旋翼創(chuàng)新升級推動國產(chǎn)直升機跨越發(fā)展

■ 林志剛

旋翼創(chuàng)新升級推動國產(chǎn)直升機跨越發(fā)展

■ 林志剛

我國直升機旋翼設(shè)計技術(shù)起步于上世紀六七十年代的直-5、直-6和直-7研制時期，發(fā)展于八十年代測仿的直-8金屬全鉸接式旋翼和參考樣機設(shè)計的直-11星形柔性旋翼研制，而真正形成能力則是通過直9復合材料旋翼反設(shè)計研究、25B旋翼原理樣機預先研究、直-10旋翼先期攻關(guān)與國際合作研制。在此基礎(chǔ)上，自主研制成功大型直升機先進復合材料旋翼系統(tǒng)。

旋翼系統(tǒng)是直升機最具特色、最為關(guān)鍵的標志性部件。直升機之所以不同于絕大部分固定翼飛機，能夠垂直起降，就是因為它采用的是旋翼系統(tǒng)。常規(guī)直升機旋翼系統(tǒng)一般采用單旋翼帶尾槳構(gòu)型，也有采用雙旋翼構(gòu)型，提供直升機前飛、側(cè)飛、后飛等各種飛行狀態(tài)所需的升力和操縱力。

旋翼由數(shù)片槳葉和槳轂構(gòu)成，槳葉連接在槳轂上，槳轂安裝在旋翼軸上，旋翼軸由發(fā)動機經(jīng)過傳動系統(tǒng)帶動旋轉(zhuǎn)。槳葉旋轉(zhuǎn)時與周圍空氣相互作用，產(chǎn)生氣動力。直升機對旋翼系統(tǒng)要求極為嚴苛，旋翼設(shè)計工作在行業(yè)內(nèi)被稱為“刀鋒上的行走”，每一項旋翼技術(shù)的進步，都意味著直升機關(guān)鍵性技術(shù)的突破。縱觀世界各大直升機行業(yè)巨頭，均將旋翼技術(shù)視為核心機密，不惜花費巨資進行研究，旋翼技術(shù)水平也成為衡量直升機先進程度的關(guān)鍵指標之一。

我國直升機旋翼設(shè)計技術(shù)起步于上世紀六七十年代的直-5、直-6和直-7研制時期，發(fā)展于八十年代測仿的直-8金屬全鉸接式旋翼和參考樣機設(shè)計的直-11星形柔性旋翼研制，而真正形成能力則是通過直9復合材料旋翼反設(shè)計研究、25B旋翼原理樣機預先研究、直-10旋翼先期攻關(guān)與國際合作研制。在此基礎(chǔ)上，自主研制成功大型直升機先進復合材料旋翼系統(tǒng)。

當前，我國已經(jīng)大量裝備了以直-10為代表的第三代技術(shù)水平的直升機，國產(chǎn)民用直升機AC313、AC311A等已具備較強的市場競爭力，形成了“探索一代、預研一代、研制一代、生產(chǎn)一代”的合理格局和“一機多型、系列發(fā)展、軍民互動”的良好態(tài)勢。我國直升機型號之所以能夠快速實現(xiàn)升級換代、跨越發(fā)展，其重要原因首先就是得益于旋翼技術(shù)的持續(xù)進步。

創(chuàng)新發(fā)展球柔性旋翼，促進軍民機展翼藍天

球柔性旋翼構(gòu)型研究是我國直升機旋翼技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵一環(huán)，相具有比星形柔性槳轂更加結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠、使用壽命更長等特點，是當代世界先進直升機旋翼系統(tǒng)的主流，適用于大小噸位和不同任務(wù)的各型直升機。但是，其結(jié)構(gòu)簡單的背后是高強度長壽命槳轂設(shè)計、大載荷金屬/橡膠疊層復合彈性元件研制和更加復雜的氣動和結(jié)構(gòu)動力學設(shè)計等難題。

“八五”期間，為盡快縮短與國外先進技術(shù)水平的差距，實現(xiàn)旋翼技術(shù)跨越發(fā)展，直升機所瞄準國際發(fā)展趨勢，決定把國際上最為先進的、僅有歐美掌握的球柔性旋翼技術(shù)作為著力點。利用專項預研和直10預先發(fā)展——旋翼技術(shù)先期攻關(guān)研究課題，啟動了以球柔性旋翼為代表的“25B”旋翼原理樣機研究工作。

這項任務(wù)是對直升機所整體技術(shù)能力的艱巨挑戰(zhàn)。然而，盡管艱難險阻重重，按照參研人員的話說是“幾乎掉了一層皮”，歷經(jīng)近十年的攻關(guān)，我國第一幅完全自主研制的先進球柔性旋翼系統(tǒng)，擁有包括翼型、國產(chǎn)復合材料槳葉、鈦合金槳轂和彈性軸承、粘彈阻尼器等諸多創(chuàng)新在內(nèi)的旋翼原理樣機，于1999年12月底實現(xiàn)了首飛，并于2001年完成了在直11直升機上的飛行演示驗證。

歐洲的A-129、EC155、NH-90、EH101和美國的S-92等具備代表意義的新研直升機，包括直-10對外合作的方案，全都采用球柔性旋翼系統(tǒng)。因此，這一成果不僅標志著我國掌握了先進球柔性旋翼技術(shù)，使我國跨入世界先進旋翼技術(shù)的行列，而且與國外先進技術(shù)水平的差距縮短了近30年，榮獲國防科技進步一等獎。

有了完全立足國內(nèi)設(shè)計、材料、工藝與試驗技術(shù)研制的“25B”旋翼原理樣機形成經(jīng)驗和基礎(chǔ)，加上國際合作的技術(shù)沉淀，特別是對國外技術(shù)和工程經(jīng)驗的消化吸收，極大增強了直升機所在新型號上自主研發(fā)球柔性旋翼系統(tǒng)的信心。在13噸級大型直升機直8平臺的升級換代和直10旋翼系統(tǒng)的國產(chǎn)化項目中，研制的球柔性旋翼系統(tǒng)相繼獲得了成功。以此為基礎(chǔ)，采用球柔性旋翼系統(tǒng)的AC313、AC311等民用直升機也相繼取得適航證。球柔性旋翼具有的結(jié)構(gòu)簡單、維護性好、單元體設(shè)計、重量輕等優(yōu)點再次得到了發(fā)揮，成為國產(chǎn)直升機的當家花旦！

挑戰(zhàn)無鉸無軸承旋翼，二十年礪劍出鞘

通過幾代中航直升機人的不懈努力，直升機所已經(jīng)吃透了球柔性旋翼技術(shù)，并一直朝著發(fā)展更先進的旋翼技術(shù)邁進。特別是在“十二五”期間，無鉸/無軸承旋翼技術(shù)、主動揮舞控制（ACF）智能旋翼技術(shù)、傾轉(zhuǎn)旋翼技術(shù)等取得了重大進展。

在直升機領(lǐng)域，無軸承旋翼作為常規(guī)構(gòu)型直升機旋翼技術(shù)先進水平的代表，散發(fā)著令直升機設(shè)計者癡迷的獨特魅力。無軸承旋翼通過復合材料柔性梁的彈性變形取代傳統(tǒng)旋翼槳轂的水平鉸、垂直鉸和軸向鉸，實現(xiàn)槳葉的揮舞、擺振和變距運動。它結(jié)構(gòu)簡單、零件數(shù)目少、重量輕，又具有操縱功效高、敏捷性好、可靠性高、維護簡單、較低的全壽命周期成本等優(yōu)點，因此，無軸承旋翼正逐步成為先進直升機，尤其是中小型武裝直升機的旋翼首選構(gòu)型。

相比國外，國內(nèi)在無軸承旋翼技術(shù)的研究方面起步較晚。“九五”期間，直升機所通過預研工作，初步進行了無軸承尾槳變截面、大變形柔性梁元件的剛度特性研究。“十五”期間進行了無軸承尾槳的全面技術(shù)攻關(guān)，實現(xiàn)了無軸承尾槳的國產(chǎn)化研制，到“十一五”期間進行了前期的無軸承旋翼技術(shù)的基礎(chǔ)研究，“十二五”期間正式開展了全尺寸旋翼的研制和裝機驗證。

在型號上，直-10尾槳采用了“剪刀”式無軸承結(jié)構(gòu)，兩對尾槳葉通過法蘭盤連接在一塊，再與尾軸相連。在對外合作、消化的基礎(chǔ)上，2010年實現(xiàn)了無軸承尾槳的國產(chǎn)化。盡管尾槳遠不如旋翼復雜，國產(chǎn)化研制中也遇到了許多難題，但為無軸承旋翼技術(shù)的發(fā)展提供了有力的支持。

2015年5月，歷經(jīng)近10年的探索研究、攻堅破難，我國第一幅無軸承旋翼實現(xiàn)裝直-11驗證機首飛成功，標志著直升機所在國家“863”項目----先進直升機技術(shù)研究課題任務(wù)達到預期目標，完成了無軸承旋翼的裝機考核，無軸承旋翼技術(shù)獲得創(chuàng)新突破。研制過程中，先后進行了無軸承縮比模型的風洞試驗、全尺寸旋翼實驗室試驗、旋翼塔試驗、裝機地面試驗等，實現(xiàn)裝機懸停飛行驗證，為后續(xù)開展飛行演示驗證奠定了基礎(chǔ)。

在無軸承旋翼取得新突破的同時，無鉸旋翼技術(shù)也得到長足發(fā)展。無鉸旋翼的特點是取消了揮舞鉸和擺振鉸，保留變距鉸，使得它相對于鉸接式旋翼來說，結(jié)構(gòu)更簡單，零件數(shù)目大為減少，重量輕，可靠性高，維護簡單，具有很低的全壽命周期成本。新型無鉸旋翼同樣是第四代直升機旋翼系統(tǒng)的典型代表，同樣適合武裝直升機對高機動性、高敏捷性的要求，為了突破新型無鉸旋翼關(guān)鍵技術(shù)，直升機所歷經(jīng)十年的技術(shù)積累，緊扣未來型號需求，建立了專業(yè)研發(fā)團隊，著力發(fā)展先進的新型無鉸旋翼技術(shù)。首先，對新型無鉸旋翼的總體方案設(shè)計進行了深入研究，初步摸清了如何確定新型無鉸旋翼的總體參數(shù)和動力學特性參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，進一步實施了旋翼總體設(shè)計、動力學特性分析和關(guān)鍵構(gòu)件設(shè)計?！笆濉逼陂g，研發(fā)團隊完成了無鉸旋翼原理樣機的槳轂和槳葉根段設(shè)計，開展典型構(gòu)件試驗驗證，基本掌握了新型無鉸旋翼總體構(gòu)型設(shè)計技術(shù)，突破了新型無鉸旋翼的設(shè)計、制造和試驗等關(guān)鍵技術(shù)，為未來新型號無鉸旋翼研制奠定了基礎(chǔ)。

新型無軸承和無鉸旋翼技術(shù)是常規(guī)直升機劃代的重要標識，其關(guān)鍵技術(shù)的突破，使國產(chǎn)直升機旋翼技術(shù)朝著世界先進水平又邁出了堅實的一步。同時，先進旋翼技術(shù)的應(yīng)用又將進一步提升型號技戰(zhàn)術(shù)性能和市場競爭力，并直接拉動國產(chǎn)直升機的快速發(fā)展。

發(fā)展新型先進旋翼技術(shù)，大步走向未來

2016年3月，直升機所“基于ACF的智能旋翼懸停試驗”宣告完成。這是國內(nèi)首次四米智能旋翼的主動控制試驗，也是國內(nèi)轉(zhuǎn)速最快、最接近真機使用情況的智能旋翼試驗。通過此次試驗，技術(shù)人員建立了多種控制條件下不同工況的試驗數(shù)據(jù)，為摸清旋翼主動控制與減振規(guī)律奠定了基礎(chǔ)，掌握了智能旋翼研究中的一整套研發(fā)流程和關(guān)鍵技術(shù)，同時孕育了推動后續(xù)發(fā)展的新項目，為推進第五代智能旋翼的發(fā)展奠定基礎(chǔ)，這意味著，直升機所科研人員已經(jīng)開啟了實現(xiàn)我國直升機旋翼智能化、綠色化的新路，直升機旋翼全新的未來，即將來到。

課題組由直升機所“胡和平班組”抓總，試驗設(shè)備安裝了旋翼操縱控制、動力系統(tǒng)控制、旋翼測控系統(tǒng)，還增加了內(nèi)置旋翼槳葉驅(qū)動機構(gòu)與后緣小翼主動控制機構(gòu)，解決了調(diào)試、同步觸發(fā)、控制等諸多難題。智能旋翼是傳統(tǒng)直升機旋翼同現(xiàn)代控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，其旋翼槳葉能夠識別外界信息，槳葉可根據(jù)獲得的信息自行調(diào)整自身狀態(tài)，從而使旋翼能夠減振、降噪，如此一來，直升機的舒適性將大幅度提升。目前，歐洲空直公司研發(fā)的新一代智能旋翼系統(tǒng)“Blue Pulse”已經(jīng)完成了在H145上的裝機驗證，并將應(yīng)用于H160直升機上?！昂推桨嘟M”的研發(fā)成果顯示，直升機所正迎頭趕上世界的最新發(fā)展潮流。

此外，直升機所還在旋翼防除冰、自動折疊等技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重大突破，打破了歐美技術(shù)壟斷。以高速飛行為標志、作為五代直升機特征的共軸剛性雙旋翼首次懸停試驗獲得成功，新構(gòu)型旋翼技術(shù)發(fā)展方興未艾。

在十一屆珠海航展上，直升機所以超前的思維，創(chuàng)新展示了磁懸浮旋翼飛行器和“短尾隼”橫列式高速直升機原理驗證機2款新概念旋翼機。這些新構(gòu)型的直升機承載著研發(fā)人員突破直升機瓶頸的設(shè)想，他們希望能研制出一種航空器，既有直升機獨特的各種近地面機動能力，又具有常規(guī)固定翼飛機的高速度、大航程。也許不用多久，科幻大片中的那些酷炫飛行器就將從你的全世界飛過。

（作者單位：中航工業(yè)直升機所）