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中国第五代直升机缺乏研发规划 整体处于无序状态
华夏经纬网   2013-09-12 14:39:19   
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  自1939年西科斯基公司推出第一架实用的直升机VS-300以来,随着直升机气动、旋翼、材料、航电、飞控、发动机等技术取得长足的进步,带来直升机整体性能的提升。目前直升机的飞行速度可达到300千米/时,空重比0.5,振动水平降至0.05g,内部噪声低于85db,使用寿命可达数千小时。当前直升机研发在注重基本功能性能的同时,其竞争力主要体现在保障性、经济性、舒适性等综合性能上,如中法联合研制的直15/EC175直升机对市场的宣传词“宽敞、舒适、安全”是现代直升机研发理念的最佳体现。

  直升机的独特功能体现其在航空器中的优势,但自上世纪70年代,直升机在飞行性能、噪声控制等方面并没有突破性的进展,现代直升机仍存在三个不可回避的缺点:一是速度低、二是噪声大、三是振动大。如果这些问题得到解决,直升机将是完美的飞行器。造成这些问题的原因是直升机构型决定的,旋翼是直升机的唯一升力面,同时又是操纵面,其设计已接近物理学极限,旋翼桨盘面必然会出现升力不对称的现象,即直升机飞行时前行桨叶和后行桨叶的气动状态是不一样的,出现后行桨叶失速、前行桨叶马赫阻力以及回流区,这种现象导致直升机不能高速飞行和并产生较大振动和噪声。此外,直升机发动机排放物引起环境污染也是一个需关注的问题。

  从目前技术状况看,要同时解决这些问题,技术难度很大,只能分别去解决。对解决速度低的问题,目前有一些新构型直升机的发展,称之为高速直升机。对降低噪声和发动机排放物污染,这类直升机称之为绿色直升机。振动问题由于结构动力学分析技术和主动控制技术的发展已基本得到解决。

  随着直升机的广泛应用,用户及公众对直升机的使用会提出更高的要求,因此提高速度、降低污染成为直升机专家必须解决的问题。在可以预见的未来,直升机的市场竞争必然由“用户满意”进入“用户和公众满意”时代。

  高速直升机

  高速直升机是指保留直升机的飞行特征,且巡航速度达400~500千米/时的直升机。目前直升机的巡航速度一般在200~300千米/时,显然,与目前的直升机相比,其运输效率及机动性有非常大的提升。

  作为直升机技术的领头羊,美国自上世纪五六十年代就开始对高速直升机进行探索,欧直、俄罗斯直升机公司近期也在积极跟进,典型的研究项目有:

  贝尔533高性能研究直升机,1962年,在YUH-1B基础上,在机身增装空气动力整流罩,采用代弯度的垂尾给尾桨卸载,采用倾斜的旋翼轴。在机身两侧安装小的后掠机翼、安装2台涡轮喷气发动机。经过3阶段的试飞,1969年5月,平飞速度达到509千米/时。

  洛克希德186高性能刚性旋翼研究直升机,军方编号为XH-51A,1962年,该机减阻设计方面采用了外蒙皮埋头铆接,机身采用埋头密封铆接。旋翼轴前倾6度,全收放起落架。该机左侧安装一台涡轮喷气发动机,机身两侧安装悬臂式单翼。1967年6月,平飞速度达到487千米/时。

  西科斯基S-69ABC旋翼机研究机,1964年西科斯基公司公司开始研究ABC旋翼系统,它是由2副共轴反向旋转的刚性旋翼组成,利用前行桨叶的气动升力,消除后行桨叶的失速,提高旋翼系统的升阻比和高速飞行性能。同时取消尾桨系统。在尾部安装推进时螺旋桨。通过不停的改进,1982年,平飞速度达到445千米/时。

  西科斯基S-72旋翼系统研究机,1973年,该机为单旋翼带尾桨式布局,装有辅助机翼和固定翼飞机那样的尾面,2台涡轴发动机在机身上部,机身两侧装有2台辅助涡轮风扇发动机,后三点起落架。后采用新设计的X翼代替传统旋翼,该验证机按直升机的方式进行起飞和悬停,然后转变为固定翼机飞行,1985年,平飞速度达到463千米/时。

  皮亚塞基X-49“速度鹰”新概念验证机,以西科斯基的H-60机体为基础加装推力涵道螺旋桨,机身两侧增加机翼,翼面上同时装有襟副翼。2007年实现首飞,期望平飞速度超过370千米/时。

  俄罗斯米-X1、卡-92新概念验证机,2008年,俄罗斯直升机公司公布了高速直升机方案,卡-92是一种刚性共轴旋翼带尾部推进共轴螺旋桨构型的技术验证机,米-X1由一副旋翼和一副安装在尾部的推力矢量螺旋桨的技术验证机。但未见最新的进展报道。

  以上对高速直升机的研究成果大部分因操纵、振动、重量效率、使用效费比等问题,没有走向实用,但其单项技术在现代直升机设计中得到了广泛的应用,提升了常规直升机的技术水平,为高速直升机的进一步发展打下了良好的基础。

  走向实用的高速直升机

  随着直升机技术和计算机控制技术的发展,对以前探索高速直升机存在的一些难题逐步有了解决的途径。目前看到的可能走向工程实用的高速直升机有美国西科斯基公司的X2,欧直公司的X3。

  以XH-59A ABC旋翼验证机为基础,2005年,西科斯基公司开始宣布进行X2项目的研制,研制了2架技术验证机。该机采用共轴反向旋转旋翼系统,尾部安装由传动系统驱动的推进器,并采用电传操纵技术和振动主动控制技术解决操稳和振动问题。西科斯基公司分四个阶段完成了X2的飞行测试,第一阶段,在没有推进器的情况下,飞行速度达到40节;第二阶段,在验证机上安装6片桨叶的尾推进器,飞行速度达到106节;第三阶段,对桨毂、起落架、上座舱等加装整流罩,降低阻力,飞行速度大180节,第四阶段,2010年9月15日,飞行速度达到250节(463千米/时),发动机功率还有20%的储备。

  2010年10月20日,西科斯基公司宣布应用X2技术,自筹经费研制2架S-97“袭击者”原型机,进行设计、生产和飞行试验,竞争美陆军的武装空中侦察机项目(AAS),该机将容纳6名乘员,并可携带武器,目标巡航速度220节。预计2018年完成研制工作。

  2008年1月,欧直公司开始X3高速长航程混合直升机技术验证机的试验工作。该机使用了“海豚”AS365N3 的机体,EC155的5片旋翼系统,EC175的主减,RTM322发动机,在机身两侧的短翼末端安装一对5叶螺旋桨,并由主减速器通过传动系统驱动,以平衡反扭矩并提供前飞推力。旋翼和螺旋桨的动力可以分离。机身短翼能够提供升力为旋翼卸载。2010年9月6日首飞;2010年11月9日,飞行速度达到180节;2011年5月12日,飞行速度达到232节(430千米/时),使用了不到80%的可用功率。2012年6月,X3到美国进行了巡展和飞行表演,并开始向用户推介。

  欧直公司声称公司的目标不是要提高速度,而是要提高投产使用能力,认为达到高速要求将需要付出很大的成本代价。对生产型的高速符合是直升机来说,欧直给出与传统的直升机相比,使用成本和购机成本不得超过25%和20%的上限。欧直公司期望在2020年这种直升机将投入使用。

  V-22是倾转旋翼机,外形与常规的固定翼飞机差不多,有机翼和尾翼,还有升降舵、方向舵和襟翼。旋翼和发动机组件安装在机翼两端,该组件可在水平和垂直的位置之间转动90度,可以以直升机和固定翼两种方式飞行。从严格的定义上看,V-22以固定翼方式实现高速飞行,不属于直升机的范畴,因此不是高速直升机

  20世纪50年代,美国贝尔公司开始倾转旋翼机技术的探索,主要验证机包括:

  XV-3,原理验证机,共制造了2架,1架坠毁,主要用于倾转旋翼技术原理可行性验证。

  XV-15,方案验证机,共制造了2架,1架用于过渡状态评估,另一架主要用于飞行包线扩展试验和操纵品质评估,并评估军民用的可能性与需求。

  V-22,工程研制机,共制造10架原型机,主要用于功能和任务能力验证,1983年4月开始研制试验,1999年完成美国海军陆战队的评定,

  V-22倾转旋翼机以直升机方式飞行时,最大飞行速度185千米/时,以固定翼机方式飞行,最大飞行速度509千米/时。目前已交付美国海军和空军超过200架。

  在V-22技术基础上,阿古斯塔·韦斯特兰公司和贝尔公司于1996年联合研制民用倾转旋翼机BA609,2011年贝尔公司撤出该项目,项目改名为AW609,2003年首飞,预计2016年取证。2012年,阿韦公司宣称完成了85%的飞行包线试验,并且收到了70架订单。

  中国直升机应对之策

  可以预测,美国、欧洲先进直升机公司研制的高速直升机将在2020左右逐步投入市场使用,世界上直升机将进入第五代发展时期。特别对民用直升机,欧美等国将来极有可能推出新的适航规章,要求新研的民用直升机贯彻新的适航标准。如果我们在高速、绿色直升机方面不能有所作为,可能会造成代际差距。2020年后,中国直升机产业将会面临发展的重大技术门槛。

  我国对高速直升机技术的研究工作,目前仍处于探索阶段。以中国直升机设计研究所为代表的相关院所,和有关大学都在关注下一代直升机的发展,并积极选择各自感兴趣的方向开展研究。但由于没有国家层面的研究规划,整体上处于无序状态,这种状况对我国直升机发展是极其不利的。

  高速直升机技术发展涉及直升机、发动机、新材料、电子控制、新能源等行业的众多学科,因此,需要统筹相关行业并借鉴欧美的研究发展经验,从国家层面对高速直升机进行整体规划,确定研究目标和研究内容、制定研究实施计划,在国家政策上予以支持,落实研究经费和管理措施。

  从研究途径看,一方面,通过国家有关部门协调各行业优势力量,组织国家队,立足自主研究,合力攻关、提高技术发展能力,这是最根本的途径;另一方面要加强与国际直升机届的交流,跟踪国际上的研究进展情况,鼓励国内直升机及发动机行业与国际先进公司及相关组织的合作,建立开放的研究体制。

  中国是发展中的大国,也是直升机的使用大国,中国直升机现处于发展的关键时期,对高速、绿色直升机技术的专项研究已刻不容缓,只有采取切实的行动,才能实现中国直升机的持续发展。(中国航空报)

 

责任编辑:胡光曲

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