一、引言
在上世纪80年代初，美国的倾转旋翼工程师碰上了困难——XV-15的设计团队在试飞中逐渐发现，XV-15的金属桨叶在更高负载能力和更大航程需求下，暴露出明显不足......
XV-15是NASA、美国陆军和贝尔直升机公司联合开发的一款倾转旋翼实验机，旨在验证倾转旋翼的可行性和应用潜力。
△ XV-15倾转旋翼机的艺术概念图（图：McVeign，1983）
从20世纪70年代开始，XV-15已经成功完成了多次试飞，验证了倾转旋翼在垂直起降和高速飞行上的独特优势。然而，随着需求的不断增长，XV-15的旋翼也面临更高的桨叶载荷要求和飞行效率的挑战，设计师们发现，传统的金属桨叶逐渐无法满足这些需求。
为了提升XV-15的载荷能力和飞行效率，研究人员着手开发先进复合材料倾转旋翼桨叶，并希望通过优化桨叶设计来改善XV-15的整体性能，从而推动倾转旋翼技术的进一步发展和应用。
如何在不改变旋翼尺寸和功率限制的前提下，提高倾转旋翼在不同飞行模式下的效率？这是XV-15桨叶优化设计研究的核心问题。
研究人员希望通过改进桨叶材料、优化弦长和扭转分布，实现提升静拉力和巡航效率的目标。这一问题的解决将不仅提升XV-15的性能，也为倾转旋翼技术的未来发展奠定重要基础。
二、倾转旋翼的设计挑战
倾转旋翼的独特之处在于其需要/能够在悬停和巡航两种飞行模式之间灵活切换。
悬停模式类似于直升机，旋翼垂直向下产生足够的升力，使倾转旋翼机能稳稳悬停或进行垂直起降；而在巡航模式中，旋翼前倾，变成向前的拉力来源，这时飞行器更像是固定翼飞机，旋翼更像是推进螺旋桨，因而能够实现更高的巡航速度。
也正因如此，倾转旋翼必须同时兼顾两种截然不同的飞行需求。
这种多模式飞行的需求带来了极大的设计挑战：旋翼不仅需要在悬停时提供足够的拉力以支持飞行器重量，还要在巡航状态下尽可能减少气动阻力，确保飞行器能高效地达到更高的巡航速度。
△ XV-15倾转旋翼机准备降落（图：美国海岸警卫队）
这种需要在多个飞行状态间切换的设计，使得倾转旋翼的桨叶在气动、结构和材料上都面临着复杂的需求，尤其是在保证高效性和稳定性的同时，还需确保桨叶能经受住复杂飞行环境中的载荷和气流影响。
为了在悬停和巡航模式之间取得平衡，设计师必须在不同飞行状态下对桨叶形状、扭转角和翼型选择做出权衡。
在悬停模式下，桨叶需要较大的升力以支持飞行器的重量，因此弦长通常较大、扭转角较高，以确保旋翼在低速条件下产生充足的拉力。
然而，在巡航模式下，高升力的设计则会导致过大的空气阻力，影响飞行速度。因此，为了在不牺牲悬停能力的前提下提升巡航效率，设计必须在这两者之间寻找一个最佳的平衡点。
因此，XV-15的桨叶设计需要在满足悬停和巡航效率之间找到最佳妥协，保证旋翼既能在低速悬停时高效运作，又能在高速巡航时保持较低的阻力。
这对桨叶的外形设计提出了较高的要求，而当时的金属桨叶制造工艺水平，很难满足这样的权衡需求。
三、金属桨叶的局限与复合材料的引入
XV-15的初始旋翼桨叶采用传统金属材料。
虽然金属桨叶具有较高的强度和耐用性，但在面临不断增长的载荷和性能需求时，金属材料的局限逐渐显现出来。
△ 早期直升机桨叶（米-1，图：Tuesday Club）
首先，金属材料的密度较大，导致桨叶的整体重量较重，这对倾转旋翼飞机的载荷能力和燃油效率产生了不利影响。
其次，金属桨叶的设计往往在材料的强度限制下较为保守，难以通过更复杂的形状或扭转调整来优化性能，尤其是在多模式飞行（悬停和巡航）之间找到最佳平衡的能力较差。
此外，金属材料的疲劳性能在高载荷周期变化中容易劣化，可能导致桨叶在长期使用下出现裂纹或其他疲劳损伤，影响飞行器的安全性和使用寿命。
因此，尽管金属桨叶在设计之初满足了XV-15的基本性能要求，但随着载荷要求和飞行需求的提升，金属桨叶逐渐难以应对这些新的挑战。
这就促使研究人员开始探索一种新的桨叶材料，以在不牺牲结构强度的情况下减轻桨叶重量并优化其气动性能。
复合材料因其优越的强度重量比和灵活的设计特性，成为替代金属桨叶的理想选择。
相比金属，复合材料不仅更轻，能够显著减轻旋翼桨叶的自重，还可以通过灵活的材料层设计在不同的桨叶部位实现差异化的强度和刚度分布，从而更好地适应多模式飞行的需求。
△ 现代化复合材料直升机桨叶（图：空客直升机）
设计人员发现，在桨叶的根部和中段可以使用更厚的材料层，以增强在悬停状态下所需的高强度和耐久性；而在桨叶的外段和桨尖则使用较轻薄的材料层，以减小巡航状态下的空气阻力，提高整体飞行效率。
此外，复合材料在结构设计上的灵活性允许设计人员调整桨叶的形状和扭转角，以实现更复杂的外形优化。
相比金属桨叶只能采取简单的弦长和扭转调整，复合材料桨叶可以通过局部微调来满足更精细的性能需求，这对于XV-15这种需要在悬停和巡航之间进行切换的飞行器尤为重要。
更高的结构灵活性和减重优势，使得复合材料桨叶在保证强度的同时，也能提高XV-15的静拉力和巡航效率，满足更高的飞行性能要求。
从这些角度来说，复合材料桨叶的引入，不仅是材料的更新，更是桨叶设计的一次飞跃。
四、研究的核心设计方案
在优化倾转旋翼桨叶时，两个最关键的设计变量是展向弦长分布和扭转角分布。
展向弦长是桨叶从根部到桨尖的宽度变化，它直接影响旋翼的升力分布。为了在悬停状态下提供足够的升力，桨叶根部和中段需要更大的弦长，这样可以产生更多的升力支持飞行器的重量；而在巡航模式中，较大的弦长会增加空气阻力，因此在桨尖处缩小弦长可以有效降低阻力，提升巡航效率。
而扭转角分布则影响旋翼在不同半径处的攻角分布，优化后的桨叶扭转角逐渐增大，尤其在桨叶的根部和中段，这样可以在悬停状态下提升桨叶的拉力。在巡航状态中，扭转角分布会适当调整，以匹配低阻力需求，从而在高速前进中保持气动效率。
△ 不同根部弦长和扭度情况下，XV-15的起飞重量差异（图：McVeign，1983）
XV-15的复合材料旋翼设计中，研究人员选用了不同类型的翼型组合，以满足悬停和巡航状态下不同的气动需求。
研究中，桨叶根部、中段和桨尖区域分别采用了不同翼型，这些翼型的选择经过了严密的分析和验证。
具体来说，在桨叶根部和中段使用了具有更大弯度的翼型，以在低速状态下提供较大的升力；而在桨叶桨尖处则采用更适合高速飞行的翼型，以减少巡航状态下的阻力。
这种分段优化的翼型选择，使桨叶在多种飞行状态下均能表现出色，最大限度地提升了桨叶在悬停和巡航两种模式下的效率。
△ XV-15倾转旋翼机ATB桨叶的几何外形（图：McVeign，1983）
其中，VR-7和VR-8等高级翼型的引入，是设计中的一大亮点。这些翼型具备良好的升阻比特性，特别是在高升力需求的悬停模式下，能够延迟桨叶的阻力上升，有效降低诱导阻力，提升旋翼效率。
这些翼型的成功应用，为XV-15桨叶在气动设计上的优化提供了坚实的技术基础。
五、气动设计优化的过程
在优化XV-15倾转旋翼桨叶的过程中，研究团队主要采用了理论分析与手动调节结合的方法。
这种方法包括了从初步设计到细化调整的多个阶段，目的是确保旋翼能够在悬停和巡航两种状态下都具有良好的气动性能。
研究团队首先使用了动量叶素理论（BEMT）来对桨叶的气动特性进行基础分析，得到展向弦长分布和扭转角分布的初始配置，然后在此基础上通过手动调整，找到最能平衡悬停和巡航性能的优化方案。
整个优化过程分为三个主要步骤：
初步设计阶段：在初期阶段，研究人员运用理论分析确定旋翼桨叶的基本形状。通过计算不同展向弦长和扭转角分布下的气动性能，初步获得了一些符合要求的方案。这一阶段的目标是定义出符合悬停模式和巡航模式下的旋翼参数范围。
细化调节阶段：在得到初步方案后，研究人员开始通过手动微调展向弦长和扭转角分布，对桨叶的几何形状进行优化，使其在多种飞行条件下均能保持较高的效率。这个阶段特别关注旋翼的静拉力裕度和巡航阻力，并采用不同的翼型组合（如VR-7、VR-8等）在根部和桨尖进行分布，以提升悬停效率和巡航速度。
仿真验证阶段：完成优化设计后，研究团队通过数值仿真和风洞试验对设计结果进行了验证。这一阶段的目的是确保旋翼在真实飞行条件下能满足多种状态下的性能需求。仿真结果表明，优化后的复合材料桨叶在悬停和巡航效率上显著优于原始的金属桨叶设计。
倾转旋翼的最大挑战之一是如何在悬停和巡航之间取得平衡。为了在这两种模式下同时获得较高的效率，研究团队在优化过程中采取了“折中策略”。
△ 最终版本的XV-15倾转旋翼机ATB桨叶外形示意图（图：Bartie，1986）
在悬停模式中，桨叶需要提供充足的升力，因此研究团队将扭转角度设置得较大，确保桨叶在低速条件下能有效产生拉力；在巡航模式下，设计团队则通过缩小桨尖弦长和减小扭转角，降低旋翼的空气阻力，从而提高高速巡航效率。
这种平衡策略的核心在于同时满足两种飞行模式的需求，即使XV-15在悬停时具备足够的拉力，在巡航时也能以相对较低的阻力飞行。这种优化方案最终有效提升了倾转旋翼的效率，确保了XV-15在更高载荷条件下的稳定性和适用性。
在完成优化后的桨叶设计后，研究团队进行了多次仿真和风洞试验，以验证旋翼在不同飞行状态下的表现。
通过风洞试验，研究人员得到了优化桨叶在静拉力、诱导阻力和总拉力等方面的具体数据，确认了新设计的复合材料桨叶确实达到了预期的性能改进。
实验数据表明，优化后的桨叶在悬停状态下的效率提升了约20%，同时在巡航模式下的最大速度提高了14节。相较于传统金属桨叶，复合材料桨叶表现出了显著的性能优势，为倾转旋翼技术的应用开辟了新的可能性。
值得注意的是，在本研究中，研究团队使用的是基于手动调整的优化方法，而非现代的自动化优化算法。
虽然手动优化可以通过设计人员的经验和试验数据进行逐步调整，但这种方法在变量较多、设计空间庞大的情况下，难以确保找到最优解。
六、研究的创新性成果与实际应用
通过将传统金属桨叶替换为复合材料桨叶，研究团队在XV-15倾转旋翼飞机的性能上取得了显著提升。复合材料桨叶具有更高的强度重量比，使得桨叶在更轻的同时能够承受更大的载荷。
实验结果显示，优化后的桨叶在悬停状态下的效率提升了20%，为飞行器提供了更高的静拉力裕度。这种提升意味着XV-15在低速垂直起降或悬停时可以携带更多的货物或设备，同时提高了燃油效率。
在巡航状态下，优化后的桨叶设计不仅在高速飞行时减少了空气阻力，还显著提升了巡航速度。
实验表明，使用复合材料桨叶后，XV-15的最大巡航速度提升了14节，在同等载荷条件下的航程也得到延长。这种速度和航程的提升对于军事和救援等对效率要求较高的应用场景尤为重要。
此外，复合材料桨叶设计通过合理的翼型组合和优化的扭转角分布，使得倾转旋翼的整体气动性能在多个飞行状态下都得到了优化，进一步提升了飞行器的适应性。
△ XV-15倾转旋翼机验证机（图：Betzina，2002）
倾转旋翼飞机的独特优势在于可以垂直起降，同时具备高效的高速巡航能力，使其成为连接陆上和偏远地区的理想交通工具。
这项研究为倾转旋翼技术的应用打开了更广阔的空间，其成果不仅为XV-15提供了更强的载荷和速度优势，也为后续数十年来倾转旋翼设计奠定了宝贵的技术基础。
在民用领域，倾转旋翼飞机具备快速响应的潜力，可以用于偏远地区的医疗救援、紧急物资运输等，填补传统直升机和固定翼飞机之间的空白。
在军事领域，XV-15这样的高效倾转旋翼飞机能够胜任前线物资运输、特种部队部署和救援任务，提供更高的灵活性和作战半径。
研究中采用的复合材料桨叶不仅提升了飞行器的载荷和航程，还显著增强了倾转旋翼飞机在极端环境下的耐用性和可靠性。
因此，这项研究的成果对于后续更大载重和更高速度的倾转旋翼飞行器V-22的诞生奠定了基础，为军事和民用航空领域带来更多创新机会。
七、未来的发展方向
McVeigh等人的早期研究主要依赖于设计师的手动调整和经验，虽然成功实现了性能的显著提升，但在高维复杂设计空间中，手动方法很难确保找到全局最优解。
随着计算能力的提升和优化算法的不断进步，如今的倾转旋翼桨叶设计已经充分借助自动化优化技术（如进化算法、遗传算法和贝叶斯优化）实现更高效的设计流程。
△ 基于混合进化算法求解的某倾转旋翼桨叶设计帕累托前沿图（图：丁，2024）
这些算法能够在大范围的变量组合中快速收敛，并探索更全面的设计空间，从而找到兼具悬停和巡航模式的最佳桨叶配置。
自动化优化的引入还有助于在桨叶设计中整合更多参数。
现在的倾转旋翼优化设计可以在考虑桨叶展向弦长、扭转角分布的基础上，同时引入桨叶的三维特征（比如上反、下反、后掠），甚至也可以纳入材料特性与空气动力的耦合因素，从而更精确地满足不同飞行状态的需求。
△ 基于rVPM求解的带下反桨尖（a）和无下反桨尖（b）悬停剖面对比示意图（图：丁，2024）
这将大幅减少全周期的设计迭代时间，提高旋翼设计的效率和精确性，使得下一代倾转旋翼飞行器具备更出色的性能。
复合材料的引入已显著提升了XV-15旋翼的性能，但复合材料的潜力远未被完全挖掘。未来的发展方向之一是研发新型复合材料，例如具备更高强度、耐久性和耐高温性的碳纤维复合材料或陶瓷基复合材料。这些新材料将使桨叶更轻、更耐用，并在极端飞行条件下保持结构完整性，从而进一步提高旋翼的效率和载荷能力。
此外，先进的智能材料也将可能应用于旋翼设计中。这些材料具有自适应性，可以根据飞行状态的不同自动调整桨叶形状或刚度，优化气动性能。例如，在悬停时增加桨叶的刚度以提高稳定性，在巡航时降低刚度以减少振动和空气阻力。智能材料的应用将为旋翼带来动态优化的可能性，帮助倾转旋翼飞机更好地适应各种飞行模式。
△ 未来智能材料旋翼桨叶测试（图：NASA）
当前的旋翼设计在悬停和巡航模式间找到了一定的平衡，但未来研究可以进一步优化多模式设计，使得桨叶性能在更多飞行状态（如低速过渡、爬升、低速巡航等）下都达到最佳。
为此，未来的研究可以结合空气动力学仿真和风洞实验，对桨叶在不同状态下的气动特性进行更详细的分析，从而形成更复杂的多模式优化方案。
此外，多模式设计的优化还可引入机器学习等人工智能工具，通过分析大量的仿真数据，找出不同飞行状态下的最佳配置。这样，旋翼桨叶可以在各模式之间平滑过渡，提升整体性能并确保飞行的平稳性和安全性。
随着旋翼技术的进步，未来的倾转旋翼飞行器将不仅限于目前的垂直起降和巡航飞行，还可能拓展出更广泛的应用。
例如，适用于长途运输的超大型倾转旋翼飞机，以及具备隐形能力的军事侦察倾转旋翼飞机。研究成果为这些新应用提供了技术储备，同时也为设计更高效、更灵活的倾转旋翼桨叶奠定了基础。
此外，未来的倾转旋翼设计可以结合高速和长航程的需求，在旋翼直径、机身设计、能源选择等方面实现全面创新。特别是电动或混合动力系统的引入，将进一步减少倾转旋翼飞行器的噪音和排放，推动其在民用和城市空中交通（eVTOL）领域的应用。
倾转旋翼技术的未来发展方向正逐渐向多元化、智能化和环保化靠拢，为未来的航空运输方式提供更具可持续性的选择。
八、总结
1983年，Michael及其团队通过将复合材料引入XV-15倾转旋翼桨叶的设计，成功实现了悬停和巡航效率的显著提升。
通过优化展向弦长分布、扭转角分布以及翼型选择，研究团队有效解决了倾转旋翼在多模式飞行中的设计难题。
这项研究不仅使XV-15具备了更高的载荷能力和更快的巡航速度，也为随后数十年间的倾转旋翼设计奠定了宝贵的技术基础。
该研究成果展示了复合材料在航空领域的巨大潜力，并证明了多模式优化设计对提升倾转旋翼性能的关键作用。
尽管当时采用的是手动优化方法，这项研究所积累的经验和方法对后续的旋翼设计影响深远，同时也为进一步的自动化优化和新材料应用探索指明了方向。
倾转旋翼技术的进步不仅提升了飞行器的多功能性和适应性，还为航空运输模式带来了新的可能性。
无论是在军用还是民用领域，倾转旋翼的高速巡航和垂直起降能力使其在救援、侦查、货物运输等任务中具有巨大潜力，能够有效填补传统直升机和固定翼飞机之间的空白。
展望未来，随着智能材料和自动化优化技术的发展，新一代的倾转旋翼飞机将具备更高的效率、更强的灵活性和更低的环境影响。
无论是在提升旋翼效率、改善乘客舒适性，还是实现城市空中交通的构想，迈克尔团队的研究与创新为旋翼技术发展奠定的基础，将继续推动航空领域向更加智能和可持续的方向迈进。