（中航工業(yè)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，天津 300071）

呂春雷

1996年畢業(yè)于南京航空航天大學(xué)，2005年獲碩士學(xué)位?，F(xiàn)就職于中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，研究員，所B級(jí)技術(shù)專家，獲得部級(jí)成果2項(xiàng)，省級(jí)成果1項(xiàng)，集團(tuán)級(jí)成果3項(xiàng)，榮立個(gè)人三等功1次、二等功2次。

從20世紀(jì)30年代中期，直升機(jī)真正投入使用，至今，直升機(jī)技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，經(jīng)歷了4代技術(shù)發(fā)展階段，第五代技術(shù)正處于構(gòu)想階段。

依據(jù)參考文獻(xiàn)[1]中對(duì)不同代際直升機(jī)的描述，從20世紀(jì)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(jī)； 20世紀(jì)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(jī)； 20世紀(jì)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(jī)；20世紀(jì)90年代至2010年，以“科曼奇”、NH-90為典型代表的第四代直升機(jī)，劃代的主要依據(jù)無外乎發(fā)動(dòng)機(jī)、材料、信息化程度、最大平飛速度以及振動(dòng)和噪聲水平。因此，第五代直升機(jī)構(gòu)想的主要特點(diǎn)可以定性描述為高速、高機(jī)動(dòng)、隱身、遠(yuǎn)程、長(zhǎng)航時(shí)等，而且振動(dòng)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(jī)，即第五代直升機(jī)的典型特征可概括為：自身性能和環(huán)境友好性兩個(gè)方面的能力有所提升，甚或有質(zhì)的飛躍。

下一代直升機(jī)3大技術(shù)發(fā)展方向

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展只有以需求為牽引，才有足夠的動(dòng)力與后勁，下一代直升機(jī)技術(shù)發(fā)展也不例外?；谏鲜瞿芰μ嵘枨?，可以預(yù)見下一代直升機(jī)技術(shù)應(yīng)從高速、綠色和智能化3個(gè)方向發(fā)展。

1 高速技術(shù)

在直升機(jī)真正誕生之后，尤其是20世紀(jì)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(jī)的速度得到了快速提高，“超黃蜂”的速度達(dá)到了250km/h。此后，對(duì)速度的提升再次減緩。隨著應(yīng)用越來越廣泛，為了進(jìn)一步適應(yīng)軍、民領(lǐng)域的市場(chǎng)需求，提高直升機(jī)飛行速度成為不可避免的課題，高速技術(shù)也已成為下一代直升機(jī)的技術(shù)發(fā)展方向之一。

分析表明，直升機(jī)前飛時(shí)，旋翼所處的復(fù)雜氣動(dòng)環(huán)境從根本上限制了直升機(jī)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(shù)手段包括總體構(gòu)型革新與旋翼能力提升[2]。

（1）總體構(gòu)型革新。

前飛時(shí)，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(jìn)而導(dǎo)致直升機(jī)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(dòng)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(gòu)型革新勢(shì)在必行。傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)、剛性旋翼直升機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，V-22、BA609、X2/X3就是典型的代表（圖1和圖2）。盡管從嚴(yán)格意義上來講，這些直升機(jī)已經(jīng)不再是傳統(tǒng)的、純粹的直升機(jī)，它們結(jié)合了直升機(jī)和固定翼飛機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，但是人們依然稱之為高速直升機(jī)。

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(zhuǎn)旋翼機(jī)。目前，世界上只有美國(guó)的貝爾公司掌握了傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的核心技術(shù)。前蘇聯(lián)和歐盟也進(jìn)行了一些研究，但都沒有進(jìn)入到型號(hào)研制階段。傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)在飛行速度和飛行包線兩方面都比直升機(jī)大大提高，比如：常規(guī)直升機(jī)最大平飛速度只有315km/h，V-22可達(dá)到565km/h；常規(guī)直升機(jī)最大實(shí)用升限一般在6km以下，V-22的實(shí)用升限將近8km[3]。

另外，美國(guó)的西科斯基飛機(jī)公司正在研究的一種X2新構(gòu)型技術(shù)驗(yàn)證機(jī)，其巡航速度可達(dá)到462km/h左右，具有非常巨大的技術(shù)潛力。西科斯基與波音公司聯(lián)合研發(fā)、參與美國(guó)國(guó)防部FVL戰(zhàn)略計(jì)劃競(jìng)標(biāo)的SB>1就是以X2技術(shù)為基礎(chǔ)開展設(shè)計(jì)的，該技術(shù)采用可變轉(zhuǎn)速傳動(dòng)系統(tǒng)來調(diào)整槳尖速度以適應(yīng)高速巡航使用。同時(shí)參與競(jìng)標(biāo)的其他3家公司（AVX飛機(jī)公司、貝爾直升機(jī)特克斯特朗公司和凱瑞姆飛機(jī)公司）也不約而同采用了新構(gòu)型[4]。

被美國(guó)陸軍聯(lián)合多功能技術(shù)驗(yàn)證機(jī)（JMR-TD）項(xiàng)目選中的V-280“勇士”（圖3）第三代傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)是在V-22“魚鷹”技術(shù)基礎(chǔ)上的升級(jí)，當(dāng)前設(shè)計(jì)方案的亮點(diǎn)就是提高了低速靈活性、高過載的機(jī)動(dòng)性、低油耗和長(zhǎng)航程等。

圖3 貝爾公司V-280傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)Fig.3 V-280 titlerotor developed by Bell

（2）旋翼能力提升。

旋翼是直升機(jī)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(jī)飛行速度的最直接的途徑。

旋翼能力提升技術(shù)[1，5]除了翼型配置、槳葉平面形狀、氣動(dòng)扭轉(zhuǎn)以及槳尖形狀設(shè)計(jì)等常規(guī)途徑以外，值得一提的是美國(guó)NASA新近開始的一種與具有創(chuàng)新意義的研究項(xiàng)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(jī)在快速前飛時(shí)，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(gè)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(duì)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(duì)稱翼型最大的優(yōu)勢(shì)在于可以將旋翼轉(zhuǎn)速與前飛速度疊加，把對(duì)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(shí)間。當(dāng)然這種逆速旋翼設(shè)計(jì)，還需要可變速的傳動(dòng)裝置和輔助推力系統(tǒng)的支持。逆速旋翼機(jī)的出現(xiàn)及其所達(dá)到的前飛速度水平，對(duì)現(xiàn)有像V-22那樣的傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)直接構(gòu)成了挑戰(zhàn)。與此同時(shí)，未來采用逆速旋翼系統(tǒng)的旋翼機(jī)還能避免傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)技術(shù)復(fù)雜、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量效率低、可靠性低、動(dòng)力學(xué)和過渡飛行控制技術(shù)難、雙旋翼間存在干擾等技術(shù)難題。

2 綠色技術(shù)

直升機(jī)的使用空域一般在5～6km以下，與固定翼飛機(jī)相比，該范圍更接近居民空間，同時(shí)為了凸顯低空性、運(yùn)輸便捷性和使用價(jià)值的提高，直升機(jī)機(jī)場(chǎng)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(dòng)機(jī)排放物引起的空氣污染等，都會(huì)對(duì)周邊的居民產(chǎn)生影響。因此，對(duì)這些外部環(huán)境污染的有效控制是綠色直升機(jī)的特征，也是直升機(jī)適用性的重要指標(biāo)。通常來講，降噪和減排的技術(shù)稱之為綠色直升機(jī)技術(shù)。

目前，廣為人知的綠色技術(shù)探索項(xiàng)目包括歐盟啟動(dòng)的“潔凈天空計(jì)劃”（Clean Sky）中的綠色旋翼機(jī)和美國(guó)國(guó)防預(yù)先研究計(jì)劃局（DARPA）啟動(dòng)的任務(wù)自適應(yīng)旋翼（MAR）項(xiàng)目。其中潔凈天空計(jì)劃的目標(biāo)是為未來飛機(jī)開發(fā)綠色環(huán)保技術(shù)，作為該計(jì)劃6個(gè)項(xiàng)目之一的“綠色旋翼機(jī)”（Green Rotorcraft）項(xiàng)目，要求直升機(jī)削減10dB噪聲；渦軸直升機(jī)的二氧化碳排放量減少26%，發(fā)動(dòng)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(dòng)布局和系統(tǒng)方面的改進(jìn)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(yīng)旋翼項(xiàng)目性能目標(biāo)更為明確，包括：有效載荷增加30%；航程增大40%；旋翼聲學(xué)可探測(cè)范圍減小50%、誘發(fā)振動(dòng)減少90%[5]。毫無疑問，這兩個(gè)研究項(xiàng)目作為先驅(qū)，為綠色直升機(jī)技術(shù)的發(fā)展指明了方向。

（1）降噪技術(shù)。

直升機(jī)的外部噪聲主要來自旋翼、尾槳和發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，旋翼噪聲為主要來源，因此目前直升機(jī)外部降噪研究主要針對(duì)旋翼開展，研究的焦點(diǎn)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(shè)計(jì)和“主動(dòng)扭轉(zhuǎn)旋翼”。高升力槳葉技術(shù)被業(yè)內(nèi)認(rèn)為是最新的研究項(xiàng)目，主要通過降低巡航飛行時(shí)的旋翼轉(zhuǎn)速，達(dá)到降低直升機(jī)至飛臨區(qū)域的噪聲?！安ㄐ巍睒~設(shè)計(jì)（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{(diào)式旋翼”是一種槳葉分布間距不均等的旋翼系統(tǒng)，通過調(diào)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(qiáng)度。“主動(dòng)扭轉(zhuǎn)旋翼”（Active Twist Rotor，ATR）的核心是通過對(duì)每一片旋翼槳葉的載荷和空間位置進(jìn)行獨(dú)立控制，減小槳葉渦強(qiáng)度，使后一片槳葉不會(huì)和前一片槳葉產(chǎn)生的渦流相撞。NASA的風(fēng)洞試驗(yàn)顯示主動(dòng)扭轉(zhuǎn)旋翼對(duì)于降低噪音和振動(dòng)有明顯的作用[5]。

（2）減排技術(shù)

直升機(jī)尾氣由發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)尾氣排放可以從3個(gè)方面開展技術(shù)研究[6-8]，首先是從發(fā)動(dòng)機(jī)出發(fā)，開展技術(shù)研究，降低耗油率，提高燃油效率，或者通過動(dòng)力裝置的改進(jìn)從根本上消除發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣的排放；其次是從直升機(jī)方面入手，通過機(jī)身氣動(dòng)優(yōu)化、外部氣動(dòng)部件整流、起落架以外掛結(jié)構(gòu)的收放來減少前飛時(shí)的廢阻，進(jìn)而降低對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率需求，當(dāng)然還可以通過無尾槳設(shè)計(jì)，降低需用功率；最后是通過進(jìn)、排氣優(yōu)化等技術(shù)措施減少發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝損失。

以上幾方面研究中，值得一提的是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、全電驅(qū)與混合動(dòng)力直升機(jī)技術(shù)研究，這些都是可從根本上實(shí)現(xiàn)綠色直升機(jī)的可取之路。歐盟正在“綠色旋翼機(jī)”（Green Rotorcraft）項(xiàng)目中大力開展柴油動(dòng)力直升機(jī)研發(fā)，先期目標(biāo)是基于現(xiàn)有的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)實(shí)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(dòng)機(jī)技術(shù)，結(jié)合直升機(jī)總體方案優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)減少30%～40%燃料消耗。相比于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用可減少直升機(jī)復(fù)雜的動(dòng)部件，降低振動(dòng)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(jī)（圖4）是對(duì)電驅(qū)動(dòng)垂直起降飛行器的首次嘗試。混合動(dòng)力直升機(jī)項(xiàng)目主要是改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的整體效率，使燃油消耗率與同級(jí)別直升機(jī)相比減少30%，同時(shí)增加直升機(jī)的安全裕度，這種直升機(jī)尚處在概念研究階段。此外，新能源發(fā)動(dòng)機(jī)，如生物燃料、激光發(fā)動(dòng)機(jī)等也將成為綠色直升機(jī)技術(shù)中不可或缺的成員。

3 智能化技術(shù)

（1）材料智能化。

智能材料結(jié)構(gòu)通過微型傳感器、微處理器、光纖和壓電材料等植入復(fù)合材料中，使直升機(jī)旋翼或結(jié)構(gòu)按照飛行員的指令或根據(jù)局部的空氣動(dòng)力特性自動(dòng)作出響應(yīng)，調(diào)整形狀，從而提高性能和品質(zhì)。目前，這類研究主要集中于旋翼系統(tǒng)，其核心是對(duì)槳葉展向扭轉(zhuǎn)和弦向彎度進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)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(qū)動(dòng)的槳葉后緣襟翼，在直升機(jī)旋翼大梁中引入形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)裝置以及在旋翼槳葉上鋪設(shè)智能材料纖維等。2004年，由波音牽頭的一個(gè)研究小組對(duì)MD直升機(jī)進(jìn)行改裝，在槳葉上安裝了由智能材料驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)后緣舵面補(bǔ)償片，并開展了臺(tái)架試驗(yàn)，結(jié)果表明振動(dòng)值降低了 80%[5，9]。

（2）人機(jī)界面智能化。

人機(jī)界面智能化技術(shù)的發(fā)展依托于信息化技術(shù)的發(fā)展，包括微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展。采用這些技術(shù)可以通過多余度數(shù)字式總線交聯(lián)實(shí)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(shù)，簡(jiǎn)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(fù)荷，改善飛行品質(zhì)等。早在20世紀(jì)末，貝爾直升機(jī)公司就提出了一項(xiàng)適應(yīng)未來戰(zhàn)場(chǎng)應(yīng)用需求的 “超級(jí)座艙”研究計(jì)劃，目前，具有部分智能化功能的“超級(jí)座艙”已經(jīng)應(yīng)用于AH-1W等改型中?？梢灶A(yù)見，隨著更先進(jìn)信息技術(shù)的應(yīng)用，下一代直升機(jī)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(shù)實(shí)現(xiàn)飛行控制，一方面可通過取消機(jī)械控制機(jī)構(gòu)減輕系統(tǒng)重量，另一方面可通過控制律設(shè)計(jì)、系統(tǒng)重構(gòu)等技術(shù)的應(yīng)用減輕駕駛員工作負(fù)荷，甚至實(shí)現(xiàn)無憂操作和自動(dòng)駕駛。隨著直升機(jī)機(jī)載電子設(shè)備數(shù)量與復(fù)雜度的增加，電纜用量和線路布局愈加復(fù)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(zhì)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(qiáng)等特點(diǎn)，可大大改進(jìn)直升機(jī)的穩(wěn)定性和操縱性，并使自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)具有更大的靈活性，充分發(fā)揮和運(yùn)用直升機(jī)的全部性能，并能減輕飛行員的工作負(fù)荷。目前，美國(guó)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(jī)實(shí)現(xiàn)首飛，標(biāo)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(jī)Fig.4 “Firefly” all electric helicopter developed by Sikorsky

（4）整機(jī)控制無人化。

整機(jī)控制無人化的發(fā)展取決于遠(yuǎn)程控制技術(shù)的發(fā)展。隨著視距、超視距控制技術(shù)的發(fā)展，不僅促進(jìn)了無人直升機(jī)的發(fā)展，更使直升機(jī)整機(jī)控制能夠在有人和無人兩種模式間進(jìn)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(jī)平臺(tái)加裝相應(yīng)的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)整機(jī)控制無人化，大大降低研制成本與風(fēng)險(xiǎn)。以美國(guó)黑鷹直升機(jī)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(jì)劃，并開始了飛行員遠(yuǎn)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(jī)提供更好的自導(dǎo)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(jī)器人車運(yùn)送至位于佛羅里達(dá)州的空投區(qū)，通過了一項(xiàng)關(guān)于自主直升機(jī)飛行以及與機(jī)器人協(xié)同的關(guān)鍵測(cè)試，期間共完成了包括進(jìn)場(chǎng)、吊起車輛、沿航線飛行5～7km、將車輛運(yùn)送至地面定點(diǎn)位置、投放等數(shù)個(gè)指令，這次測(cè)試是對(duì)“該技術(shù)以及直升機(jī)與機(jī)器人車的協(xié)同合作”最為關(guān)鍵的一次驗(yàn)證。

結(jié)束語

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

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