綠色直升機(jī)

前言

世界上直升機(jī)經(jīng)100多年的發(fā)展，已進(jìn)入成熟期，成熟期的標(biāo)志是指其基本技術(shù)已經(jīng)成熟，且產(chǎn)品在社會(huì)上已有大量使用。如今全世界有5萬多架直升機(jī)遍布軍事和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域，可以說直升機(jī)是現(xiàn)代社會(huì)不可缺少的飛行器。它的特殊功能體現(xiàn)在垂直起降，空中定點(diǎn)懸停，空中任意方向、任意速度運(yùn)動(dòng)等方面，故直升機(jī)有萬歲和萬用飛行器之說，它最大程度地實(shí)現(xiàn)人類飛馬和魔毯的夢(mèng)想。

直升機(jī)的特殊功能體現(xiàn)其在航空器中的優(yōu)勢(shì)，但自上世紀(jì)70年代以來，直升機(jī)在飛行性能、噪聲控制等方面并沒有突破性的進(jìn)展，現(xiàn)代直升機(jī)研發(fā)在注重基本性能的同時(shí)，其競(jìng)爭(zhēng)力主要體現(xiàn)在保障性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性等綜合性能上。但現(xiàn)代直升機(jī)仍存在三個(gè)不可回避的缺點(diǎn)：一是噪聲大；二是速度低；三個(gè)振動(dòng)大。如果這三個(gè)問題得到解決，直升機(jī)將是完美的飛行器。造成這三個(gè)缺點(diǎn)的原因是直升機(jī)構(gòu)型決定的，旋翼是直升機(jī)的唯一升力面，同時(shí)又是操縱面，其設(shè)計(jì)已接近物理學(xué)極限，旋翼槳盤面必然會(huì)出現(xiàn)升力不對(duì)稱的現(xiàn)象，即直升機(jī)飛行時(shí)前行槳葉和后行槳葉的氣動(dòng)狀態(tài)是不一樣的，出現(xiàn)后行槳葉失速、前行槳葉馬赫阻力以及回流區(qū)，這種現(xiàn)象導(dǎo)致了直升機(jī)不能高速飛行和并產(chǎn)生較大振動(dòng)和噪聲。

從目前技術(shù)狀況看，要同時(shí)解決這兩三個(gè)問題很難，只能分別去解決。對(duì)第二個(gè)缺點(diǎn)，目前有一些新構(gòu)型直升機(jī)的發(fā)展，稱之為高速直升機(jī)，如西科斯基公司的X2和歐直的X3，將直升機(jī)的巡航速度由300千米/時(shí)提高到400～500千米/時(shí)，并且已通過原理樣機(jī)飛行演示驗(yàn)證，預(yù)計(jì)10年之后，可能會(huì)逐步投入使用。對(duì)第三個(gè)缺點(diǎn)，目前采取的振動(dòng)主動(dòng)抑制技術(shù)，可使駕駛員乘員處的振動(dòng)水平控制在0.05g，這個(gè)問題可望得到解決。對(duì)第一個(gè)缺點(diǎn)，歐美國(guó)家現(xiàn)也已開展大量的專項(xiàng)研究，不但要降低噪聲對(duì)環(huán)境的污染而且也要降低發(fā)動(dòng)機(jī)排放物的污染，并已取得初步的成果，這類直升機(jī)稱之為綠色直升機(jī)，是本文討論的內(nèi)容。

直升機(jī)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的重要作用帶來了公眾的廣泛關(guān)注，直升機(jī)的環(huán)境污染問題逐漸進(jìn)入公眾的視野。隨著公眾環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，降低污染已成為民用直升機(jī)必須解決的問題。在可以預(yù)見的未來，直升機(jī)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)必然由“用戶滿意”進(jìn)入“公眾滿意”時(shí)代。

綠色直升機(jī)的內(nèi)涵

直升機(jī)在使用過程中所引起的周邊環(huán)境變化，或多或少會(huì)侵?jǐn)_周邊的居民，主要包括直升機(jī)外部噪聲引起的噪聲污染和發(fā)動(dòng)機(jī)排放物引起的空氣污染。直升機(jī)與固定翼飛機(jī)不同，為了避免這些污染，固定翼飛機(jī)可以將機(jī)場(chǎng)建在城市周邊；但是直升機(jī)的應(yīng)用強(qiáng)調(diào)低空和運(yùn)輸便捷性，一般距離較短，如果機(jī)場(chǎng)建在城市周邊，會(huì)降低直升機(jī)的使用價(jià)值。因此，對(duì)直升機(jī)引起的外部環(huán)境污染的有效控制是綠色直升機(jī)的特征，是直升機(jī)適用性的重要指標(biāo)。降低噪聲和發(fā)動(dòng)機(jī)排放物的污染技術(shù)稱之為綠色直升機(jī)技術(shù)。

2008年2月5日，歐盟啟動(dòng)了“潔凈天空計(jì)劃（Clean Sky）”，該計(jì)劃由歐盟和飛機(jī)相關(guān)行業(yè)共同完成，目標(biāo)是為未來飛機(jī)開發(fā)綠色環(huán)保技術(shù)。作為“潔凈天空”計(jì)劃六個(gè)項(xiàng)目之一的“綠色旋翼機(jī)（Green Rotorcraft）”項(xiàng)目，要求直升機(jī)削減10分貝噪聲；渦軸直升機(jī)的二氧化碳排放量減少26%，發(fā)動(dòng)機(jī)本身的改進(jìn)必須降低10%的二氧化碳排放量，另外氣動(dòng)布局和系統(tǒng)方面的改進(jìn)必須降低16%的二氧化碳排放和65%的氮氧化物排放量。

2009年3月，美國(guó)國(guó)防部預(yù)先研究計(jì)劃局（DARPA）啟動(dòng)自適應(yīng)旋翼（MAR）項(xiàng)目，項(xiàng)目設(shè)定了明確的性能目標(biāo)：有效載荷增加30%；航程增大40%；旋翼聲學(xué)可探測(cè)范圍減小50%；旋翼誘發(fā)振動(dòng)減少90%。作為最低要求，該技術(shù)不得降低直升機(jī)的速度、靈敏性和有效性。

這兩個(gè)研究項(xiàng)目為直升機(jī)環(huán)境保護(hù)技術(shù)的發(fā)展指明了方向，也提出了未來民用直升機(jī)的設(shè)計(jì)方向。因此，降低噪聲污染和發(fā)動(dòng)機(jī)排放污染的綠色直升機(jī)技術(shù)，是未來民用直升機(jī)必然的發(fā)展方向。

外部噪聲抑制技術(shù)發(fā)展

直升機(jī)的外部噪聲源

直升機(jī)的外部噪聲主要來自旋翼、尾槳和發(fā)動(dòng)機(jī)。在直升機(jī)的三種外部聲源中，尾槳和發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲都屬于高頻部分，在空氣中衰減速度快，旋翼噪聲是直升機(jī)外部噪聲的主要成分，因此目前直升機(jī)外部降噪研究主要針對(duì)旋翼開展。

旋翼氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)

通過旋翼槳葉氣動(dòng)外形優(yōu)化降低旋翼噪聲的技術(shù)屬于被動(dòng)降噪技術(shù)，主要是通過對(duì)翼型、扭轉(zhuǎn)角、槳尖等氣動(dòng)布局參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行低噪聲旋翼設(shè)計(jì)。當(dāng)前流行的旋翼被動(dòng)降噪主要通過先進(jìn)槳尖優(yōu)化開展旋翼降噪設(shè)計(jì)，包括采用后掠、尖削、下反、BERP等槳尖形式，國(guó)際上先進(jìn)的直升機(jī)公司均擁有自主發(fā)展的槳尖構(gòu)型。

歐直公司開展的旋翼氣動(dòng)噪聲優(yōu)化項(xiàng)目（ERATO）在旋翼被動(dòng)降噪設(shè)計(jì)領(lǐng)域進(jìn)一步向前發(fā)展。該項(xiàng)目研究的“藍(lán)邊”（Blue-Edge）槳葉是一個(gè)創(chuàng)新型槳葉設(shè)計(jì)概念，“藍(lán)邊”槳葉通過減小槳尖弦長(zhǎng)的設(shè)計(jì)降低槳尖渦強(qiáng)度，通過非均勻的弦長(zhǎng)分布和前掠再后掠的彎曲形弦線分布設(shè)計(jì)避免槳尖渦與槳葉平行干擾產(chǎn)生大的噪聲；通過先進(jìn)的翼型并降低翼型厚度降低旋翼的厚度噪聲和載荷噪聲；通過后掠、優(yōu)化的槳尖避免槳尖的氣動(dòng)分離?！八{(lán)邊”槳葉獨(dú)特的設(shè)計(jì)使其外形大異于常規(guī)槳葉。

“藍(lán)邊”槳葉已經(jīng)在一架EC155直升機(jī)上接受了大量的疲勞和飛行試驗(yàn)。截至2010年底，試驗(yàn)已經(jīng)獲得了令人滿意的結(jié)果，直升機(jī)安裝了“藍(lán)邊”槳葉后，在工作條件進(jìn)行近地飛行時(shí)，地面感知噪聲能夠減少3～4分貝。

主動(dòng)襟翼旋翼

主動(dòng)襟翼旋翼概念是將槳葉某段的后緣部分通過襟翼代替，通過作動(dòng)器或智能材料按一定的策略進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，能夠有效降低旋翼的槳渦干擾和失速，從而降低旋翼振動(dòng)和噪聲。

西科斯基公司在智能旋翼項(xiàng)目中重點(diǎn)開展旋翼槳葉上放置前緣和后緣裝置進(jìn)行降低振動(dòng)和噪聲的研究。通過研究讓旋翼槳葉前緣或后緣襟翼在某個(gè)頻率下運(yùn)行，從而使得槳葉處于前行側(cè)時(shí)具有較好的阻力發(fā)散特性，運(yùn)行到低速后行側(cè)時(shí)具有較好的失速特性。

歐直公司在“藍(lán)色脈沖”（Blue-Pulse）控制項(xiàng)目中研發(fā)了通過雙襟翼特殊設(shè)計(jì)降低槳渦干擾噪聲的ADASYS旋翼。雙襟翼通過壓電材料裝置進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，每分鐘周期運(yùn)動(dòng)15～40次，從而改變槳葉的氣流和運(yùn)動(dòng)，降低直升機(jī)降落時(shí)的振動(dòng)和噪聲。最有效的飛行狀態(tài)，能夠減少5分貝的噪聲。

自適應(yīng)旋翼

自適應(yīng)旋翼是目前最先進(jìn)的旋翼設(shè)計(jì)理念，其設(shè)計(jì)思想是通過在槳葉中內(nèi)置壓電材料作動(dòng)器，槳葉能夠根據(jù)槳葉氣動(dòng)環(huán)境的變化改變形狀，包括扭轉(zhuǎn)、弦長(zhǎng)、槳尖形狀等，從而確保槳葉具有最佳的氣動(dòng)性能，并能最大限度的降低噪聲。

美國(guó)的自適應(yīng)旋翼（MAR）項(xiàng)目是這方面研究的典型代表。項(xiàng)目要求設(shè)計(jì)并研發(fā)出一種“變形”旋翼系統(tǒng)來改進(jìn)直升機(jī)的整體性能，該系統(tǒng)的旋翼可改變很多參數(shù)，包括長(zhǎng)度、后掠角、弦長(zhǎng)、翼型弧度、槳尖形狀、扭轉(zhuǎn)角、剛度以及其他參數(shù)。

減排技術(shù)發(fā)展

直升機(jī)減排常規(guī)技術(shù)措施

直升機(jī)尾氣由發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生，主要成分是二氧化碳和氮氧化合物、水汽。減少發(fā)動(dòng)機(jī)的尾氣排放直接要求降低耗油率，提高燃油效率。

提高燃油效率，除發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)發(fā)展外，也可以從直升機(jī)設(shè)計(jì)方面入手。一是減少機(jī)身和非升力旋轉(zhuǎn)部件阻力，在直升機(jī)大速度前飛中有50%的發(fā)動(dòng)機(jī)功率被廢阻消耗。機(jī)身需要通過外部附件減阻；槳轂可以通過優(yōu)化并加裝整流罩，來實(shí)現(xiàn)減阻；起落架可以通過收放來減阻；這些措施在大速度飛行時(shí)非常有效，可能降低直升機(jī)的需用功率15%。二是減少發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝損失，進(jìn)氣道、顆粒分離器、噴管產(chǎn)生的安裝損失可達(dá)到5%，通過這部分的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以降低至2%。

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)直升機(jī)

在“綠色旋翼機(jī)”項(xiàng)目中，歐直公司正在大力開展柴油動(dòng)力直升機(jī)的研發(fā)。該公司以EC120直升機(jī)為平臺(tái)，采用小型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)開展了方案設(shè)計(jì)和可行性研究。通過項(xiàng)目研究，先期目標(biāo)是基于現(xiàn)有的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)降低30%的燃油消耗；遠(yuǎn)期目標(biāo)是基于下一代的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，并進(jìn)行直升機(jī)總體方案優(yōu)化，能夠?qū)崿F(xiàn)減少30%～40%燃料消耗。

電驅(qū)動(dòng)直升機(jī)

全電驅(qū)動(dòng)的直升機(jī)將具有巨大優(yōu)勢(shì)，電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用將減少直升機(jī)復(fù)雜的動(dòng)部件，從而使成本能夠降低三分之一；同時(shí)能夠降低振動(dòng)和噪聲從而使機(jī)艙內(nèi)部通話系統(tǒng)成為歷史；并且不需要航空燃料，從而避免了發(fā)動(dòng)機(jī)的外部排放，更加綠色環(huán)保。

西科斯基公司的“螢火蟲”全電直升機(jī)是對(duì)電驅(qū)動(dòng)垂直起降飛行器的首次嘗試?！拔灮鹣x”在S-300輕型直升機(jī)上改裝而成，采用的通用電力發(fā)動(dòng)機(jī)以及蓄電池提供的輸出功率足以將直升機(jī)提升至空中并讓其在懸停狀態(tài)保持一定時(shí)間。但電量問題是能否得到推廣使用的關(guān)鍵。

歐直公司也在考慮電驅(qū)動(dòng)直升機(jī)的飛行，計(jì)劃將一架Guimbal Cabri輕型直升機(jī)改裝成電驅(qū)動(dòng)驗(yàn)證機(jī)。

混合動(dòng)力直升機(jī)

EADS公司的混合動(dòng)力直升機(jī)在2010年的柏林航展上首次亮相，其動(dòng)力裝置包含兩臺(tái)200軸馬力兩沖程活塞式航空發(fā)動(dòng)機(jī)、兩臺(tái)發(fā)電機(jī)以及兩組鋰離子電池?；旌蟿?dòng)力直升機(jī)項(xiàng)目主要是改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的整體效率，從而使得混合動(dòng)力直升機(jī)的燃油消耗率與同級(jí)別的直升機(jī)相比減少30%，同時(shí)增加了直升機(jī)的安全裕度。

這種直升機(jī)尚處在概念研究階段，還在進(jìn)行相關(guān)的模擬和研發(fā)工作。

電力尾槳

歐直工程師正在研究電力尾槳，由一個(gè)高壓電動(dòng)機(jī)用于提供尾槳的動(dòng)力，傳統(tǒng)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)可以繼續(xù)用于驅(qū)動(dòng)主旋翼。

采用電驅(qū)動(dòng)的尾槳傳動(dòng)系統(tǒng)將可能大有作為，其理念是使用一個(gè)局部的電動(dòng)機(jī)替換機(jī)械傳動(dòng)軸。這樣，尾槳就獨(dú)立于旋翼，從而使尾槳的轉(zhuǎn)速變化范圍很廣，此種配置將降低噪聲和減少燃油消耗。

此外西方國(guó)家也在探討新能源發(fā)動(dòng)機(jī)，如生物燃料、激光發(fā)動(dòng)機(jī)等。

中國(guó)直升機(jī)的應(yīng)對(duì)之策

中國(guó)直升機(jī)行業(yè)推出的AC311、AC312、AC313已取得中國(guó)民航適航證，滿足現(xiàn)在的中國(guó)民航CCAR34部和36部的要求，但是其機(jī)外噪聲水平和發(fā)動(dòng)機(jī)排放與世界先進(jìn)水平仍有一定的差距。中法聯(lián)合研制的AC352/EC175直升機(jī)目前正處于取證階段，其機(jī)外噪聲水平可望比國(guó)際民航組織要求低5分貝，該指標(biāo)處于現(xiàn)代直升機(jī)噪聲控制水平前列。

在技術(shù)發(fā)展上，國(guó)內(nèi)直升機(jī)行業(yè)和發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)也注意到噪聲控制和發(fā)動(dòng)機(jī)排放的問題，并積極開展相關(guān)技術(shù)研究。中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究為此專門建立旋翼噪聲試驗(yàn)室，開展旋翼系統(tǒng)噪聲機(jī)理、低噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)以及噪聲抑制技術(shù)研究；國(guó)內(nèi)南京航空航天大學(xué)等眾多大學(xué)也在開始這方面研究；發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)仍在致力于降低發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率，同時(shí)也跟蹤固定翼飛機(jī)的新能源發(fā)動(dòng)機(jī)。

但是，我國(guó)對(duì)直升機(jī)噪聲控制及發(fā)動(dòng)機(jī)排放問題的研究工作，整體上處于無序狀態(tài)，存在沒有總體研究目標(biāo)、研究?jī)?nèi)容分散不系統(tǒng)、也沒有相應(yīng)的保障措施和約束機(jī)制等問題，致使研究成果不能得到系統(tǒng)充分的試驗(yàn)驗(yàn)證，應(yīng)用性不強(qiáng)。這種狀況對(duì)未來民用直升機(jī)發(fā)展是極其不利的。

直升機(jī)綠色環(huán)保技術(shù)發(fā)展涉及直升機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、新材料、電子控制、新能源等行業(yè)的眾多學(xué)科，因此，需要統(tǒng)籌相關(guān)行業(yè)并借鑒歐美的研究發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，從國(guó)家層面對(duì)未來綠色環(huán)保直升機(jī)進(jìn)行整體規(guī)劃，確定研究目標(biāo)和研究?jī)?nèi)容、制定研究實(shí)施計(jì)劃，在國(guó)家政策上予以支持。

從研究途徑看，一方面，通過國(guó)家有關(guān)部門協(xié)調(diào)各行業(yè)優(yōu)勢(shì)力量，立足自主研發(fā)，合力攻關(guān)、提高研發(fā)能力，這是最根本的途徑；另一方面要加入相應(yīng)國(guó)際航空環(huán)保組織，跟蹤國(guó)際上的研究進(jìn)展情況，鼓勵(lì)國(guó)內(nèi)直升機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)與國(guó)際先進(jìn)公司及相關(guān)組織的合作。

歐盟、美國(guó)正大力推行綠色工業(yè)，通過“潔凈天空”等項(xiàng)目計(jì)劃的實(shí)施，預(yù)計(jì)到2020年，直升機(jī)綠色環(huán)保技術(shù)將會(huì)取得突破并推向市場(chǎng)，歐美等國(guó)將來極有可能推出新的適航規(guī)章，要求新研的民用直升機(jī)貫徹新的適航標(biāo)準(zhǔn)。如果我們?cè)诰G色環(huán)保技術(shù)方面不能有所作為，2020年后，中國(guó)民用直升機(jī)產(chǎn)業(yè)將會(huì)面臨發(fā)展的重大技術(shù)門檻。

目前，中國(guó)民用直升機(jī)僅200架左右，預(yù)計(jì)到2020年，會(huì)有1000架的增量。中國(guó)民用直升機(jī)現(xiàn)處于發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期。對(duì)直升機(jī)綠色環(huán)保技術(shù)的專項(xiàng)研究已刻不容緩，只有采取切實(shí)的行動(dòng)，才能實(shí)現(xiàn)中國(guó)直升機(jī)的持續(xù)發(fā)展。

（作者系中航工業(yè)首席技術(shù)專家，中航直升機(jī)有限責(zé)任公司副總工程師）