# 寫在前面
美國在重型直升機方向上的投入首先是為了其制霸全球的軍事戰略野心，在重型直升機的研製過程中，美國成功製造出了世界上首型進入量產的傾轉旋翼機——V-22魚鷹，在魚鷹的研製和使用中，美國軍方和生產商等都積累了大量的寶貴經驗，為了將這種尖端技術推廣到民用領域，美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration；NASA）在“重型運輸系統研究項目”之下，大力推進大型民用傾轉旋翼機技術。
圖——NASA的未來空域構成概念
眾所周知，軍民融合發展戰略現在已經是我國的國家戰略，而美國在這方面早就是輕車熟路，據美國國會報告顯示，美國國防科技工業體系所採用的軍民融合戰略每年能夠為節約將近300億美元的開支，大約相當於260架F-35B的總額。這也是NASA如此看重民用傾轉旋翼技術轉化的原因，既能推動技術的進一步發展，又能反哺軍需，何樂而不為？
本文就將從研製動機、大型民用傾轉旋翼概念機的設計特點和技術參數兩個方面介紹NASA的這一項目，與諸君共賞。
圖——造價昂貴的F-35B
本號持續針對空天領域理論、設計、未來等相關內容進行深度解讀，感興趣的讀者歡迎關注。
# 研製動機
NASA開展大型民用傾轉旋翼機技術（Large Civil Tilt Rotor；LCTR）研究的最初動力源於充分利用下一代空域系統的需求。NASA蘭利研究中心亞聲速旋翼機項目首席研究員表示，空域的充分利用不僅與空中交通管制有關，也與空運效率和飛行器平臺有關。
真正推動NASA民用傾轉旋翼機項目付諸實踐的是NASA於2005年啟動的另一個項目——重型運輸系統研究項目。該項目旨在研究下一代重型旋翼機結構的飛行器，項目又分軍用和民用兩個部分。軍用部分的主要目的是在美國現有的軍用旋翼機的基礎上進一步開發出航程更遠、載重更大、性能更為可靠的下一代大型軍用運輸飛行器，該計劃直接催生了“多用途重型運輸旋翼機”項目。民用部分的主要目的是研發一種未來垂直短距起降飛行器，用以解決機場擁堵問題。民用部分最初有3種方案，分別是大型民用傾轉旋翼機（Large Civil Tilt Rotor.，LCTR）、大型民用縱列複合式旋翼機（Large Civil Tandem Compound，LCTC）和大型前行槳葉概念（Large Advancing Blade Concept，LABC），經過一番角逐，LCTR最終以巡航效率最佳、重量最輕和成本最低等優勢勝出，成為NASA未來垂直短距起降飛行器項目的主要研究方向。
圖——NASA最初構想的多種可行方案，民用版最終傾轉旋翼勝出
# LCTR的設計特點和技術參數
第二代大型民用傾轉旋翼機（Large Civil Tilt Rotor Gen 2，LCTR2）旨在取代中短航程的支線飛機，設計航程為1853千米或更遠，載客數至少為90名，最低飛行速度為555千米/時，具有短距垂直起降能力，燃油消耗率是現有飛機的一半或更低。LCTR2只需要在現有機場內設置一個直升機起降臺即可，其目的是將中短程空中交通運輸與主跑道分離，將跑道讓給體型更大、航程更遠的飛機使用。採用這種大型垂直起降飛行器之後，無需修建新跑道或擴建機場，便可有效改善空域體系的容量。
圖——LCTR2 三視尺寸圖
LCTR2在第一代的基礎上，經過大量的改進和完善，在氣動佈局、動力設備、控制裝置等方面的性能有了顯著提高。減小懸停時的槳尖速度是為了獲得更低的噪聲，而非常低的巡航槳尖速度將有助於提高巡航時的效能，先進的發動機將油耗維持在較低水平，而先進的複合材料結構也大大減輕了機身重量，另外還計劃在機上採用主動振動控制裝置。這些要求對於設計人員來說，都是巨大的挑戰，還需要對成本、收益以及設計權衡等方面進行詳細評估。
圖——LCTR2 的概念設計圖
通過定義LCTR2的基本特徵，NASA希望能明確該項目所需解決的主要技術。這些技術包括增大推力和氣動效率、減小環境噪聲、乘客可接受並與噴氣支線客機相當的客艙噪聲、可融入現有空管系統的能力、飛行安全、抗墜毀性、可維護和可操作性，這些技術又被整合為4個主要部分：綜合氣動推進系統、主動控制的高效旋翼、安靜客艙、下一代旋翼機。
- 綜合氣動推進系統：該系統是驗證實現可變速旋翼技術的可行性。傳統旋翼機的旋翼只能在正常轉速附近很小的範圍內變動，可變速旋翼的轉速範圍要寬很多，由此帶來的優勢包括：巡航速度提高、懸停效率更高、噪聲降低及重量減輕。該系統的目標是在不損失推進效率的情況下將懸停和巡航時的旋翼轉速降低50%。
圖——LCTR2 傳動系統示意圖
- 主動控制的高效旋翼：以目前的主動旋翼研究為基礎，包括獨立槳葉控制項目和波音公司、美國陸軍、馬里蘭大學、麻省理工學院以及國防部的智能材料作動旋翼技術項目。主動旋翼研究的目的是控制槳葉的動態失速並減少振動和噪聲，同時增大總體氣動效率。NASA相信該技術可使LCTR2的時速提高185千米，且噪聲維持在現有水平。
圖——旋翼/機翼前飛干擾流場計算示意圖
- 安靜客艙：研究的目的是開發可減少客艙內噪聲與振動的結構概念和設計與評估方法。該項目的複雜性在於要考慮不同頻率的影響，同時還不能超重。來自槳葉和發動機的噪聲可以在空氣、艙壁和其他介質中傳遞，以直升機為例，降噪要付出很大的重量代價。項目還包括尋找既不影響有效載荷又可減少噪聲的新材料。
- 下一代旋翼機：研究重點是讓該大型旋翼機能融入空運系統的技術，包括旋翼機性能、全天候能力、防冰性能、抗墜毀性，以及更快、更安靜和主動維護能力。
參與研究的機構包括NASA的艾姆斯、蘭利和格倫研究中心，以及佐治亞技術研究所、賓夕法尼亞州立大學、馬里蘭大學等，還與位於艾姆斯研究中心的美國陸軍空中飛行動力學部開展了技術合作，已經開始進行或完成的研究包括：旋翼/機翼尾流建模；轉彎性能魯棒準則定義；槳葉扭轉與尖削比優化；機翼/旋翼氣彈穩定性以及飛行動力學研究；巡航槳尖速度優化（包括旋翼/機翼氣動干擾效應研究）；可變轉速傳動以及變速發動機之間的技術權衡；執行操縱品質仿真；幾何外形固定和可變的帶2、3、4級動力渦輪的發動機比較；風洞試驗以獲取性能和飛行動力學數據。
圖——LCTR2 擬採用發動機概念圖
NASA計劃於2020年完成大型民用傾轉旋翼機的研究並開發出驗證機，用於城市之間、安靜高效的垂直起降支線客機將成為可能。
儘管面臨較大的環境、市場、技術和財務等方面的風險和挑戰，同時作為新機型，研製週期長、投入大、不確定因素也較多，但美國政府推進大型民用傾轉旋翼機的決心並未動搖，除了傾轉旋翼機與生俱來的優勢外，還因為軍用傾轉旋翼機取得的成功，且LCTR2項目讓美國看到了其航空技術再次全面領先的希望。
大型民用傾轉旋翼機是對固定翼飛機很好的補充，LCTR2項目一旦取得商業成功，市場上將出現不依賴或低依賴機場的新型大型民機，這是解決未來機場堵塞問題的良方。而且隨著其技術的不斷髮展和完善，這種旋翼機的定位將不會停留在支線市場，現役的所有固定翼飛機都將是挑戰目標。LCTR2基本型的出廠價預計為6190萬美元。
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