MV-22之后没有别的倾转旋翼直升机，充分说明了这条路的艰难和前景不明。V-280把倾转旋翼的概念大大推进了一步，可能唤起倾转旋翼的第二春，只是这一步对已经大量服役的MV-22来得有点晚了。
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雷达卡
发表于 2016-3-14 11:14:59
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