王爽，王開通，曹金華，李恭楠，張琦，王國庫

1.哈爾濱飛機工業(yè)集團有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150066

2.陸軍裝備部航空軍事代表局駐哈爾濱地區(qū)航空軍事代表室，黑龍江 哈爾濱 150066

直升機具有垂直起降高效、定點懸停、低空低速飛行和機動性能良好等優(yōu)點，已被全球范圍內(nèi)的戰(zhàn)爭、監(jiān)視、交通、急診、搶險救援等多個領域所采納[1]。常規(guī)構(gòu)型直升機高速前飛時，存在前行槳葉易形成激波阻力、后行槳葉處氣流分離以及槳盤前傾，螺旋槳升力下降、阻力增大的問題，飛行速度難以突破350km/h[2]，這極大地限制了直升機的應用領域和發(fā)展空間。

早在20世紀50年代初期，美國等西方直升機強國就為了開發(fā)一種既具直升機的高效懸停性能，又具有固定翼飛機那樣的高速巡航能力的高速直升機而開展了大量研究工作，試飛的機型達數(shù)十種[3]。根據(jù)旋翼機氣動力學的研究和分析，設計一種既考慮飛行速度、懸停效率，又考慮制造復雜性且成本合理的新型旋翼飛機，是非常具有挑戰(zhàn)性的。隨著航空技術的進步，美國陸軍和空軍推出了“未來垂直升力”“高速垂直起降”等改進計劃，旨在提升直升機的性能，特別是飛行速度，以滿足對直升機日益增長的需求。平飛速度超過400km/h 的高速直升機，已經(jīng)成為第五代直升機發(fā)展的主流方向。

根據(jù)各國多年在提升旋翼飛行器速度上的探索和創(chuàng)造實踐，將高速直升機主要分為復合式、傾轉(zhuǎn)式和停轉(zhuǎn)式[4]三類。本文根據(jù)此分類方法，對國外高速直升機各構(gòu)型的主要特點與發(fā)展情況進行總結(jié)，并對其未來的發(fā)展趨勢進行分析預測，指出未來可行的研究方向及對我國發(fā)展高速直升機的啟示。

1 高速直升機研究進展

1.1 復合式高速直升機

復合式高速直升機按旋翼的類型可以劃分為常規(guī)旋翼式高速直升機和“ABC”旋翼復合式高速直升機。1.1.1 常規(guī)旋翼式

常規(guī)旋翼式高速直升機在保留常規(guī)構(gòu)型直升機旋翼系統(tǒng)的基礎上，增加了輔助推力和升力系統(tǒng)。通過在機身兩側(cè)增加機翼給旋翼卸載，即在機身兩側(cè)或尾部安裝輔助推力裝置，提供向前飛行的推進力，實現(xiàn)高速飛行。常規(guī)旋翼式高速直升機保留了常規(guī)構(gòu)型直升機大部分優(yōu)異性能，在飛行速度、航程航時，機動性能方面均有提高，但由于存在各個系統(tǒng)之間相互產(chǎn)生氣動干擾、飛行控制難度大等難題，飛行速度沒有傾轉(zhuǎn)旋翼機快，機動性能也不如“ABC”旋翼式好。我國針對常規(guī)旋翼式高速直升機的研究還停留在技術驗證階段，亟須開展大量的技術研究工作。

目前，常規(guī)旋翼式比較成功的是歐直公司的X3 構(gòu)型。X3復合式高速直升機是一種雙螺旋槳復合式高速直升機，如圖1 所示。其最大巡航速度達到430km/h[5]，與常規(guī)直升機相比，巡航速度和航程提升了50%。高速前飛時主要由兩副短機翼提供大部分升力。短機翼兩側(cè)分別配置一個可變距螺旋槳，不僅提供前飛的推力，還可以通過兩側(cè)螺旋槳的差動槳距提供偏航操縱力矩，克服旋翼反扭力矩，因此在高速前飛狀態(tài)下，仍可以保持良好的穩(wěn)定性。

圖1 X3復合直升機Fig.1 X3 compound helicopter

法國空客直升機公司以X3 構(gòu)型為基礎，推出了RACER“競速者”民用高速直升機，如圖2 所示。作為歐盟委員會提出的“潔凈天空計劃2”科研規(guī)劃的一部分，RACER不僅追求高速度、低成本，而且更加注重節(jié)能減排。RACER 雙層盒式機翼的設計，增加了結(jié)構(gòu)強度和可靠性，降低了機身由于螺旋槳高速轉(zhuǎn)動而引起的振動程度。螺旋槳后向安裝，旨在提升機組和乘客人員的安全性和駕乘體驗。據(jù)中國航空新聞網(wǎng)消息，RACER 將裝備混合電力系統(tǒng)，在載重輕或者低速時能夠關閉一臺發(fā)動機，在一定程度上節(jié)省燃料，減少二氧化碳排放和噪聲污染等。RACER的巡航速度可以達到400km/h，其可以執(zhí)行搜索救援、商業(yè)運輸?shù)热蝿誟6]。

圖2 歐直RACERFig.2 Eurocopter RACER

在未來武裝偵察直升機項目（FARA）競標中，卡瑞姆公司推出了AR40 復合直升機，如圖3 所示。AR40 尾部安裝了可側(cè)轉(zhuǎn)尾部推進螺旋槳。低速飛行時，擺動尾槳產(chǎn)生拉力來平衡旋翼產(chǎn)生的反扭矩，實現(xiàn)航向穩(wěn)定；高速飛行時，擺動尾槳將作為推進螺旋槳使用。同時，應用優(yōu)轉(zhuǎn)速傾轉(zhuǎn)旋翼（OSTR）技術，使每個槳葉的槳距均可獨立微調(diào)，以降低飛行噪聲并提高飛行效率[7]。

圖3 卡瑞姆AR40Fig.3 Karem AR40

俄羅斯米里設計局在2015 年的莫斯科航展上推出了米-24 LL（PSV）驗證樣機，如圖4所示。該機改裝自米-24“雌鹿”武裝直升機，重新設計了前機身和旋翼槳葉。

圖4 米-24 PSV直升機Fig.4 Mi-24 PSV helicopter

1.1.2 “ABC”旋翼復合式

西科斯基飛機公司為突破傳統(tǒng)直升機旋翼工作機構(gòu)的局限性，率先研究了一種前行槳葉概念（ABC）旋翼[8]，如圖5 所示。“ABC”旋翼系統(tǒng)的設計特點是采用了共軸反轉(zhuǎn)剛性的無鉸式旋翼。在高速狀態(tài)下，兩副旋翼的升力中心均會偏向前行槳葉的一側(cè)，后行槳葉處的載荷降低，防止后行槳葉處因迎角過大而產(chǎn)生氣流分離，最大限度地提高了前行槳葉的升力。與常規(guī)槳葉相比，剛性槳葉揮舞量更小，上下旋翼間距更緊湊，槳轂處的廢阻降低。

圖5 “ABC”旋翼復合式高速直升機Fig.5 Compound helicopter with “ABC” rotor

“ABC”旋翼復合式高速直升機與常規(guī)構(gòu)型直升機相比，結(jié)構(gòu)更緊湊，機動性能、高原性能更優(yōu)異，能在更為復雜的地理環(huán)境下垂直起降和進行作業(yè)，適合用作軍用武裝型以及作業(yè)空間受限制的應急救援等民用領域。

2008年，“ABC”旋翼復合式高速直升機中的明星產(chǎn)品X2構(gòu)型驗證機完成技術首飛，達到463km/h的水平飛行速度[9]。2015年，西科斯基公司利用X2的成功技術研制的4t級輕型戰(zhàn)術S-97“掠奪者”高速直升機完成首飛，其最大飛行速度超過480km/h[10]。

2019年，西科斯基公布了“襲擊者X”方案，“襲擊者X”延用了S-97 的基本氣動布局，進一步優(yōu)化細節(jié)，引入雷達和紅外隱身技術進一步增強其戰(zhàn)場生存能力。低速時具備高敏捷性，滿足在森林、城市建筑物等狹窄環(huán)境的作戰(zhàn)要求，其最大起飛質(zhì)量與S-97 相比重了約20%，達6350kg。在FARA競標中，與貝爾“360不屈”武裝直升機進入最終的原型機對比競標。同年，西科斯基與波音公司為了參與美國陸軍未來遠程突擊飛機（FLRAA）項目競標而共同研制的SB-1“挑戰(zhàn)者”直升機完成首飛。據(jù)美國洛克希德-馬丁公司官網(wǎng)消息，SB-1“挑戰(zhàn)者”直升機試飛中創(chuàng)下時速457km/h 的紀錄。2022 年4 月，首次完成1300km 遠距離飛行，其間使用的燃料消耗遠低于預期。

AVX 公司與L3 技術公司聯(lián)合研發(fā)了復合共軸直升機（CCH）。CCH 也應用了類似的前行槳葉概念[11]，并且通過設計附加的前置鴨翼，平尾兩端安裝涵道螺旋槳，增加其高速敏捷性。AVX官方公布，CCH最大速度能達到426km/h，同時具有飛行過程中懸停能耗和巡航能耗低、維護培訓費用低等優(yōu)點，深得美國陸軍支持。

2017 年，我國推出了“短尾隼”概念高速無人機方案?！岸涛馋馈备拍罡咚贌o人機同樣利用了前行槳葉概念，采用橫列式雙旋翼布局，在左右兩側(cè)旋翼下方分別安裝有后置推進螺旋槳，最大起飛重量（質(zhì)量）為5.5t，最大巡航速度超過400km/h。

1.2 傾轉(zhuǎn)式高速直升機

傾轉(zhuǎn)式飛行器機身兩側(cè)的傾轉(zhuǎn)系統(tǒng)組件可根據(jù)垂直起降和平飛過程狀態(tài)的不同，在旋翼和螺旋槳之間進行來回切換。傾轉(zhuǎn)式高速直升機主要包括傾轉(zhuǎn)旋翼、傾轉(zhuǎn)涵道和傾轉(zhuǎn)機翼三種形式，是目前國內(nèi)外軍民用高速飛行器的研究熱點構(gòu)型[12]。

歷經(jīng)半個多世紀的探索研究，美國先后成功研制了第一代XV-15、第二代V-22“魚鷹”、第三代V-280“勇士”，以及民用型AW-609傾轉(zhuǎn)旋翼機。

美國貝爾和波音公司共同研制的V-22“魚鷹”傾轉(zhuǎn)旋翼機，于2006 年開始服役，是全球第一款服役的軍用傾轉(zhuǎn)旋翼機，巡航速度達446km/h，如圖6（a）所示。為了提高美國陸軍快速機動性和可操縱性，在V-22 的基礎上，貝爾公司推出了第三代傾轉(zhuǎn)旋翼機V-280“勇士”，如圖6（b）所示。V-280“勇士”的巡航速度為520km/h，航程為3900km，最大作戰(zhàn)航程可達1480km。與V-22不同的是，V-280“勇士”采用V形尾設計，發(fā)動機不隨旋翼和傳動裝置的傾轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)動，并且槳盤載荷更低、機翼更長，具有更高的懸停效率和巡航能力。2022 年12 月，其擊敗了西科斯基的SB-1“挑戰(zhàn)者”直升機，將取代現(xiàn)役UH-60“黑鷹”直升機。

圖6 傾轉(zhuǎn)旋翼式高速直升機Fig.6 Tilt-rotor high speed helicopter

世界首架多用途民用傾轉(zhuǎn)旋翼機——萊昂納多AW609（BA609），巡航速度為509km/h，目前處于適航取證階段，如圖6（c）所示。歐直正在研發(fā)下一代民用傾轉(zhuǎn)旋翼機NGCTR，如圖6（d）所示。NGCTR 以AW-609 型機的機身為基礎進行改裝，采用平直機翼以及V形尾翼的布局，具有用于安裝水平固定的發(fā)動機和可傾轉(zhuǎn)減速器的先進發(fā)動機短艙，可傾轉(zhuǎn)減速器可以和旋翼一起轉(zhuǎn)動，并將動力傳輸給旋翼。同時，開發(fā)了一種集成傾轉(zhuǎn)旋翼、傾轉(zhuǎn)機翼以及全權(quán)限數(shù)字發(fā)動機控制（FADEC）的先進飛控系統(tǒng)。根據(jù)歐盟清潔航空網(wǎng)消息，NGCTR驗證機預計在2023年首飛。

無人機方面，美國貝爾公司于2019年推出了V-247“警惕”傾轉(zhuǎn)旋翼無人機方案，如圖6（e）所示。該機發(fā)動機固定安裝在機身內(nèi)，攜帶空中加油管道，具有較高的全機續(xù)航性能，最大巡航速度可達556km/h。可以執(zhí)行情報收集、監(jiān)視偵察等多種作戰(zhàn)任務。

我國于2013 年首次推出了一款名為“藍鯨”的傾轉(zhuǎn)四旋翼機模型，如圖6（f）所示?！八{鯨”傾轉(zhuǎn)旋翼機載荷為20t，巡航速度達538km/h，作戰(zhàn)半徑大于815km，航程為3106km。該機未來可用于執(zhí)行山區(qū)、海島等復雜地理環(huán)境下的垂直起降和運輸任務。

傾轉(zhuǎn)涵道式直升機與傾轉(zhuǎn)旋翼式技術特點類似，不同之處在于動力部件與機體融合度更高，涵道風扇可以安裝在機身或機翼上提供直接的升力。

美國穆勒國際公司推出的Skycar M400 民用運載工具，如圖7（a）所示。Skycar M400通過4個涵道風扇提供升力和推動力，飛行最高時速可達563km/h。XTI飛機公司研發(fā)的TriFan 600 垂直起降商用飛行器，如圖7（b）所示。該機采用混合電力系統(tǒng)，為三臺可傾轉(zhuǎn)涵道提供升力。高速飛行時，機翼涵道風扇會轉(zhuǎn)至垂直方向，后機身涵道風扇的蓋板關閉，減少阻力。其兼具速度快、航程長以及安全舒適的優(yōu)點。

圖7 傾轉(zhuǎn)涵道式飛行器Fig.7 Tilt-ducted fan aircraft

傾轉(zhuǎn)式機翼式高速直升機的動力部件與機翼具有很高的融合度。發(fā)動機艙固定在機翼上，與機翼一同傾轉(zhuǎn)來實現(xiàn)推力轉(zhuǎn)向，且機翼一直同螺旋槳的拉力方向一致。但是，由于操作靈敏度差、安全性差、性價比低等，相對傾轉(zhuǎn)旋翼和傾轉(zhuǎn)涵道式，其發(fā)展較慢。

美國極光飛行科學公司研制的XV-24“雷擊”無人機于2017年完成20%的縮比驗證機試飛，如圖8（a）所示。該機采用分布式混合電驅(qū)動系統(tǒng)，驅(qū)動機翼位置（18個）和鴨翼位置（6個），共計24個變距涵道風扇。雖然目前XV-24“雷擊”項目由于在研究高性能1MW級發(fā)電機時遇到困難而被取消，但XV-24“雷擊”項目的創(chuàng)新方案為未來新型高速垂直起降飛行器的發(fā)展提供了參考。

圖8 傾轉(zhuǎn)機翼式高速直升機Fig.8 Tilt-wing high speed helicopter

美國超越航空公司（Transcend Air）推出的Vy400 傾轉(zhuǎn)機翼式高速飛行器，如圖8（b）所示。Vy400 由普惠加拿大PT6A-67F渦輪螺旋槳發(fā)動機提供動力，通過機翼傾轉(zhuǎn)實現(xiàn)垂直起降和高速平飛雙模式的轉(zhuǎn)換。該機旨在提供快速和經(jīng)濟高效的城際運輸，最大總起飛重量為3170kg、巡航速度可達651km/h，與類似大小的直升機相比，價格便宜50%。

1.3 停轉(zhuǎn)式高速直升機

停轉(zhuǎn)旋翼機主要有旋翼鎖定式和盤翼式兩種類型。旋翼鎖定式主要的特征是主旋翼一般為寬弦剛性且槳轂可鎖定，既可以在低速懸停狀態(tài)下高速旋轉(zhuǎn)作為旋翼，又可以在高速前飛時鎖定作為固定翼。

美國先后提出了“X翼”和X-50A“蜻蜓”概念驗證機的研究方案，分別如圖9（a）和圖9（b）所示?！癤翼”S-72X采用特有的“環(huán)流控制技術”，向槳葉后緣開縫襟翼噴出壓縮空氣，根據(jù)槳葉的不同位置，控制槳葉的升力增減和振動。然而，因其存在很多難以解決的技術問題，美國停止了研究。帶鴨翼的旋翼—機翼（CRW）布局的X-50A“蜻蜓”，為S-72X 的后繼機型。該機通過一臺渦扇發(fā)動機提供動力，在低速狀態(tài)下，通過槳尖噴氣驅(qū)動一字形旋翼—機翼高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生升力，高速平飛后旋翼完全卸載并鎖定，鴨翼和平尾提供升力，從而轉(zhuǎn)換到固定翼飛行狀態(tài)，旋翼不再限制飛行速度。但由于飛行控制難度大，在試飛過程中，X-50A“蜻蜓”兩架驗證機均出現(xiàn)墜毀情況，美國國防預研局（DARPA）認為X-50A“蜻蜓”的設計存在本質(zhì)性缺陷，因此該研究項目被中止。

圖9 停轉(zhuǎn)式飛行器Fig.9 Stoppable rotor aircraft

自2008 年起，DARPA 斥資300 萬美元投資波音公司，加速推進融合“圓盤旋翼—機翼—推進發(fā)動機”的高速圓盤旋翼飛機項目，用于執(zhí)行作戰(zhàn)和營救任務。高速圓盤旋翼機（見圖9（c））通過圓盤周圍分布的槳葉的高速旋轉(zhuǎn)提供升力，高速平飛時，槳葉收縮、圓盤鎖定成為圓盤機翼，以固定翼模式飛行，由涵道風扇發(fā)動機提供推進力。波音高速圓盤直升機，兼具了渦扇飛機和直升機的特點，在垂直起降、飛行速度和續(xù)航距離等方面既具有直升機的高機動性，又具有固定翼飛機的高速度。但高速圓盤直升機過渡模式下情況復雜，垂直起降和旋停時槳盤載荷較高、旋翼驅(qū)動系統(tǒng)重量大、飛行阻力大、操縱性和穩(wěn)定性差，目前盤翼式飛行器的可行性尚存在較大的爭論。

2 高速直升機未來發(fā)展趨勢

（1） 智能化

當今，各大航空強國正在努力開發(fā)智能航空電子系統(tǒng)，以提高直升機的性能，滿足不斷變化的戰(zhàn)爭需求，實現(xiàn)更高的作戰(zhàn)能力。通過加強智能操控技術、智能飛行技術以及智能輔助系統(tǒng)，降低飛行員飛行壓力，提高執(zhí)行任務準確度，是現(xiàn)階段高速直升機智能化發(fā)展的重點方向。隨著未來智能化控制系統(tǒng)的發(fā)展，我國高速直升機需從開展槳葉外形智能變形的控制方法和控制系統(tǒng)研究，搭建智能旋翼數(shù)據(jù)庫，提升槳葉在復雜振動環(huán)境和狹小空間的智能槳葉適應性等方面大幅度提升高速直升機性能。

（2） 無人化

高速直升機的無人化發(fā)展與智能化發(fā)展高度契合，高速直升機的無人化發(fā)展既能保證直升機特有的飛行和使用特點，又兼具無人機的優(yōu)勢。無人直升機可以極大地減少人員損失，從而確保士兵們的生命安全，同時它可以成為一種重要的、先進的、可持續(xù)發(fā)展的武器系統(tǒng)，不僅可用于防御敵對勢力，還可以搭建復雜多變的空間信息網(wǎng)絡，在信息化作戰(zhàn)環(huán)境中作用突出。隨著技術的不斷進步，無人高速直升機的研發(fā)受到全球各國的高度重視，其軍用發(fā)展前景十分光明，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

（3） 環(huán)?；?/p>

綠色低碳是現(xiàn)階段全球倡導的主題。歐盟啟動了潔凈天空計劃，美國空軍提出了“Agility Prime”電動垂直起降飛行器項目，我國航空工業(yè)編發(fā)的《新能源飛行器發(fā)展展望》也以零碳排放為需求導向。當前，直升機減排的技術中心主要通過噪聲抑制、振動抑制、機身/槳轂減阻，達到減小發(fā)動機功率，從而實現(xiàn)減排的目的。電動飛行器是全球各國未來發(fā)展的主要方向，是實現(xiàn)綠色航空的主要途徑，但目前電動直升機所涉及的關鍵技術的徹底解決還需要一段很長的時間。

（4） 極區(qū)化

目前，國內(nèi)外由于受硬件設備、動力系統(tǒng)以及材料等多重因素影響，極區(qū)環(huán)境中暫未能實現(xiàn)高速直升機的普及運用。極區(qū)中蘊含巨大的經(jīng)濟與科研價值，發(fā)展極區(qū)環(huán)境、艙內(nèi)加溫保溫、復雜環(huán)境飛行、冰雪地起降、防冰防雨等關鍵技術，適應極端低溫環(huán)境、無人區(qū)自主保障、極區(qū)復雜地理氣象環(huán)境是未來高速直升機發(fā)展的方向之一。

3 結(jié)束語

高速直升機不僅滿足了現(xiàn)代軍事戰(zhàn)爭對直升機技術方面提出的新要求，而且由于其具有高速、高載重等優(yōu)點，在應急救援等民用領域具有可觀的市場需求前景。世界各強國正在大力推進高速直升機的研究工作，隨著科學技術的發(fā)展和進步，新材料和智能材料的應用、智能化控制系統(tǒng)的開發(fā)，必將推動未來的高速直升機向無人、節(jié)能、環(huán)保、降噪、高速、機動性好和生存能力強的方向發(fā)展。