(中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心,北京 100029)
褚世永
中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心高級工程師,長期從事國外直升機技術(shù)、型號和市場方面情報研究工作,參與了多個重點直升機型號立項論證和預(yù)研課題研究工作。
直升機是利用旋轉(zhuǎn)機翼提供升力、推進力和操縱的能垂直起降的飛行器,其飛行原理、功能和用途均有別于固定翼飛機。直升機以其獨特的垂直起降、空中懸停、向任意方向飛行、近地機動和野外適應(yīng)能力強等特點,發(fā)揮著其他運輸工具和飛行器不可替代的作用。
從1907年世界上第一架直升機誕生至今,直升機技術(shù)始終在不斷發(fā)展進步。近年來,直升機技術(shù)表現(xiàn)出跨代發(fā)展特征,各技術(shù)領(lǐng)域均有較大突破。當前,以NH90、AW101和CH-53K為代表的已經(jīng)或即將投入使用的最新一代直升機所采用的標志性技術(shù)主要包括復(fù)合材料機身、無軸承/無鉸或球柔性槳轂、多段高性能翼型和三維槳尖形狀的槳葉、綜合航電系統(tǒng)、電傳飛控系統(tǒng)、健康與使用監(jiān)控系統(tǒng)(HUMS)等。同時,一些更為先進的新構(gòu)型、子系統(tǒng)及先進結(jié)構(gòu)研究也取得很多成就,先進復(fù)合構(gòu)型高速旋翼飛行器技術(shù)獲得突破,距離產(chǎn)品成形已為時不遠。
直升機的專用關(guān)鍵技術(shù)主要包括總體設(shè)計技術(shù)、旋翼系統(tǒng)技術(shù)、傳動系統(tǒng)技術(shù)和發(fā)動機技術(shù),這些技術(shù)凸顯了直升機的特色,直接決定了直升機的性能優(yōu)劣。其中,作為“三大動部件”的旋翼系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)和發(fā)動機技術(shù)復(fù)雜、研制難度大;總體設(shè)計即圍繞“三大動部件”展開,系統(tǒng)集成的復(fù)雜程度高。
(1)總體設(shè)計技術(shù)。
隨著直升機各專項技術(shù)、信息化技術(shù)及工程優(yōu)化設(shè)計方法的發(fā)展和成熟,直升機總體設(shè)計已從傳統(tǒng)的面向性能設(shè)計轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫦蚪?jīng)濟可承受性和質(zhì)量設(shè)計,形成了針對客戶需求的總體技術(shù)方案設(shè)計能力。在直升機研制過程中,多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計、全壽命周期費用設(shè)計、并行設(shè)計、魯棒設(shè)計等總體設(shè)計方法已得到廣泛應(yīng)用。同時,隨著綜合設(shè)計軟件的發(fā)展,直升機總體工程設(shè)計已擁有了良好的優(yōu)化平臺。未來,直升機總體設(shè)計將進一步向綜合化、數(shù)字化方向發(fā)展,設(shè)計方法的綜合程度將越來越高,涉及的學(xué)科也將越來越廣,總體設(shè)計優(yōu)化程度不斷提高,推動全機性能水平和經(jīng)濟可承受性的提升[1]。
(2)旋翼系統(tǒng)技術(shù)。
作為直升機升力、操縱力和推進力的主要提供單元,旋翼系統(tǒng)始終是直升機的核心技術(shù)領(lǐng)域,其技術(shù)先進性是衡量直升機技術(shù)水平的重要標志。為滿足不斷提升的直升機性能要求,近年來旋翼系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展勢頭迅猛,懸停效率和升阻比已分別提高到0.78和10.5左右。旋翼技術(shù)進步主要體現(xiàn)在以下幾個方面:
·旋翼槳轂構(gòu)型實現(xiàn)換代。球柔性槳轂和無軸承槳轂開始普遍應(yīng)用,結(jié)構(gòu)大幅簡化、控制響應(yīng)更快,新研及升級型號幾乎都采用這兩種槳轂。
·一系列高性能先進翼型開始應(yīng)用,槳葉氣動性能持續(xù)提升(圖1)。如法國ONERA最新翼型OA409比OA209升力系數(shù)提高了11%,比早期常用的NACA0012提高了33%。先進槳尖形狀設(shè)計使旋翼氣動效率進一步提升,如英國開展的“英國試驗槳葉計劃”第四期(BERP Ⅳ),就在第三期(BERP Ⅲ)成果基礎(chǔ)上進一步加大了槳尖部分弦長、后掠角和下反角,并優(yōu)化了三維形狀。飛行試驗結(jié)果表明,BERP Ⅳ旋翼比BERP Ⅲ的懸停需用功率減少5%,高溫-高原巡航需用功率降低10%~15%,飛行包線擴展約10%;結(jié)構(gòu)響應(yīng)主動控制系統(tǒng)在BERP Ⅳ上得以應(yīng)用,試驗表明振動水平降幅70%以上,最高降幅達87%[2]。
·先進旋翼子系統(tǒng)技術(shù)取得進展,如智能旋翼、伺服襟翼單片槳葉控制、優(yōu)化轉(zhuǎn)速旋翼技術(shù)[3]。其中,優(yōu)化轉(zhuǎn)速旋翼技術(shù)在波音的無人直升機A160“蜂鳥”上進行了驗證,大幅提高了航程和續(xù)航時間,其作戰(zhàn)半徑超過1852km,續(xù)航時間大于20h[4-5]。另外,美國國防高級研究計劃局(DARPA)在2010年啟動了名為“任務(wù)自適應(yīng)旋翼”(MAR)的新構(gòu)型旋翼概念開發(fā)項目,通過改變旋翼長度、后掠角、弦長、翼型弧度、槳尖形狀、扭轉(zhuǎn)角、剛度、轉(zhuǎn)速以及其他參數(shù),以適應(yīng)不同飛行狀態(tài),實現(xiàn)有效載荷和航程的大幅增加。
(3)傳動系統(tǒng)技術(shù)。
直升機先進傳動系統(tǒng)的技術(shù)特點突出表現(xiàn)在高可靠性、高安全性、高效率、低成本和低噪聲等方面。目前,AH-64D、NH90、AW101等機型的主減速器大修間隔可達3000h以上,主減速器傳動(三級)效率超過97.3%,干運轉(zhuǎn)能力可達45min。同時,國外在總體構(gòu)型、系統(tǒng)可靠性、齒輪動態(tài)特性和行星傳動效率、高重合度傳動、推力圓柱滾子軸承、陶瓷軸承等方面開展了一系列研究工作,部分成果已投入應(yīng)用。如AH-64E傳動系統(tǒng)運用了新型分扭傳動技術(shù)和NASA格倫研究中心開發(fā)的面齒輪技術(shù),不僅沒有增加整個系統(tǒng)的尺寸和重量,而且提高了25%的傳輸功率,額定功率由2088kW提升至2536kW,壽命也增加了1倍,提升到10000h[6]。
(4)渦軸發(fā)動機技術(shù)。
圖1 NH90和AW101槳葉槳尖Fig.1 Blade tip of NH90 and AW101
目前,第四代渦軸發(fā)動機已得到廣泛應(yīng)用,主要特點是普遍采用全權(quán)數(shù)字式電子控制系統(tǒng),總壓比超過14,渦輪進口溫度進一步提高,壽命延長和可靠性大幅提高等。第四代渦軸發(fā)動機采用了許多新的結(jié)構(gòu)和設(shè)計技術(shù),包括雙級離心式壓氣機或多級超跨音速軸流加離心混合式壓氣機、回流環(huán)形燃燒室、空心氣冷葉片和陶瓷材料,并采用主動間隙控制技術(shù)縮小葉尖間隙,進一步提高了燃氣發(fā)生器的熱力循環(huán)參數(shù)和部件效率(圖2)。
這些新技術(shù)的應(yīng)用,使新型渦軸發(fā)動機的總壓比達到14~20,渦輪前溫度達到1300~1500K;耗油率達到0.275kg/(kW·h)水平,普遍比第三代降低8%左右,與活塞發(fā)動機相當;典型產(chǎn)品單位功率達到300kW/(kg/s),比第三代提高超過10%;結(jié)構(gòu)更加簡單,維修更加方便,在外場只需簡單支架和少量專用工具,就可在短時間內(nèi)完成維修工作;普遍具有10%~20%的功率儲備,在輪廓尺寸不變的情況下,可通過增加流量和渦輪進口溫度進一步提高功率;操縱性好,發(fā)動機控制系統(tǒng)對功率變化適應(yīng)性出色,在應(yīng)急情況下能夠穩(wěn)定安全地超負荷工作;抗損傷能力更優(yōu),確保發(fā)動機在惡劣的環(huán)境下能夠安全工作。同時,第四代渦軸發(fā)動機的單元體結(jié)構(gòu)設(shè)計和低耗油率特征,直接降低了全壽命周期費用。
圖2 配裝CH-53K直升機的GE38發(fā)動機的外形及結(jié)構(gòu)特點Fig. 2 Figure and structure of GE38 turboshaft engine for CH-53K
從目前啟動的先進研究計劃看,未來渦軸發(fā)動機的發(fā)展趨勢仍是通過開發(fā)各種先進技術(shù)來提高功重比、降低油耗,并增強對高溫-高原等嚴苛使用環(huán)境的適應(yīng)能力。下一代渦軸發(fā)動機可能在結(jié)構(gòu)上采用革命性的設(shè)計,比如使用變轉(zhuǎn)速動力渦輪并應(yīng)用自適應(yīng)結(jié)構(gòu)等。未來的渦軸發(fā)動機結(jié)構(gòu)會更加簡單,僅需幾個扳手就能進行拆卸,大幅降低維護時間和成本。
除了上述幾項專用關(guān)鍵技術(shù)外,航電、材料和飛行控制等通用技術(shù)的發(fā)展也對直升機產(chǎn)品飛行性能和任務(wù)能力的持續(xù)提升作出了重要貢獻。
(1)材料和制造技術(shù)。
先進直升機的復(fù)合材料使用范圍正在迅速擴展,已從蒙皮等次要結(jié)構(gòu)擴展到機身盒形龍骨梁、水平安定面等承力結(jié)構(gòu),NH90、AW101、S-97等型號都已開始使用全復(fù)合材料機身。同時,復(fù)合材料的使用也使旋翼槳葉壽命逐步提高,實現(xiàn)了無限壽命和視情維護,并為槳葉先進氣動外形和動力學(xué)優(yōu)化提供了條件。此外,先進制造技術(shù)也大幅提高了直升機性能,如英國BERP Ⅳ項目對復(fù)合材料槳葉制造技術(shù)進行了研究,采用的4層抗褶皺鋪層織物厚度是傳統(tǒng)鋪層織物的3倍,鋪層時間大幅減少;采用的Z字型編制方法,材料用于后緣蒙皮時,槳葉損傷容限提高到傳統(tǒng)單層纖維織物槳葉的4倍。
未來直升機,特別是高速旋翼機對結(jié)構(gòu)重量、強度、制造成本、維護性能將提出更高要求,直升機復(fù)合材料應(yīng)用比例將進一步提高,如旋翼槳轂、主減速器齒輪、機電系統(tǒng)等都可能實現(xiàn)復(fù)合材料化。隨著石墨烯材料的發(fā)展,復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強度、重量等特性都將大幅提高,將促進復(fù)合材料應(yīng)用范圍擴展到旋翼槳轂、主旋翼軸等重要承力件上。
(2)航電系統(tǒng)技術(shù)。
直升機航電技術(shù)正在經(jīng)歷突飛猛進的發(fā)展:高度綜合化、模塊化,全電子化玻璃座艙正取代傳統(tǒng)儀表,如AW101座艙采用了“大圖像”下視顯示和虛擬座艙技術(shù),大大增強了飛行員的戰(zhàn)場態(tài)勢感知能力;有源相控陣雷達將在直升機上得到應(yīng)用,俄羅斯2011年開始研制加裝有源相控陣雷達的卡-52K艦載攻擊直升機,雷達搜索距離增加約200km,通過改進雷達發(fā)射-接收模塊制造工藝,質(zhì)量從275kg減至80kg,雷達天線陣尺寸控制在600mm×400mm內(nèi);有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)技術(shù)得到快速發(fā)展,AH-64E已實現(xiàn)了四級無人機系統(tǒng)控制能力,除了能從無人機接收實時視頻外,更能對無人機的飛行姿態(tài)進行控制,并控制無人機的傳感器和武器等任務(wù)載荷,大幅提升AH-64E的態(tài)勢感知和攻擊能力,從而大大增強了生存力和作戰(zhàn)效能。
(3)飛控系統(tǒng)技術(shù)。
作為新一代直升機的典型特征,電傳飛控系統(tǒng)的應(yīng)用正在逐漸普及,全球首款采用電傳飛控的民用直升機——貝爾525已于2015年7月成功完成首飛。同時,光傳飛控系統(tǒng)技術(shù)也取得一些進展,2002年空客直升機公司與德國DLR在一架EC135上成功加裝了光傳飛控系統(tǒng)并完成首飛,該機目前作為DLR飛行試驗平臺,承擔飛控、航電等技術(shù)驗證工作。此外,自主飛行技術(shù)正在成為直升機飛控發(fā)展的一個重要方向。2013年,西科斯基公布了Matrix自動飛行技術(shù),技術(shù)目標是飛行中完全去除人員控制,以軟件采集狀態(tài)數(shù)據(jù)和信息、進行處理并做出應(yīng)對決策,該技術(shù)已開始在S-76上進行驗證。
從產(chǎn)品的角度看,常規(guī)構(gòu)型直升機(包括單旋翼帶尾槳構(gòu)型、縱列式雙旋翼構(gòu)型和共軸雙旋翼構(gòu)型)、高速旋翼機(包括傾轉(zhuǎn)旋翼構(gòu)型、帶拉力或推力槳的復(fù)合推力構(gòu)型)和無人直升機“三足鼎立”的格局已經(jīng)初步形成。未來一段時期內(nèi),它們都將在各自的技術(shù)領(lǐng)域?qū)で筮M一步發(fā)展。
(1)常規(guī)構(gòu)型直升機減振降噪技術(shù)。
隨著市場對于常規(guī)構(gòu)型直升機舒適性要求的不斷提高,減振降噪已成為常規(guī)構(gòu)型直升機未來發(fā)展的重點技術(shù)領(lǐng)域。目前,減振降噪的研究方向已從被動吸振逐漸轉(zhuǎn)向主動減振,如結(jié)構(gòu)響應(yīng)主動控制、高階諧波控制、單片槳葉控制、主動控制伺服襟翼等研究,并已取得明顯效果。未來,對于舒適性、可靠性的高要求將推動減振降噪技術(shù)的不斷成熟和轉(zhuǎn)化,也將促進更為先進的減振降噪技術(shù)發(fā)展[7]。如空客2010年提出的“藍色直升機”概念中,包含了“藍色刀鋒”(Blue Edge)低噪聲槳葉技術(shù)(圖3)和“藍色脈沖”(Blue Pulse)主動控制技術(shù)。
“藍色刀鋒”是一種通過改進槳尖形狀設(shè)計降低噪聲的技術(shù),利用減小的槳尖弦長來降低槳尖渦強度,利用非均勻的弦長分布和先前掠再后掠的槳尖設(shè)計有效避免槳尖渦與槳葉平行干擾產(chǎn)生的噪聲,利用先進翼型設(shè)計降低旋翼厚度噪聲和載荷噪聲,利用后掠的優(yōu)化槳尖避免槳尖的氣動分離[8]。
“藍色脈沖”采用的是主動控制伺服襟翼技術(shù),通過雙襟翼特殊設(shè)計降低槳渦干擾噪聲。雙襟翼的周期運動改變槳葉的氣流和運動,從而降低了直升機降落時的振動和噪聲。
這兩項技術(shù)在實驗室環(huán)境下降噪效果達4~7dB,真實飛行環(huán)境也達到 3~4dB。
圖3 空客H160直升機采用的“藍色刀鋒”槳葉Fig.3 Blue edge blade on Airbus H160
此外,美國馬里蘭大學(xué)開發(fā)的智能旋翼試驗表明,智能旋翼在降低噪聲水平方面有著更為高效的表現(xiàn),噪聲降低達50%以上。DARPA的“任務(wù)自適應(yīng)旋翼”新構(gòu)型旋翼概念開發(fā)項目中,也提出了聲學(xué)可探測距離降低50%、振動降低90%等性能指標。
(2)高速旋翼機技術(shù)。
高速旋翼機技術(shù)近年取得較大突破:傾轉(zhuǎn)旋翼機早已在軍用領(lǐng)域使用,民用產(chǎn)品也將在未來幾年內(nèi)交付;復(fù)合推力構(gòu)型高速旋翼機技術(shù)趨于成熟。
2010年西科斯基啟動基于X2構(gòu)型技術(shù)的S-97高速旋翼機研制,2015年5月完成首飛??湛椭鄙龣C公司X3驗證機飛行速度于2013年達到472km/h,旨在研制出一個高速旋翼機系列的美軍“未來垂直起降飛行器”(FVL)計劃,并計劃2017年實現(xiàn)其先導(dǎo)驗證項目——“聯(lián)合多任務(wù)旋翼機技術(shù)驗證機”(JMR TD)的首飛,2020年前完成全部驗證、評審和工程研制方案選擇,預(yù)計2028年前后交付使用。美國空軍與陸軍正在聯(lián)合開展“聯(lián)合未來戰(zhàn)區(qū)運輸機”(JFTL)技術(shù)研究,該機將具備垂直起降和短距起降能力,并能夠運輸中型作戰(zhàn)車輛,且具備戰(zhàn)略級別航程。美國軍方和NASA還開展了運輸機級別的高速旋翼機技術(shù)研究,其中“亞聲速旋翼機”研究項目(SRW),為未來能搭載90名乘客、巡航速度556km/h,航程不低于1852km的旋翼機儲備技術(shù),目前主要集中在構(gòu)型優(yōu)化、關(guān)鍵子系統(tǒng)技術(shù)研發(fā),2012年已開始1/20縮比模型風洞試驗[9]。
與此同時,下一代高速旋翼機技術(shù)預(yù)研已陸續(xù)啟動。DARPA于2013年2月啟動了“垂直起降試驗飛機”項目,于2014年3月開始競標,計劃2017年首飛。驗證機最大起飛重量4500~5400kg,技術(shù)可應(yīng)用1800~10800kg間不同噸位平臺上;能承受-0.5~2.0g過載;飛行速度能達到556~741km/h;懸停效率不低于75%;巡航狀態(tài)升阻比不低于10;有效載重不低于總重的40%,商載不低于12.5%。項目成果將為FVL等項目后的第二代高速旋翼機提供技術(shù)儲備;而歐洲也計劃啟動第二代高速旋翼機技術(shù)預(yù)研,并可能優(yōu)先考慮民用領(lǐng)域的應(yīng)用[10]。
按照目前的研制計劃,集成應(yīng)用高速旋翼機技術(shù)的新產(chǎn)品將在2025年前后投入使用,并在2030年后開始廣泛應(yīng)用。
(3)無人直升機技術(shù)。
近年來,無人直升機技術(shù)發(fā)展迅速??刂品矫?,采用先進的飛行控制與組合導(dǎo)航技術(shù),智能化和自主控制能力穩(wěn)步提高。MQ-8B“火力偵察兵”已達到美軍方定義的自主控制等級第4級(機上航路再規(guī)劃),能實現(xiàn)不同海況和風速條件下的自動起飛和著艦;美國海軍陸戰(zhàn)隊已經(jīng)啟動“自主空中貨運/投送系統(tǒng)”(AACUS)項目,期望前線士兵能通過簡單的iPad界面操作無人直升機著陸,計劃在2016年下半年完成研制;此外,美軍在JMR TD項目中提出了可選有人駕駛能力需求,已開始在“黑鷹”上開展技術(shù)研究,并于2014年初成功進行了地面遙控懸停飛行試驗,這項技術(shù)能在幾乎所有現(xiàn)役直升機上應(yīng)用。
新技術(shù)和新材料方面,鈦合金已廣泛運用到無人直升機發(fā)動機葉片、旋翼軸和槳轂等部件上,機體主結(jié)構(gòu)采用玻璃纖維、碳纖維等增強型復(fù)合材料,結(jié)合模塊化設(shè)計使空機重量顯著降低、結(jié)構(gòu)壽命明顯提高、維修性大大改善,同時復(fù)合隱身技術(shù)也被用于降低全機的雷達和紅外輻射特征;新構(gòu)型技術(shù)也將很快被應(yīng)用到無人直升機上,DARPA正在進行的“垂直起降試驗飛機”項目就含無人高速旋翼機備選方案。
任務(wù)系統(tǒng)方面,先進的小型化任務(wù)設(shè)備不斷集成,MQ-8B的Ku波段APY-8“山貓”合成孔徑雷達重52kg,在10000m高空成像分辨力為100mm,且具有地面動目標指示能力,“山貓”II的重量已降到39kg。
未來,無人直升機將向“智能化、易操縱”、“長航時、高航程”、“大任務(wù)載荷”、“高隱身性能”和“高效新武器系統(tǒng)”等方向發(fā)展。
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