李春華 樊楓 徐明

摘要：共軸剛性旋翼帶推力槳構(gòu)型在保留常規(guī)直升機(jī)優(yōu)異近地面機(jī)動能力的基礎(chǔ)上，可實(shí)現(xiàn)速度與航程提升一倍，是下一代軍用直升機(jī)的主要構(gòu)型。本文從直升機(jī)構(gòu)型發(fā)展需求出發(fā)，系統(tǒng)梳理了共軸剛性旋翼的概念原理、技術(shù)攻關(guān)和型號預(yù)發(fā)展過程，并以美軍未來高速直升機(jī)型號發(fā)展和直升機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢，提煉并概括了以高速直升機(jī)裝備為代表的下一代軍用直升機(jī)的典型技術(shù)特征，對高速直升機(jī)的發(fā)展提出一些建議。

關(guān)鍵詞：共軸剛性旋翼；高速直升機(jī)；發(fā)展趨勢；典型技術(shù)特征

中圖分類號：V211.52文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.01.008

直升機(jī)具有垂直起降、空中懸停以及優(yōu)良的近地面機(jī)動性能，在軍、民用領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的重要作用。然而，受旋翼工作原理的約束，當(dāng)前飛速度疊加旋翼轉(zhuǎn)速接近聲速時，旋翼前行側(cè)會產(chǎn)生激波、后行側(cè)動態(tài)失速，因此，一般直升機(jī)的平飛速度很難超越300km/h，限制了直升機(jī)在軍、民用領(lǐng)域的應(yīng)用拓展。在保留常規(guī)直升機(jī)獨(dú)特的垂直起降、低空懸停以及機(jī)動能力的基礎(chǔ)上，突破旋翼工作原理對速度的限制，實(shí)現(xiàn)高速飛行，一直是美歐等航空強(qiáng)國持續(xù)追求的目標(biāo)。以美國西科斯基公司S-97、SB>1為代表的高速直升機(jī)，通過共軸剛性旋翼帶推力槳構(gòu)型實(shí)現(xiàn)旋翼工作模式的優(yōu)化，在保留常規(guī)直升機(jī)優(yōu)異近地面機(jī)動能力的基礎(chǔ)上，平飛速度提高至450km/h以上，航程大于1200km，是下一代軍用直升機(jī)的主要構(gòu)型。本文將系統(tǒng)地梳理共軸剛性旋翼的概念原理，分析國外共軸剛性旋翼帶推力槳構(gòu)型的高速直升機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)歷程，以及當(dāng)前的型號預(yù)發(fā)展情況，在此基礎(chǔ)上，通過對美軍未來高速直升機(jī)型號與技術(shù)發(fā)展趨勢的分析，提煉并概括下一代軍用直升機(jī)的典型技術(shù)特征，并對國內(nèi)高速直升機(jī)的發(fā)展提出建議。

1共軸剛性旋翼概念

共軸剛性旋翼是國內(nèi)對前行槳葉概念（ABC）的別稱[1]，源自文藝復(fù)興時期達(dá)？芬奇的“旋翼機(jī)”假想圖，但是由于它對旋翼結(jié)構(gòu)的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了當(dāng)時的技術(shù)水平，直到20世紀(jì)60年代，西科斯基公司采用鈦合金制造旋翼槳葉以探索共軸剛性旋翼技術(shù)，才正式開啟了西科斯基公司長達(dá)近60年的共軸剛性旋翼構(gòu)型高速直升機(jī)的研發(fā)之路[2]。

常規(guī)直升機(jī)旋翼受到前行槳葉激波限制（見圖1）和后行槳葉失速限制（見圖2），飛行速度最大只能到300km/h左右。而共軸剛性旋翼構(gòu)型高速直升機(jī)打破了常規(guī)直升機(jī)旋翼的工作原理（見表1），采用前行槳葉概念和共軸雙旋翼構(gòu)型，只通過旋翼前行側(cè)提供升力，后行側(cè)不提供升力，充分利用了旋翼前行側(cè)動壓大的優(yōu)勢，避免了后行側(cè)失速對飛行速度的限制；同時，在高速飛行時，降低旋翼轉(zhuǎn)速以減弱前行槳葉激波的限制，并采用輔助推進(jìn)裝置（推力槳）提供足夠的前進(jìn)力。該構(gòu)型直升機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，保留并提升了常規(guī)直升機(jī)低空機(jī)動能力，可實(shí)現(xiàn)大幅度的速度提升。

二戰(zhàn)后，美國經(jīng)濟(jì)和科技高速發(fā)展，試飛了多種復(fù)合式高速直升機(jī)，并有明確的計劃牽引和競爭決策機(jī)制。在該背景下，1964年起，美國西科斯基公司對前行槳葉概念旋翼進(jìn)行了大量的探索性研究和技術(shù)攻關(guān)，包括旋翼氣動設(shè)計、剛性旋翼結(jié)構(gòu)設(shè)計、動力學(xué)設(shè)計、飛行操縱與控制、縮比模型風(fēng)洞試驗(yàn)等，并于1970年在NASA-AMES 40ft×80ft風(fēng)洞中進(jìn)行了全尺寸共軸剛性旋翼風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證，這標(biāo)志著前行槳葉概念旋翼的理論分析和試驗(yàn)研究達(dá)到了頂點(diǎn)，并初步驗(yàn)證前行槳葉概念旋翼系統(tǒng)的技術(shù)可行性和性能潛力。1972年，在美國陸軍的資助下，西科斯基公司開始研制XH-59A技術(shù)驗(yàn)證機(jī)，并且在1973—1981年間，完成了大約170h的試驗(yàn)飛行。XH-59A在試飛中，最大飛行速度達(dá)到了487.5km/h，并表現(xiàn)出了卓越的操縱品質(zhì)，剛性旋翼提供了較大的操縱功效，機(jī)動能力顯著提升，充分驗(yàn)證了前行槳葉概念的可行性。陸軍在對XH-59 A的評價報告中指出“共軸剛性旋翼具有應(yīng)用于陸軍戰(zhàn)術(shù)直升機(jī)上的出色潛力，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證的敏捷性、穩(wěn)定性和提升后的飛行速度可以增強(qiáng)戰(zhàn)術(shù)飛行人員的作戰(zhàn)能力，并在現(xiàn)代戰(zhàn)場上取得勝利”。

盡管XH-59A的研制與試飛取得了令人印象深刻的成就，但由于其本身是一個概念驗(yàn)證機(jī)，研制經(jīng)費(fèi)和周期均有限，在設(shè)計過程中進(jìn)行了多次折中，XH-59A存在幾個重要的設(shè)計缺陷：（1）由于旋翼系統(tǒng)和推進(jìn)器分別采用各自的動力系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)，導(dǎo)致整機(jī)空重比低；（2）由于旋翼振動載荷較大，并且采用的是三片槳葉構(gòu)型，導(dǎo)致機(jī)身振動水平過高；（3）由于整副旋翼阻力過大，導(dǎo)致整機(jī)升阻比不高。為克服這些缺點(diǎn)，1982年，西科斯基公司對XH-59A進(jìn)行大范圍的改進(jìn)，形成了XH-59B構(gòu)型方案，而后，西科斯基公司將開發(fā)和試飛XH-59B的建議遞交到了陸軍，但西科斯基公司拒絕分擔(dān)成本（部分原因是公司資源過度緊張），因?yàn)楫?dāng)時正同時開發(fā)UH-60“黑鷹”、SH-60“海鷹”、CH-53E“超級種馬”和民用型S-76，最后導(dǎo)致陸軍未授予合同，因此XH-59B就此終止，這也標(biāo)志著共軸剛性旋翼技術(shù)探索階段的結(jié)束。

2共軸剛性旋翼技術(shù)的深入發(fā)展

雖然結(jié)束XH-59型高速直升機(jī)技術(shù)驗(yàn)證機(jī)項(xiàng)目，但西科斯基并未放棄共軸剛性旋翼構(gòu)型，并一直在作相應(yīng)的技術(shù)儲備。直至2004年，西科斯基公司借助于自身20多年常規(guī)直升機(jī)技術(shù)發(fā)展成果，又開始了新一輪的共軸剛性旋翼構(gòu)型高速直升機(jī)技術(shù)研究，并于2005年初公開宣布了X2技術(shù)驗(yàn)證機(jī)計劃[3]。西科斯基公司借鑒了XH-59A研制和試飛經(jīng)驗(yàn)，并針對XH-59A仍然存在的設(shè)計缺陷進(jìn)行了有針對性的改進(jìn)設(shè)計，并實(shí)施于X2技術(shù)驗(yàn)證機(jī)，攻克了多項(xiàng)共軸剛性旋翼構(gòu)型高速直升機(jī)關(guān)鍵技術(shù)：（1）尾部加裝推力槳以代替XH-59的噴氣式發(fā)動機(jī)，并采用單臺LHTEC T800-LHT-801發(fā)動機(jī)為共軸剛性旋翼和推力槳提供動力，簡化的動力和傳動系統(tǒng)，降低了空機(jī)重量（質(zhì)量），從而提升了全機(jī)的空重比；此外，采用全復(fù)合材料進(jìn)行槳葉研制，也在一定程度上降低了旋翼系統(tǒng)和空機(jī)的重量。（2）對UH-60M和S-92A型機(jī)上使用的振動主動控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，并應(yīng)用于X2技術(shù)驗(yàn)證機(jī)，以大幅降低其振動水平；同時，將槳葉片數(shù)由XH-59A的三片（單副旋翼）改為4片，也在一定程度上降低了X2的振動水平。（3）重新設(shè)計了效率更高的共軸剛性旋翼槳葉和推力槳，并采用現(xiàn)代計算流體力學(xué)（CFD）工具設(shè)計了低阻的槳轂整流罩，大幅提升了旋翼系統(tǒng)的氣動效率。（4）采用新型的電傳飛控系統(tǒng)，大幅降低了飛行員的工作負(fù)荷。

X2技術(shù)驗(yàn)證機(jī)最大設(shè)計平飛速度490km/h，巡航速度460km/h，并于2010年實(shí)現(xiàn)了463km/h的巡航飛行，振動水平降至0.1g以下，操縱功效達(dá)到普通直升機(jī)的三倍，槳轂阻力降低至50%以下。從西科斯基公布的X2技術(shù)驗(yàn)證機(jī)的試飛結(jié)果來看，X2的研制獲得了極大的成功，充分驗(yàn)證了共軸剛性旋翼構(gòu)型高速直升機(jī)各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)、技術(shù)可行性和優(yōu)異的性能潛力，也給了西科斯基公司后續(xù)研發(fā)這種構(gòu)型高速直升機(jī)極大的信心。

3共軸剛性旋翼構(gòu)型高速直升機(jī)的型號預(yù)發(fā)展

2003年以后，美軍針對軍用直升機(jī)開展了專項(xiàng)調(diào)研，得出了4點(diǎn)結(jié)論：（1）現(xiàn)役最先進(jìn)的“阿帕奇”AH-64和“黑鷹”UH-60多次被擊落，曝露出軍用直升機(jī)速度慢、生存力不高的缺陷；（2）高頻使用導(dǎo)致現(xiàn)役直升機(jī)加速老化，運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用激增；（3）現(xiàn)役直升機(jī)在航程、速度、有效載荷、可靠性等多達(dá)55個缺陷方面必須提升和改善；（4）長期沒有新研直升機(jī)型號導(dǎo)致美國直升機(jī)行業(yè)基礎(chǔ)日益退化。針對以上現(xiàn)實(shí)缺陷，2008年美國國會旋翼飛行器核心小組要求制定未來旋翼飛行器戰(zhàn)略發(fā)展計劃。在此背景下，未來垂直起降飛行器（future vertical lift，F(xiàn)VL）項(xiàng)目被提出，并于2009年經(jīng)美國國防部批準(zhǔn)實(shí)施。該項(xiàng)目由美國陸軍領(lǐng)銜負(fù)責(zé)，海軍、空軍、特殊作戰(zhàn)指揮部、海軍陸戰(zhàn)隊和海岸警衛(wèi)隊等軍兵種參與。FVL項(xiàng)目以旋翼飛行器的發(fā)展為主，主要著眼于美國軍方和工業(yè)部門垂直起降能力和技術(shù)的發(fā)展，提出充分利用現(xiàn)有資源研發(fā)出滿足實(shí)戰(zhàn)需求的旋翼飛行器構(gòu)型，為美國軍方提供更優(yōu)的旋翼飛行器解決方案，并通過FVL項(xiàng)目，充分研究、驗(yàn)證高速旋翼飛行器的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，確保美國旋翼飛行器技術(shù)領(lǐng)先并持續(xù)發(fā)展。

FVL項(xiàng)目計劃在未來50多年里替換6100多架面臨老齡化的旋翼飛行器，并為此提出了“系統(tǒng)家族”的概念，強(qiáng)調(diào)通用、開放和系列化，涉及輕型、中型和重型直升機(jī)研發(fā)。輕型將用于替代“基奧瓦勇士”O(jiān)H-58直升機(jī)；中型將用來替代陸軍的“黑鷹”UH-60、“阿帕奇”AH-64和海軍的“海鷹”SH-60等直升機(jī)，大約4100架；重型主要用于替代“支奴干”CH-47直升機(jī)。由于FVL項(xiàng)目由美軍多軍兵種共同參與，參與方對裝備需求有顯著差異，為此項(xiàng)目團(tuán)隊于2015年引入了“任務(wù)能力集”（CapSet）概念，通過能力集的不同組合構(gòu)建不同的作戰(zhàn)需求，并牽引不同的平臺研發(fā)。

美國陸軍為降低FVL項(xiàng)目中型號研制的風(fēng)險和成本，在2010年提出了聯(lián)合多用途旋翼飛行器FVL-JMR子項(xiàng)目[4]，擬通過研發(fā)多種構(gòu)型旋翼飛行器技術(shù)驗(yàn)證機(jī)，來驗(yàn)證各項(xiàng)平臺與任務(wù)系統(tǒng)的先進(jìn)技術(shù)，以滿足更高速度、生存性和可靠性，更大航程和有效載荷的共性需求，支撐后續(xù)不同噸位和用途的旋翼飛行器型號裝備研發(fā)，并為FVL項(xiàng)目的型號任務(wù)需求、指標(biāo)要求等提供決策指導(dǎo)。

在FVL-JMR項(xiàng)目的牽引下，美國西科斯基-波音團(tuán)隊以13t級的共軸剛性旋翼構(gòu)型高速直升機(jī)SB>1“無畏”參與JMR項(xiàng)目的競標(biāo)[5]，并順利成為進(jìn)入到飛行驗(yàn)證階段的兩型高速旋翼飛行器之一。雖然在此之前，西科斯基公司已有了XH-59A、X-2兩型技術(shù)驗(yàn)證機(jī)的研制經(jīng)驗(yàn)，但為進(jìn)一步降低大重量的SB>1的技術(shù)風(fēng)險，西科斯基在SB>1之前，還研制了一型5t級技術(shù)驗(yàn)證機(jī)S-97“侵襲者”[6]。S-97配備了單臺YT706-GE-700R渦軸發(fā)動機(jī)，于2015年首飛，并在2018年10月，逐步將飛行速度擴(kuò)展到370km/h，最大飛行速度有望突破463km/h，但近期的試飛結(jié)果尚未公布。而SB>1也于2019年3月實(shí)現(xiàn)首飛，并在6月的拓展飛行試驗(yàn)中達(dá)到380km/h，下一步將繼續(xù)拓展飛行包線，其設(shè)計巡航速度約為425km/h，最大飛行速度約為460km/h。

根據(jù)S-97、SB>1的試飛進(jìn)展，共軸剛性旋翼構(gòu)型高速直升機(jī)優(yōu)異的近地面機(jī)動能力和高速飛行能力，高度契合 FVL項(xiàng)目和美軍的作戰(zhàn)需求，在FVL項(xiàng)目的競標(biāo)中都展現(xiàn)出較為明顯的優(yōu)勢，有望分別贏得FVL項(xiàng)目中輕型攻擊偵察直升機(jī)（FARA）和中型遠(yuǎn)程攻擊飛行器（FLRAA）研制合同，并于2030年前后裝備部隊，2035年形成作戰(zhàn)能力。

4典型技術(shù)特征

在過去的30年中，各軍事強(qiáng)國間的直升機(jī)裝備性能逐漸趨于平衡，基于保持持續(xù)軍事優(yōu)勢的需要，美國先后發(fā)布了“未來攻擊偵察飛行器”（FARA）與“未來遠(yuǎn)程攻擊直升機(jī)”（FLRAA）信息征詢書[7-8]，明確了高速直升機(jī)作為下一代直升機(jī)裝備的主體地位，也為下一代直升機(jī)裝備給出了基本的概念圖像。

（1）機(jī)載平臺高速化

最大飛行速度可達(dá)到450～600km/h，突破常規(guī)直升機(jī)速度限制。為實(shí)現(xiàn)高速化目標(biāo)，高速直升機(jī)必須采用非常規(guī)構(gòu)型，包括共軸、傾轉(zhuǎn)等，以規(guī)避目前常規(guī)直升機(jī)存在的旋翼限制；采用具備變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)能力的先進(jìn)渦軸發(fā)動機(jī)與傳動系統(tǒng)，保證高速飛行所需的功率輸出，以及持續(xù)飛行時的低油耗；采用高效旋翼系統(tǒng)及全復(fù)材機(jī)體結(jié)構(gòu)，以保證高氣動效率與重量效率。

（2）機(jī)載系統(tǒng)綜合化

采用綜合模塊化系統(tǒng)開放式架構(gòu)，通過高性能模塊化的硬件、靈活可移植的應(yīng)用軟件和統(tǒng)一高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)機(jī)載系統(tǒng)軟硬件基于任務(wù)能力的靈活擴(kuò)展、處理資源的共享、系統(tǒng)功能的智能重構(gòu)，解決在未來作戰(zhàn)環(huán)境下，機(jī)載平臺作為一個信息節(jié)點(diǎn)，獲取、處理、傳輸大量的平臺內(nèi)外海量多源信息需求與平臺可用空間等有限資源的矛盾，具有“云航電”特征，實(shí)現(xiàn)任務(wù)系統(tǒng)“即插即用”。

（3）飛行控制趨于自主化

基于高性能綜合任務(wù)處理單元與高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，下一代直升機(jī)裝備具備與無人機(jī)和無人蜂群協(xié)同控制與作戰(zhàn)能力，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場數(shù)據(jù)共享，飛行控制、態(tài)勢感知和智能決策相互協(xié)同。同時具備有人/無人雙模式飛行能力，即有人駕駛與無人駕駛自主飛行雙模式選擇，可實(shí)現(xiàn)人與機(jī)共同配合完成飛行與作戰(zhàn)任務(wù)，擴(kuò)展的無人飛行管理系統(tǒng)提供輔助決策作用，提供飛行、任務(wù)引導(dǎo)等信息供飛行員完成任務(wù)，減輕飛行員操縱負(fù)荷的同時，可對直升機(jī)飛行狀態(tài)、空域管理、外部信息等進(jìn)行監(jiān)控，提高直升機(jī)自主化能力。

（4）人機(jī)交互智能化

采用大屏多點(diǎn)觸摸顯示、三維音響告警、語音控制等先進(jìn)的人機(jī)交互方式，通過大屏顯示器、綜合頭盔顯示器、綜合控制手柄等構(gòu)件、高效智能的人機(jī)界面接口，并通過多通道控制，實(shí)現(xiàn)飛行引導(dǎo)指示、武器攻擊指示、戰(zhàn)場態(tài)勢顯示、威脅與告警及對直升機(jī)系統(tǒng)的各類控制與交互，有效增強(qiáng)飛行員對態(tài)勢的感知程度，并減輕操作負(fù)荷，滿足貼地飛行、空地和空空作戰(zhàn)、與無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)過程中，高負(fù)荷操作的任務(wù)需求。另外，電傳操縱或光傳操縱技術(shù)成為基本配置，全面提升直升機(jī)的飛行品質(zhì)，保證駕駛員具有優(yōu)良的操縱體驗(yàn)。

（5）武器系統(tǒng)模塊化

采用模塊化內(nèi)埋武器和外掛武器互換設(shè)計技術(shù)，通過武器系統(tǒng)貫標(biāo)實(shí)現(xiàn)對空空、空地武器的全面兼容，實(shí)現(xiàn)外掛物“即插即用”和武器裝備快速裝機(jī)，改變傳統(tǒng)構(gòu)型中由于接口規(guī)格多樣需配備專用接口單元的缺陷，以更好地適應(yīng)未來新型武器不同的需求。同時，可攜帶常規(guī)武器與新概念武器，支持系統(tǒng)的高性能、高生存性、可升級性和可負(fù)擔(dān)性，實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)能力的跨越式提升。

5結(jié)論

通過研究，可以得到以下結(jié)論：

（1）以FVL項(xiàng)目為牽引，美國正在加速高速直升機(jī)研發(fā)的進(jìn)程，通過能力集牽引裝備，進(jìn)而帶動全產(chǎn)業(yè)鏈的快速發(fā)展。

（2）共軸剛性旋翼構(gòu)型在實(shí)現(xiàn)高速的同時，低空超低空機(jī)動性能方面也有了優(yōu)勢，這種構(gòu)型的高速直升機(jī)能更好地滿足近地面機(jī)動能力要求。

（3）通過共軸剛性旋翼構(gòu)型實(shí)現(xiàn)旋翼高速卸載是實(shí)現(xiàn)直升機(jī)高速飛行的難點(diǎn)，其中飛行控制和振動控制更是關(guān)鍵，需要設(shè)計、材料、制造等工業(yè)基礎(chǔ)的系統(tǒng)推進(jìn)。

（4）高速是下一代直升機(jī)的典型特征，而高速直升機(jī)的發(fā)展必然帶來“智能”“自主協(xié)同”“大數(shù)據(jù)”“蜂群”“云端”等新興特征，高速直升機(jī)裝備的發(fā)展已成為航空強(qiáng)國的“標(biāo)配”。

（5）國內(nèi)需要加快推進(jìn)高速直升機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)直升機(jī)研發(fā)體系的整體跨越。

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（責(zé)任編輯陳東曉）

作者簡介

李春華（1979-）男，博士，研究員。主要研究方向：直升機(jī)氣動設(shè)計、新構(gòu)型旋翼飛行器研究。

Tel：0798-8465100E-mail：lich027@avic.com

樊楓（1987-）男，博士，高級工程師。主要研究方向：直升機(jī)氣動設(shè)計、旋翼槳葉噪聲研究。

徐明（1986-）男，博士，高級工程師。主要研究方向：直升機(jī)總體設(shè)計、新構(gòu)型旋翼飛行器研究。

Tel：18707981269E-mail：xuming18237@126.com

The Development Overview of Coaxial Rigid Rotor Helicopter

Li Chunhua*，F(xiàn)an Feng，Xu Ming

China Helicopter Research and Development Institute，Jingdezhen 333001，China

Abstract： Helicopter with coaxial rigid rotor can double the speed and range on the basis of retaining the excellent near-ground maneuverability of conventional helicopter. It is the main configuration of the next-generation military helicopter.Based on the development requirements of helicopter configuration， this paper systematically combs the concept principle of coaxial rigid rotor， technical research and model pre-development process. According to the future development of high-speed helicopter models and the development trend of helicopter technology， it refines and summarizes the typical technology of the next generation military helicopter represented by high-speed helicopter equipment . Through induction and summary， this paper introduces the corresponding enlightenment and puts forward some suggestions on the development of high-speed helicopters.

Key Words： coaxial rigid rotor； high-speed helicopter； future development； typical technology