縱列雙旋翼的未來發(fā)展

水鵠+小鵬

到目前為止，美軍和主要航空企業(yè)都沒有發(fā)布新的縱列雙旋翼直升機(jī)方案，因此，在CH-47基礎(chǔ)上繼續(xù)改進(jìn)，將是縱列式雙旋翼直升機(jī)未來發(fā)展的主要趨勢(shì)。另一方面，新興航空國家表現(xiàn)出了研制縱列雙旋翼直升機(jī)的意愿，為這個(gè)研究方向增添了新的活力。軍用，民用領(lǐng)域的需求將會(huì)成為縱列雙旋翼發(fā)展的重要推動(dòng)力，推動(dòng)該型機(jī)向貨運(yùn)型和重型起重直升機(jī)方向發(fā)展是一個(gè)方向。

近年來隨著材料、能源、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化與控制等領(lǐng)域的發(fā)展，直升機(jī)技術(shù)取得了許多突破。其中以槳葉、槳轂新技術(shù)、穩(wěn)定控制技術(shù)、直升機(jī)總體設(shè)計(jì)的新技術(shù)應(yīng)用為主，縱列雙旋翼直升機(jī)的發(fā)展必然也會(huì)從中受益。

新旋翼技術(shù)

縱列式雙旋翼直升機(jī)的旋翼系統(tǒng)由槳葉和槳轂組成。槳葉作為產(chǎn)生升力的主要部件對(duì)材料的比強(qiáng)度和比剛度要求很高。新材料的應(yīng)用為槳葉氣動(dòng)外形和旋翼動(dòng)力學(xué)特性優(yōu)化提供了基礎(chǔ)，提升了旋翼槳葉在交變載荷工作狀態(tài)下的使用壽命。

近年對(duì)直升機(jī)旋翼槳葉外型的研究越來越多，通過優(yōu)化槳葉形狀，可以有效減小飛行時(shí)旋翼產(chǎn)生的噪音，并提升直升機(jī)操縱性能。槳轂作為旋翼系統(tǒng)重要組成部件一直是工程師們的主要研究對(duì)象。傳統(tǒng)的鉸接式槳轂存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，疲勞壽命低等缺點(diǎn)。采用橡膠軸承的槳轂雖然起到了部分優(yōu)化效果但是并未從根本上解決這些缺點(diǎn)。沒有水平鉸、垂直鉸和軸向鉸的無軸承槳轂現(xiàn)已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。這種槳轂通過復(fù)合材料柔性梁實(shí)現(xiàn)旋翼的揮舞、擺振和變距，無軸承槳轂結(jié)構(gòu)簡單，成本低，操縱效率高，是未來新型直升機(jī)的重要標(biāo)志。

直升機(jī)振動(dòng)控制技術(shù)

直升機(jī)的振動(dòng)問題一直是制約直升機(jī)發(fā)展的一個(gè)瓶頸?？v列式雙旋翼直升機(jī)的未來發(fā)展必然以振動(dòng)控制為主要突破口。直升機(jī)旋翼是產(chǎn)生振動(dòng)的主要部件，通過采用新型復(fù)合材料、優(yōu)化旋翼系統(tǒng)等方法可以有效減少旋翼振動(dòng)帶來的危害。根據(jù)當(dāng)今技術(shù)發(fā)展情況，短時(shí)間內(nèi)不可能完全消除直升機(jī)的震動(dòng)源。許多科研機(jī)構(gòu)和航空公司將研究的重點(diǎn)放在了隔振、吸振、阻尼減震和結(jié)構(gòu)修改上面。同時(shí)，通過結(jié)合主動(dòng)控制技術(shù)和直升機(jī)減振結(jié)合，主動(dòng)抑制機(jī)身對(duì)旋翼傳遞過來的振動(dòng)的響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)減振。

新型航電設(shè)備

隨著計(jì)算機(jī)電子技術(shù)的發(fā)展，航電設(shè)備向著可視化、智能化和微型化方向發(fā)展，直升機(jī)操縱逐步采用人工智能結(jié)合手動(dòng)操縱代替原始的以駕駛員手動(dòng)操縱為主的操縱形式。而人工智能的航空電子設(shè)備也可降低駕駛員的工作強(qiáng)度，提升飛行控制的效率和安全性。航空電子設(shè)備架構(gòu)也由獨(dú)立功能設(shè)備向綜合化、模塊化方向發(fā)展，通過對(duì)傳感器的信道資源進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，高度綜合導(dǎo)航系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)、氣象雷達(dá)和管理系統(tǒng)等。通過采用新型電子設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了地面站和直升機(jī)平臺(tái)實(shí)時(shí)互動(dòng)，例如現(xiàn)在諸多先進(jìn)直升機(jī)采用的直升機(jī)健康與使用監(jiān)控系統(tǒng)是集航空電子設(shè)備、地面支持設(shè)備及機(jī)載計(jì)算機(jī)監(jiān)視診斷產(chǎn)品于一體的復(fù)雜系統(tǒng)。這種系統(tǒng)通過傳感器動(dòng)態(tài)監(jiān)控直升機(jī)各部件工作情況，實(shí)時(shí)傳輸給地面站，進(jìn)行故障評(píng)估和應(yīng)急措施反饋給直升機(jī)，提高了直升機(jī)可靠性與安全性。傳統(tǒng)電傳操縱系統(tǒng)易受雷電和電磁干擾影響，并且隨著電子設(shè)備日益增多，電纜線路復(fù)雜，設(shè)備和線路互相干擾效果加強(qiáng)，系統(tǒng)難以正常工作，通過以光導(dǎo)纖維作為傳輸媒介，以光替代電作為傳輸載體，提升各系統(tǒng)操縱速度和效率，增強(qiáng)直升機(jī)抗電磁及核輻射干擾能力。

直升機(jī)設(shè)計(jì)新技術(shù)

智能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過在機(jī)身、機(jī)翼和尾翼等部件嵌入傳感器和微電子部件，實(shí)時(shí)檢測(cè)直升機(jī)各部件工作情況，根據(jù)駕駛員或指令通過結(jié)構(gòu)內(nèi)微電子元件對(duì)部件參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，提升直升機(jī)性能。通過開發(fā)利用材料完整的本構(gòu)關(guān)系，設(shè)計(jì)新型自適應(yīng)結(jié)構(gòu)，提升材料應(yīng)用收益。利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)建?；蛘邔⒅鄙龣C(jī)參數(shù)直接輸入計(jì)算機(jī)，模擬直升機(jī)在復(fù)雜環(huán)境下的各種性能，結(jié)合CFD仿真結(jié)果，進(jìn)行氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)一體化綜合分析，可對(duì)直升機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。先進(jìn)復(fù)合材料憑借比強(qiáng)度、比剛度高，設(shè)計(jì)性強(qiáng)，抗疲勞等優(yōu)點(diǎn)，在直升機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來越多。這些材料的應(yīng)用有助于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)/功能一體化，提升直升機(jī)性能。同樣，直升機(jī)設(shè)計(jì)新技術(shù)的使用也更方便產(chǎn)生人機(jī)交互更友好的平臺(tái)，這對(duì)于工作條件苛刻的運(yùn)輸直升機(jī)來說是相當(dāng)重要的。

縱列式布局未來的發(fā)展不僅需要不斷應(yīng)用新的技術(shù)，對(duì)直升機(jī)中一直存在的難點(diǎn)問題進(jìn)行繼一步探索也同樣重要。縱列式直升機(jī)載重大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重心變動(dòng)范圍也大，這些特點(diǎn)會(huì)不斷對(duì)未來的機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)以及相關(guān)材料提出更高的要求。雙旋翼的相互重疊使得兩副旋翼會(huì)存在相互干擾，整機(jī)的流場會(huì)十分復(fù)雜，這需要對(duì)復(fù)雜流場的計(jì)算或?qū)嶒?yàn)，給出更好的設(shè)計(jì)參數(shù)。另外，新型縱列式直升機(jī)復(fù)雜的流場還給還氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)帶來了新的挑戰(zhàn)，雙旋翼的水平和垂直間距、旋翼塔的外形、尾艙門的外形等等，這些都需要未來進(jìn)行不斷的研究才能獲取更多認(rèn)識(shí)。

縱列式直升機(jī)的特殊布局決定其具有獨(dú)特的作用，不論在軍事方面還是民用領(lǐng)域，它都已經(jīng)取得非凡的表現(xiàn)，并將繼續(xù)有著廣闊的應(yīng)用前景。復(fù)雜布局帶來的難點(diǎn)和問題將會(huì)推動(dòng)著縱列式直升機(jī)技術(shù)不斷向前發(fā)展。