倾转机翼为何再度兴起？
文摘
科技
2024-03-04 06:40
江苏
动力倾转方式包括倾转旋翼、倾转涵道、倾转机翼等等，这些构型各有优缺点，需要大量的探索工作进行了解。从1950年代开始，美国牵头开展了相应的倾转机翼验证机开发和试验，比如Vertol VZ-2、Hiller X-18、LTV XC-142、Canadair CL-84等。这些飞行器都是采用燃油动力，大量采用机械轴传动，没有现代的飞行控制技术，一路走得跌跌撞撞，其中CL-84相对而言技术成熟度更高些。到1980年代倾转机翼设计项目基本上全部中止。![]()
图↑ LTV XC-142
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图↑ Canadair CL-84
在经历30年的沉寂后，随着新技术（包括飞行控制技术、电动技术、复合材料结构设计技术、弹性和振动分析技术等）的不断进步，倾转机翼原有的一些致命缺点逐渐解决，具有优势的一些老技术也能再度发光发热。技术是在不断迭代螺旋上升的，比如第一辆量产的电动汽车是1894年生产出来的，电动汽车现在又再度成为热门。NASA从2013年开始研制和测试倾转机翼的GL-10验证机，完成了全过程试飞。该机采用10个高速螺旋桨（8个位于机翼前方，2个位于尾翼前方），机翼和尾翼均可倾转。机翼弦长较短，该机更偏向于推力矢量控制，最终实现了良好的巡航升阻比和倾转全过程有效控制能力，证明分布式电动采用倾转机翼是可行的。![]()
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图↑ NASA GL-10
之后NASA进一步开发了LA-8串列翼构型的倾转机翼验证机，这个是面向UAM应用的设计，低成本模块化试验平台，构型类似于VAHANA。LA-8后部机翼位置更高，相比GL-10构型，后翼受前方机翼的不利影响大幅度降低，该机也完成了全过程试飞。前后翼可独立控制，实现特殊姿态保持以及应对某些倾转机构卡死的故障模态。![]()
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图↑ NASA LA-8
NASA进行相关研究，主要是给缺少资金的eVTOL初创企业提供不同构型和配置情况下的实际数据支持，但目前数据库还未公开 。
欧洲也进行了相应的研究。2018年7月，Rolls-Royce发布过其倾转机翼飞行汽车概念，采用混合动力，与Cranfield大学合作，建造了小比例验证机，2020年进行了地面测试，并发布了相关研究报告。R-R曾经收购了西门子航空电机部门，似乎计划在电动航空领域大干一番，但是2023年底却宣布退出该领域。
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（1）悬停状态下，气流受机翼的阻滞效应最低，而倾转旋翼有时候因为机翼遮挡影响导致推力损失10%-20%甚至更高，如V-22；
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图↑ 气流阻滞区域（红色）
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图↑ 部分机翼与旋翼联动可减小悬停时气流阻滞
（2）悬停状态下，机翼上的舵面效率足够，可以用于偏航控制，无需依靠调整旋翼转速来改变机头指向；（3）不会出现两侧倾转角度不同步导致飞机失控的情况；（4）整个机翼的倾转活动机构只有一套（相对于分布式动力的倾转旋翼），可能的失效机构也更少，可靠性提高； （5）因为机翼迎角可变，比倾转旋翼可以更方便实现短距起降；
（6）从悬停转平飞时，由于螺旋桨一直在持续加速机翼气流，机翼将更早产生升力，完成悬停到平飞的转换比倾转旋翼来得更快（转换时间越短越安全）；（7）对于独立控制的倾转串列翼，可实现更多的姿态调整能力。![]()
图↑ 串列翼LA-8各翼倾转角度可独立控制
（1）垂直起降和悬停状态下机翼的门板效应明显，可能会出现抖动等问题，在大风情况下难以控制（但这个问题在现代先进电机、传感器和自动飞控的协同下逐渐弱化） ；（2）机翼倾转机构笨重复杂（尤其是机翼上安装有电池时），类似以前的变后掠翼机构，维护困难；（3）从平飞转换到垂直降落状态并快速下降时，机翼背部可能会出现大面积的失速分离流；
（4）需要增加尾部螺旋桨辅助起降和控制，或者其他办法（比如双机翼倾转、旋翼周期变距机构等）；
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图↑ CL-84的尾部螺旋桨
（5）动力要求高，动力对机翼气流加速明显才能更好体现优势；
（6）对于有多个机翼倾转的组合情况，振动和干扰问题、故障模态、控制复杂度可能出现数量级上升，设计不好将得不偿失。空客A3创新机构从2016年开始研发VAHANA，并进行了制造验证试飞，完成了转换飞行，于2019年停止发展。![]()
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图↑ VAHANA的两架样机
Dufour是瑞士公司，成立于2017年。参考Canadair CL-84的设计，飞机尾部有辅助螺旋桨或小型涵道，推出了多个版本倾转机翼飞行器，涵盖载人、载货。完成了验证机的全过程试飞测试。该公司产品命名混乱，目前优先发展无人货运型Aero 2。
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图↑ 载人型号
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图↑ 试飞的验证机
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图↑ 验证机尾部的小型涵道螺旋桨
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图↑ 验证机头部开盖方式
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图↑ 最终的货运型号Aero 2（注意尾翼变化）
美国公司，成立于2017年，已经获得了美国空军“敏捷至上”项目4份合同，并且是五角大楼HSVTOL（高速垂直起降）项目的5个中标者之一。Transcend Air的飞行器，总体设计方面与DAR Corp咨询公司合作，动力与GE合作，军事与IAI合作，制造与KAMAN合作，混合动力部分与Verdego合作，发布了一系列不同重量级的倾转机翼设计。采用涡轴发动机为动力，通过连杆轴机械驱动翼尖的螺旋桨，续航时间。尾部为电动螺旋桨（1个或多个），用于俯仰配平控制。该系列飞行器最大巡航速度从660km/h到850km/h不等。目前主推的Vy-421为8座，起飞重量5吨，最大速度782km/h，航程1600km。
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图↑ 试飞的验证机
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图↑ 各种量级的初步概念
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图↑ DAR公司提供软件和设计咨询服务
AMSL Aero公司2017年于澳大利亚悉尼成立。AMSL在2020年首次发布了 Vertiia串列倾转机翼设计方案，并展示了1:1样机。5座（以前资料是6座），速度300km/h，纯电航程250km，采用氢燃料超过1000km。该项目2023年获得澳大利亚政府543万澳元支持，加上之前的投资，累计已经获得了5000万澳元（相当于2.35亿人民币）的投资，只是当前进度比最初计划的推后了3年。![]()
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图↑ 概念图
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图↑ 2023年2月完成系留悬停首飞
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图↑ 澳大利亚政府投资
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图↑ ASX Sigma-6有些像尾坐式+吊舱
日本SLT（Sky Link Technologies）公司的设计，做了小比例验证机和风洞测试，从试飞效果看很不理想，暂无进一步信息。
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Lyte是英国2020年成立的初创公司，立志改变人们对eVTOL初创公司“很小”的固有看法。![]()
2023年3月，Lyte发布了大型串列倾转机翼LA-44 SkyBus（向AirBus看齐），40座级，参考了1950年代的英国著名的Rotodyne设计 ，并在积极寻找投资。目前其第一笔意向订单来自印度，因为印度地面交通非常不便，LA-44的大载重量是印度人民的福音。实际上大型飞机采用此构型不见得是合适的选择。![]()
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图↑ 概念设计LA-44
AeroHT一直在研究各种构型。2023年12月发布了X5悬停测试的视频和照片，构型与Airbus的VAHANA相似，但是采用了大量固定支架才能支持首飞，可见该验证机还存在不少问题待攻克。也可能跟此前几个内部型号类似，先尝试研究可行性，不合适就另寻他路。空客属于保守的，最后转向没有任何倾转机构的Cityairbus NextGen，而AEROHT属于激进派，估计会更靠近JOBY这类。
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图↑ 双倾转机翼的X5悬停测试（带加强结构）
Sikorsky公司2023年3月在直升机博览会上宣布在开发一个混合动力验证机，叫HEX（混合电动验证机）。直到2024年2月底才发布其倾转机翼概念设计（也许受到竞标美军直升机项目接连失利的影响）。总计有3种概念：HEX-VTOL（2个螺旋桨）、HEX-VTOL（4个螺旋桨）、HEX-H（直升机）。第一个HEX由Sikorsky Innovations与GE Aerospace联合开发，起飞重量超过4吨，航程超过900km，采用涡轴发电，1200kW，预计2026年试飞。未来可能会研发一系列的飞行器，而且这些飞行器均采用MATRIX自主驾驶。Sikorsky并非没有固定翼开发经验，只是直升机是其最强项。公司创始人Sikorsky是俄罗斯移民，1923年3月5日成立公司，到现在101年。最开始是开发研制多引擎飞机，1940年代转向直升机领域。还有S-72等复合直升机，包括后面的S-97等。![]()
图↑ 曾经创造10项世界纪录的S-42水上飞机
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图↑ S-72
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图↑ HEX-VTOL（2个螺旋桨）
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图↑ HEX-VTOL（4个螺旋桨）
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图↑ HEX-H（混合动力直升机）
