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)遍布軍事和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的各個領(lǐng)域，可以說直升機(jī)是現(xiàn)代社會不可缺少的飛行器。它的特殊功能體現(xiàn)在垂直起降，空中定點懸停，空中任意方向、任意速度運動等方面，故直升機(jī)有萬歲和萬用飛行器之說，它最大程度地實現(xiàn)人類飛馬和魔毯的夢想。

直升機(jī)的特殊功能體現(xiàn)其在航空器中的優(yōu)勢，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，其競爭力主要體現(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)仍存在三個不可回避的缺點：一是噪聲大；二是速度低；三個振動大。如果這三個問題得到解決，直升機(jī)將是完美的飛行器。造成這三個缺點的原因是直升機(jī)構(gòu)型決定的，旋翼是直升機(jī)的唯一升力面，同時又是操縱面，其設(shè)計已接近物理學(xué)極限，旋翼槳盤面必然會出現(xiàn)升力不對稱的現(xiàn)象，即直升機(jī)飛行時前行槳葉和后行槳葉的氣動狀態(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)生較大振動和噪聲。

從目前技術(shù)狀況看，要同時解決這兩三個問題很難，只能分別去解決。對第二個缺點，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/時提高到400～500千米/時，并且已通過原理樣機(jī)飛行演示驗證，預(yù)計10年之后，可能會逐步投入使用。對第三個缺點，目前采取的振動主動抑制技術(shù)，可使駕駛員乘員處的振動水平控制在0.05g，這個問題可望得到解決。對第一個缺點，歐美國家現(xiàn)也已開展大量的專項研究，不但要降低噪聲對環(huán)境的污染而且也要降低發(fā)動機(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)的市場競爭必然由“用戶滿意”進(jìn)入“公眾滿意”時代。

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)場建在城市周邊；但是直升機(jī)的應(yīng)用強(qiáng)調(diào)低空和運輸便捷性，一般距離較短，如果機(jī)場建在城市周邊，會降低直升機(jī)的使用價值。因此，對直升機(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，歐盟啟動了“潔凈天空計劃（Clean Sky）”，該計劃由歐盟和飛機(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”計劃六個項目之一的“綠色旋翼機(jī)（Green Rotorcraft）”項目，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，美國國防部預(yù)先研究計劃局（DARPA）啟動自適應(yīng)旋翼（MAR）項目，項目設(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)可探測范圍減小50%；旋翼誘發(fā)振動減少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。

這兩個研究項目為直升機(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)計方向。因此，降低噪聲污染和發(fā)動機(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)動機(jī)。在直升機(jī)的三種外部聲源中，尾槳和發(fā)動機(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旋翼開展。

旋翼氣動布局設(shè)計

通過旋翼槳葉氣動外形優(yōu)化降低旋翼噪聲的技術(shù)屬于被動降噪技術(shù)，主要是通過對翼型、扭轉(zhuǎn)角、槳尖等氣動布局參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行低噪聲旋翼設(shè)計。當(dāng)前流行的旋翼被動降噪主要通過先進(jìn)槳尖優(yōu)化開展旋翼降噪設(shè)計，包括采用后掠、尖削、下反、BERP等槳尖形式，國際上先進(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噪聲優(yōu)化項目（ERATO）在旋翼被動降噪設(shè)計領(lǐng)域進(jìn)一步向前發(fā)展。該項目研究的“藍(lán)邊”（Blue-Edge）槳葉是一個創(chuàng)新型槳葉設(shè)計概念，“藍(lán)邊”槳葉通過減小槳尖弦長的設(shè)計降低槳尖渦強(qiáng)度，通過非均勻的弦長分布和前掠再后掠的彎曲形弦線分布設(shè)計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分離?！八{(lán)邊”槳葉獨特的設(shè)計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。截至2010年底，試驗已經(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，地面感知噪聲能夠減少3～4分貝。

主動襟翼旋翼

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

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

歐直公司在“藍(lán)色脈沖”（Blue-Pulse）控制項目中研發(fā)了通過雙襟翼特殊設(shè)計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，每分鐘周期運動15～40次，從而改變槳葉的氣流和運動，降低直升機(jī)降落時的振動和噪聲。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)計理念，其設(shè)計思想是通過在槳葉中內(nèi)置壓電材料作動器，槳葉能夠根據(jù)槳葉氣動環(huán)境的變化改變形狀，包括扭轉(zhuǎn)、弦長、槳尖形狀等，從而確保槳葉具有最佳的氣動性能，并能最大限度的降低噪聲。

美國的自適應(yīng)旋翼（MAR）項目是這方面研究的典型代表。項目要求設(shè)計并研發(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)，包括長度、后掠角、弦長、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)動機(jī)的技術(shù)發(fā)展外，也可以從直升機(jī)設(shè)計方面入手。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，可以降低至2%。

柴油發(fā)動機(jī)直升機(jī)

在“綠色旋翼機(jī)”項目中，歐直公司正在大力開展柴油動力直升機(jī)的研發(fā)。該公司以EC120直升機(jī)為平臺，采用小型柴油發(fā)動機(jī)開展了方案設(shè)計和可行性研究。通過項目研究，先期目標(biāo)是基于現(xiàn)有的柴油發(fā)動機(jī)技術(shù)實現(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)動直升機(jī)

全電驅(qū)動的直升機(jī)將具有巨大優(yōu)勢，電動發(fā)動機(jī)的使用將減少直升機(jī)復(fù)雜的動部件，從而使成本能夠降低三分之一；同時能夠降低振動和噪聲從而使機(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)是對電驅(qū)動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)動直升機(jī)的飛行，計劃將一架Guimbal Cabri輕型直升機(jī)改裝成電驅(qū)動驗證機(jī)。

混合動力直升機(jī)

EADS公司的混合動力直升機(jī)在2010年的柏林航展上首次亮相，其動力裝置包含兩臺200軸馬力兩沖程活塞式航空發(fā)動機(jī)、兩臺發(fā)電機(jī)以及兩組鋰離子電池?；旌蟿恿χ鄙龣C(jī)項目主要是改進(jìn)發(fā)動機(jī)的整體效率，從而使得混合動力直升機(jī)的燃油消耗率與同級別的直升機(jī)相比減少30%，同時增加了直升機(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，由一個高壓電動機(jī)用于提供尾槳的動力，傳統(tǒng)渦輪發(fā)動機(jī)可以繼續(xù)用于驅(qū)動主旋翼。

采用電驅(qū)動的尾槳傳動系統(tǒng)將可能大有作為，其理念是使用一個局部的電動機(jī)替換機(jī)械傳動軸。這樣，尾槳就獨立于旋翼，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。

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

中國直升機(jī)的應(yīng)對之策

中國直升機(jī)行業(yè)推出的AC311、AC312、AC313已取得中國民航適航證，滿足現(xiàn)在的中國民航CCAR34部和36部的要求，但是其機(jī)外噪聲水平和發(fā)動機(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，國內(nèi)直升機(jī)行業(yè)和發(fā)動機(jī)行業(yè)也注意到噪聲控制和發(fā)動機(jī)排放的問題，并積極開展相關(guān)技術(shù)研究。中國直升機(jī)設(shè)計研究為此專門建立旋翼噪聲試驗室，開展旋翼系統(tǒng)噪聲機(jī)理、低噪聲優(yōu)化設(shè)計以及噪聲抑制技術(shù)研究；國內(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)動機(jī)行業(yè)仍在致力于降低發(fā)動機(jī)耗油率，同時也跟蹤固定翼飛機(jī)的新能源發(fā)動機(jī)。

但是，我國對直升機(jī)噪聲控制及發(fā)動機(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)、研究內(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)充分的試驗驗證，應(yīng)用性不強(qiáng)。這種狀況對未來民用直升機(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，從國家層面對未來綠色環(huán)保直升機(jī)進(jìn)行整體規(guī)劃，確定研究目標(biāo)和研究內(nèi)容、制定研究實施計劃，在國家政策上予以支持。

從研究途徑看，一方面，通過國家有關(guān)部門協(xié)調(diào)各行業(yè)優(yōu)勢力量，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)國際航空環(huán)保組織，跟蹤國際上的研究進(jìn)展情況，鼓勵國內(nèi)直升機(jī)及發(fā)動機(jī)行業(yè)與國際先進(jìn)公司及相關(guān)組織的合作。

歐盟、美國正大力推行綠色工業(yè)，通過“潔凈天空”等項目計劃的實施，預(yù)計到2020年，直升機(jī)綠色環(huán)保技術(shù)將會取得突破并推向市場，歐美等國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)。如果我們在綠色環(huán)保技術(shù)方面不能有所作為，2020年后，中國民用直升機(jī)產(chǎn)業(yè)將會面臨發(fā)展的重大技術(shù)門檻。

目前，中國民用直升機(jī)僅200架左右，預(yù)計到2020年，會有1000架的增量。中國民用直升機(jī)現(xiàn)處于發(fā)展的關(guān)鍵時期。對直升機(jī)綠色環(huán)保技術(shù)的專項研究已刻不容緩，只有采取切實的行動，才能實現(xiàn)中國直升機(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）