下一代直升機技術發(fā)展方向研究

（中航工業(yè)直升機設計研究所，天津 300071）

呂春雷

1996年畢業(yè)于南京航空航天大學，2005年獲碩士學位?，F(xiàn)就職于中國直升機設計研究所，研究員，所B級技術專家，獲得部級成果2項，省級成果1項，集團級成果3項，榮立個人三等功1次、二等功2次。

從20世紀30年代中期，直升機真正投入使用，至今，直升機技術已經(jīng)日趨成熟，經(jīng)歷了4代技術發(fā)展階段，第五代技術正處于構想階段。

依據(jù)參考文獻[1]中對不同代際直升機的描述，從20世紀30年代～50年代末，以貝爾47和米-4為典型代表的第一代直升機； 20世紀60年代初～70年代中期，以米-8、“超黃蜂”和直8為典型代表的第二代直升機； 20世紀70年代中期～80年代末，以“阿帕奇”、“山貓”、“海豚”和直9為典型代表的第三代直升機；20世紀90年代至2010年，以“科曼奇”、NH-90為典型代表的第四代直升機，劃代的主要依據(jù)無外乎發(fā)動機、材料、信息化程度、最大平飛速度以及振動和噪聲水平。因此，第五代直升機構想的主要特點可以定性描述為高速、高機動、隱身、遠程、長航時等，而且振動和噪聲水平明顯降低，信息化與“5性”水平顯著提高。

換言之，下一代直升機，即第五代直升機的典型特征可概括為：自身性能和環(huán)境友好性兩個方面的能力有所提升，甚或有質的飛躍。

下一代直升機3大技術發(fā)展方向

科學技術的發(fā)展只有以需求為牽引，才有足夠的動力與后勁，下一代直升機技術發(fā)展也不例外?；谏鲜瞿芰μ嵘枨?，可以預見下一代直升機技術應從高速、綠色和智能化3個方向發(fā)展。

1 高速技術

在直升機真正誕生之后，尤其是20世紀50年代之前，最大平飛速度一直徘徊在200km/h以下。直到1963年，直升機的速度得到了快速提高，“超黃蜂”的速度達到了250km/h。此后，對速度的提升再次減緩。隨著應用越來越廣泛，為了進一步適應軍、民領域的市場需求，提高直升機飛行速度成為不可避免的課題，高速技術也已成為下一代直升機的技術發(fā)展方向之一。

分析表明，直升機前飛時，旋翼所處的復雜氣動環(huán)境從根本上限制了直升機速度的提升，而要將旋翼從極度惡劣的前飛工作環(huán)境中解脫出來，主要技術手段包括總體構型革新與旋翼能力提升[2]。

（1）總體構型革新。

前飛時，由于來流速度的疊加，造成旋翼的前行槳葉出現(xiàn)激波，后行槳葉出現(xiàn)氣流分離，進而導致直升機前飛速度受到限制。而且研究發(fā)現(xiàn)，由于旋翼所處的氣動環(huán)境使然，采用常規(guī)辦法根本無法突破這種限制，因此總體構型革新勢在必行。傾轉旋翼機、剛性旋翼直升機應運而生，V-22、BA609、X2/X3就是典型的代表（圖1和圖2）。盡管從嚴格意義上來講，這些直升機已經(jīng)不再是傳統(tǒng)的、純粹的直升機，它們結合了直升機和固定翼飛機的優(yōu)點，但是人們依然稱之為高速直升機。

圖1 V-22魚鷹Fig.1 V-22 Osprey

圖2 西科斯基與波音公司聯(lián)合研發(fā)的X2Fig.2 X2 developed by Sikorsky and Boeing

其中最有發(fā)展前景的是傾轉旋翼機。目前，世界上只有美國的貝爾公司掌握了傾轉旋翼機的核心技術。前蘇聯(lián)和歐盟也進行了一些研究，但都沒有進入到型號研制階段。傾轉旋翼機在飛行速度和飛行包線兩方面都比直升機大大提高，比如：常規(guī)直升機最大平飛速度只有315km/h，V-22可達到565km/h；常規(guī)直升機最大實用升限一般在6km以下，V-22的實用升限將近8km[3]。

另外，美國的西科斯基飛機公司正在研究的一種X2新構型技術驗證機，其巡航速度可達到462km/h左右，具有非常巨大的技術潛力。西科斯基與波音公司聯(lián)合研發(fā)、參與美國國防部FVL戰(zhàn)略計劃競標的SB>1就是以X2技術為基礎開展設計的，該技術采用可變轉速傳動系統(tǒng)來調整槳尖速度以適應高速巡航使用。同時參與競標的其他3家公司（AVX飛機公司、貝爾直升機特克斯特朗公司和凱瑞姆飛機公司）也不約而同采用了新構型[4]。

被美國陸軍聯(lián)合多功能技術驗證機（JMR-TD）項目選中的V-280“勇士”（圖3）第三代傾轉旋翼機是在V-22“魚鷹”技術基礎上的升級，當前設計方案的亮點就是提高了低速靈活性、高過載的機動性、低油耗和長航程等。

圖3 貝爾公司V-280傾轉旋翼機Fig.3 V-280 titlerotor developed by Bell

（2）旋翼能力提升。

旋翼是直升機唯一的升力來源，因此旋翼能力的提升成為提高現(xiàn)代直升機飛行速度的最直接的途徑。

旋翼能力提升技術[1，5]除了翼型配置、槳葉平面形狀、氣動扭轉以及槳尖形狀設計等常規(guī)途徑以外，值得一提的是美國NASA新近開始的一種與具有創(chuàng)新意義的研究項目——逆速旋翼（Reverse Velocity Rotor，RVR）系統(tǒng)。采用逆速旋翼系統(tǒng)的直升機在快速前飛時，前飛速度大于逆速旋翼系統(tǒng)中槳葉的槳尖線速度，從而使整個后行槳葉處于反向氣流之中，“逆速旋翼系統(tǒng)”因此而得名。逆速旋翼系統(tǒng)的槳葉采用前后緣對稱的翼型，確保不論槳葉來流方向如何都可產(chǎn)生升力。然而，這種對稱翼型最大的優(yōu)勢在于可以將旋翼轉速與前飛速度疊加，把對后行槳葉速度的影響降到最低，并推遲常規(guī)旋翼后行槳葉失速出現(xiàn)的時間。當然這種逆速旋翼設計，還需要可變速的傳動裝置和輔助推力系統(tǒng)的支持。逆速旋翼機的出現(xiàn)及其所達到的前飛速度水平，對現(xiàn)有像V-22那樣的傾轉旋翼機直接構成了挑戰(zhàn)。與此同時，未來采用逆速旋翼系統(tǒng)的旋翼機還能避免傾轉旋翼機技術復雜、結構復雜、重量效率低、可靠性低、動力學和過渡飛行控制技術難、雙旋翼間存在干擾等技術難題。

2 綠色技術

直升機的使用空域一般在5～6km以下，與固定翼飛機相比，該范圍更接近居民空間，同時為了凸顯低空性、運輸便捷性和使用價值的提高，直升機機場也更為接近居民區(qū)，因此在使用過程中所引起的周邊環(huán)境變化，如外部噪聲引起的噪聲污染和發(fā)動機排放物引起的空氣污染等，都會對周邊的居民產(chǎn)生影響。因此，對這些外部環(huán)境污染的有效控制是綠色直升機的特征，也是直升機適用性的重要指標。通常來講，降噪和減排的技術稱之為綠色直升機技術。

目前，廣為人知的綠色技術探索項目包括歐盟啟動的“潔凈天空計劃”（Clean Sky）中的綠色旋翼機和美國國防預先研究計劃局（DARPA）啟動的任務自適應旋翼（MAR）項目。其中潔凈天空計劃的目標是為未來飛機開發(fā)綠色環(huán)保技術，作為該計劃6個項目之一的“綠色旋翼機”（Green Rotorcraft）項目，要求直升機削減10dB噪聲；渦軸直升機的二氧化碳排放量減少26%，發(fā)動機本身的改進必須降低10%的二氧化碳排放量，另外氣動布局和系統(tǒng)方面的改進必須降低16%二氧化碳排放和65%的氮氧化物排放量[6]。自適應旋翼項目性能目標更為明確，包括：有效載荷增加30%；航程增大40%；旋翼聲學可探測范圍減小50%、誘發(fā)振動減少90%[5]。毫無疑問，這兩個研究項目作為先驅，為綠色直升機技術的發(fā)展指明了方向。

（1）降噪技術。

直升機的外部噪聲主要來自旋翼、尾槳和發(fā)動機，其中，旋翼噪聲為主要來源，因此目前直升機外部降噪研究主要針對旋翼開展，研究的焦點基本都定位在降低槳—渦干擾（Blade Vortex Interaction，BVI）噪聲。成果較為突出的包括高升力槳葉、“波形”槳葉設計和“主動扭轉旋翼”。高升力槳葉技術被業(yè)內(nèi)認為是最新的研究項目，主要通過降低巡航飛行時的旋翼轉速，達到降低直升機至飛臨區(qū)域的噪聲?！安ㄐ巍睒~設計（Wave Blade）是NASA目前正在研究的一種新型槳葉，通過分散前一片槳葉產(chǎn)生的渦流降低BIV噪聲?！翱烧{式旋翼”是一種槳葉分布間距不均等的旋翼系統(tǒng)，通過調整旋翼槳葉的安裝角，使旋翼槳葉不再呈常規(guī)的均勻分布安裝位置，從而降低原先的BVI噪聲的強度?！爸鲃优まD旋翼”（Active Twist Rotor，ATR）的核心是通過對每一片旋翼槳葉的載荷和空間位置進行獨立控制，減小槳葉渦強度，使后一片槳葉不會和前一片槳葉產(chǎn)生的渦流相撞。NASA的風洞試驗顯示主動扭轉旋翼對于降低噪音和振動有明顯的作用[5]。

（2）減排技術

直升機尾氣由發(fā)動機產(chǎn)生，主要成分是二氧化碳和氮氧化合物、水汽。減少發(fā)動機尾氣排放可以從3個方面開展技術研究[6-8]，首先是從發(fā)動機出發(fā)，開展技術研究，降低耗油率，提高燃油效率，或者通過動力裝置的改進從根本上消除發(fā)動機尾氣的排放；其次是從直升機方面入手，通過機身氣動優(yōu)化、外部氣動部件整流、起落架以外掛結構的收放來減少前飛時的廢阻，進而降低對發(fā)動機的功率需求，當然還可以通過無尾槳設計，降低需用功率；最后是通過進、排氣優(yōu)化等技術措施減少發(fā)動機的安裝損失。

以上幾方面研究中，值得一提的是柴油發(fā)動機、全電驅與混合動力直升機技術研究，這些都是可從根本上實現(xiàn)綠色直升機的可取之路。歐盟正在“綠色旋翼機”（Green Rotorcraft）項目中大力開展柴油動力直升機研發(fā)，先期目標是基于現(xiàn)有的柴油發(fā)動機技術實現(xiàn)降低30%的燃油消耗；遠期目標是基于下一代的柴油發(fā)動機技術，結合直升機總體方案優(yōu)化，實現(xiàn)減少30%～40%燃料消耗。相比于柴油發(fā)動機，電動發(fā)動機的使用可減少直升機復雜的動部件，降低振動和噪聲，并且不需要航空燃料，更加綠色環(huán)保。西科斯基公司的“螢火蟲”全電直升機（圖4）是對電驅動垂直起降飛行器的首次嘗試?；旌蟿恿χ鄙龣C項目主要是改進發(fā)動機的整體效率，使燃油消耗率與同級別直升機相比減少30%，同時增加直升機的安全裕度，這種直升機尚處在概念研究階段。此外，新能源發(fā)動機，如生物燃料、激光發(fā)動機等也將成為綠色直升機技術中不可或缺的成員。

3 智能化技術

（1）材料智能化。

智能材料結構通過微型傳感器、微處理器、光纖和壓電材料等植入復合材料中，使直升機旋翼或結構按照飛行員的指令或根據(jù)局部的空氣動力特性自動作出響應，調整形狀，從而提高性能和品質。目前，這類研究主要集中于旋翼系統(tǒng)，其核心是對槳葉展向扭轉和弦向彎度進行調整，以實現(xiàn)懸停與平飛性能的同步提升。主要作法包括：采用形狀記憶合金驅動的槳葉后緣襟翼，在直升機旋翼大梁中引入形狀記憶合金驅動裝置以及在旋翼槳葉上鋪設智能材料纖維等。2004年，由波音牽頭的一個研究小組對MD直升機進行改裝，在槳葉上安裝了由智能材料驅動的主動后緣舵面補償片，并開展了臺架試驗，結果表明振動值降低了 80%[5，9]。

（2）人機界面智能化。

人機界面智能化技術的發(fā)展依托于信息化技術的發(fā)展，包括微電子技術、計算機技術和網(wǎng)絡技術的發(fā)展。采用這些技術可以通過多余度數(shù)字式總線交聯(lián)實現(xiàn)火-飛-發(fā)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享；采用多功能集成顯示技術，簡化座艙布局和儀表板布置，使駕駛艙朝著智能化方向發(fā)展，降低飛行員工作負荷，改善飛行品質等。早在20世紀末，貝爾直升機公司就提出了一項適應未來戰(zhàn)場應用需求的 “超級座艙”研究計劃，目前，具有部分智能化功能的“超級座艙”已經(jīng)應用于AH-1W等改型中。可以預見，隨著更先進信息技術的應用，下一代直升機的駕駛艙智能化程度將大大提高[5，9]。

（3）飛行控制光傳化。

飛行控制光傳化，顧名思義是指采用光傳技術實現(xiàn)飛行控制，一方面可通過取消機械控制機構減輕系統(tǒng)重量，另一方面可通過控制律設計、系統(tǒng)重構等技術的應用減輕駕駛員工作負荷，甚至實現(xiàn)無憂操作和自動駕駛。隨著直升機機載電子設備數(shù)量與復雜度的增加，電纜用量和線路布局愈加復雜化，線路干擾從一定程度上制約了使電傳操縱系統(tǒng)的正常工作。解決這一問題的根本辦法就是采用光傳操縱系統(tǒng)。原因在于光傳操縱系統(tǒng)的傳輸介質為光纖，具有重量輕、體積小、抗電磁干擾、抗電磁脈沖輻射和防雷電能力強等特點，可大大改進直升機的穩(wěn)定性和操縱性，并使自動駕駛儀系統(tǒng)具有更大的靈活性，充分發(fā)揮和運用直升機的全部性能，并能減輕飛行員的工作負荷。目前，美國和歐洲在光傳操縱系統(tǒng)研究方面均取得了很大的突破。2002年歐直公司一架裝有光傳操縱系統(tǒng)的EC-135直升機實現(xiàn)首飛，標志著光傳操縱系統(tǒng)研究工作取得了較大突破[9]。

圖4 西科斯基公司的“螢火蟲”全電直升機Fig.4 “Firefly” all electric helicopter developed by Sikorsky

（4）整機控制無人化。

整機控制無人化的發(fā)展取決于遠程控制技術的發(fā)展。隨著視距、超視距控制技術的發(fā)展，不僅促進了無人直升機的發(fā)展，更使直升機整機控制能夠在有人和無人兩種模式間進行自主切換成為可能。其最大的效益在于可通過在成熟的有人直升機平臺加裝相應的設備，實現(xiàn)整機控制無人化，大大降低研制成本與風險。以美國黑鷹直升機為例，西科斯基公司于2014年宣布開發(fā)UH-60A無人駕駛版的計劃，并開始了飛行員遠程操縱的試飛。隨后加大了自主飛行硬軟件包Matrix的開發(fā)力度，以便為該機提供更好的自導向能力。2015年10月27日，一架自主飛行版“黑鷹”成功將一輛小型水陸兩用全地形機器人車運送至位于佛羅里達州的空投區(qū)，通過了一項關于自主直升機飛行以及與機器人協(xié)同的關鍵測試，期間共完成了包括進場、吊起車輛、沿航線飛行5～7km、將車輛運送至地面定點位置、投放等數(shù)個指令，這次測試是對“該技術以及直升機與機器人車的協(xié)同合作”最為關鍵的一次驗證。

結束語

盡管直升機具有可以懸停、機動靈活等諸多優(yōu)點，但是其應用卻始終掣肘于速度低、振動噪聲大等缺點，因此要在未來的軍、民用市場上保持旺盛的生命力，就必須以克服這些缺點為契機，從高速、綠色和智能化等3個方向開展技術研究，以期實現(xiàn)技術與能力的雙重提升與飛躍。

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