林一平

現(xiàn)代軍用直升機有著其他許多飛行器所不具備的垂直起降、空中懸停、全向機動等諸多優(yōu)勢，如何在確保其基本性能的基礎(chǔ)上進一步提高飛行速度，是設(shè)計師們正在研究的主要課題，也是困擾全球航空界許多年的難題。近年來，由于幾種附加推力型直升機的出現(xiàn)，幾種傾轉(zhuǎn)旋翼機的相繼投入使用，旋翼鎖啟型試驗機的試飛成功，以及高速圓盤旋翼機設(shè)計方案的推出，使航空界又看到了前進的希望和光明。

直升機亟待大提速

在時間就是生命，時間就是效率，時間就是勝利的今天，全球航空器在速度上的競爭也愈演愈烈?，F(xiàn)代軍用直升機盡管具有諸多優(yōu)勢，但飛行速度始終落后于固定翼飛機，航程一般超不過500千米，最高速度也只有每小時350千米左右(表1)。其中，直升機旋翼是限制其速度提高的一大障礙，它賦予了直升機垂直升力，而弱化了它的水平速度，從結(jié)構(gòu)上限制了直升機速度的提升。在過去幾十年間飛行速度始終徘徊不前的軍用直升機，也確實面臨著相當?shù)膲毫?，亟待進行大提速。

正在醞釀中的提速行動將使軍用直升機設(shè)計迎來一場新的革命。新一代高速軍用直升機需在空氣動力總體布局，旋翼結(jié)構(gòu)、機體結(jié)構(gòu)、新材料和新工藝應(yīng)用，動力裝置配置、航電系統(tǒng)更新等方面有大動作，進行大手術(shù)。

直升機與飛機不同，它是由發(fā)動機驅(qū)動旋翼作為主要升力來源，旋翼受自動傾斜器操縱又可產(chǎn)生向前、向后、向左或向右的水平分力，直升機的前飛主要靠自動傾斜器操縱旋翼前傾進行。不論單旋翼帶尾槳式直升機，還是雙旋翼共軸式直升機、雙旋翼縱列式直升機、雙旋翼橫列式直升機都是如此。而且，直升機前飛時旋翼所產(chǎn)生的拉力始終小于旋翼產(chǎn)生的總拉力，動力不足決定了其水平提速的艱難。另外，直升機在懸停狀態(tài)全部能量消耗于向下加速空氣，產(chǎn)生升力支持重力。在前飛時仍有相當多的能量直接消耗于產(chǎn)生升力，所以它的飛行效率低于飛機，載重量和飛行速度也遠遠不如飛機，加之受氣動、動力學(xué)、疲勞特性、聲學(xué)諸方面的限制與拖累，嚴重影響了軍用直升機性能的提高。

現(xiàn)代新概念軍用直升機設(shè)計

現(xiàn)代新概念軍用直升機設(shè)計的目標，要求新一代機型打破每小時500千米的速度障礙，航程也能達到1500千米，目前可行的新概念直升機設(shè)計主要有附加推力型和交叉組合型兩大類，另外也有其他一些熱議中的新技術(shù)。

附加推力型

其設(shè)計思想是在保留現(xiàn)役直升機旋翼、機身、起落架等基礎(chǔ)部件和系統(tǒng)的同時，通過去除尾槳及其傳動裝置，附加水平推力裝置和操控系統(tǒng)，增加直升機前飛時的水平拉力或推力來提高飛行速度，提升原有性能。當前，世界主要的直升機制造公司都在從事高速直升機研究，俄羅斯和美國更是大力投入研制和試驗，并取得了一些成果。俄目前正在著手研制三種型號的新一代高速直升機，分別是“米－×1”、“卡－90”和“卡－92”。

俄卡莫夫直升機公司是世界上最早將共軸直升機用于實戰(zhàn)并大批生產(chǎn)的公司，具有豐富的經(jīng)驗。在當前高速直升機”卡-92”研發(fā)中，該公司仍然采用雙重共軸式旋翼，為上下四槳葉反轉(zhuǎn)型；所不同的是上下層雙重共軸式旋翼的間距由于剛性連接而大為縮短，避免了直升機柔性旋翼在高速飛行時槳葉揮舞過大而導(dǎo)致上下槳葉相碰造成的損失。同時，這種旋翼形式能盡量利用前行槳盤一側(cè)的槳葉提供升力，消除旋翼后行槳葉的失速現(xiàn)象，提高旋翼的升阻比，改善直升機的高速性能。該機的雙尾翼能提供方向穩(wěn)定與操縱，其區(qū)別傳統(tǒng)直升機之處則是在尾部增加7--具雙重共軸式螺旋槳，為前后三槳葉反轉(zhuǎn)型，專門提供水平推進力，以此提高直升機的飛行速度。該機最高速度可達450千米，小時，航程接近1500千米。“卡－92”可搭載多達30名乘客，整個研制工作有望在最近幾年內(nèi)完成，并在5年內(nèi)實現(xiàn)量產(chǎn)。

莫斯科米里直升機股份公司正在著手未來高速直升機“米－X1”的研究。該型直升機可用于貨物運輸和旅客運輸?！懊譞1”直升機沿襲單旋翼布局，為五槳葉型；取消了抗扭尾槳；保留了垂直尾翼，提供方向穩(wěn)定與操縱；其獨特之處是在機尾加裝了一具矢量推力涵道推進器，專門提供水平推進力，以此提高直升機的飛行速度。其最高速度可達450千米／小時，航程接近1500千米。

另外，“卡·90”直升機甚至將配備噴氣發(fā)動機，專門提供水平推進力，使之最高速度可達800千米／小時，遠非傳統(tǒng)直升機所能企及。而且，俄直升機制造企業(yè)還向俄軍方提出了研制時速高達900千米的超高速直升機的建議。

美國曾經(jīng)通過“快速鷹”(SPEEDHAWK)的X-49A技術(shù)驗證機來做試驗。該機由已經(jīng)廣泛使用的S-70直升機經(jīng)過加裝機翼來增加升力，提高巡航性能；拆除機尾尾槳，安裝了一具矢量推力涵道推進器，以顯著提高直升機的飛行速度。經(jīng)過試飛，該直升機的速度由目前的200多千米，小時提高到360千米，小時，一下子就提高了1.8倍。既驗證了常規(guī)直升機應(yīng)用附加推力原理提速的正確性，又證明了對現(xiàn)役機型改進方案的可行性。在此基礎(chǔ)上，美國西科斯基公司最近宣布開始研制新一代的超高速直升機Sikorsky X2，目前正加緊對原型機的性能測試。_

這種新型高速直升機為串列雙座駕駛艙，后三點起落架。采用雙重共軸式旋翼，為上下四槳葉反轉(zhuǎn)型；設(shè)置下反式三尾翼，提供方向穩(wěn)定與操縱，中間那個垂直尾翼還兼有護尾，護槳葉功能；在機尾增加一具六槳葉螺旋槳，專門提供水平推進力，以此提高直升機的飛行速度。其最高速度可超過400千米，小時，達450千米／小時，遠遠超過傳統(tǒng)直升機的最大速度250千米／小時。與此同時，新型直升機將仍舊保持現(xiàn)有直升機所有主要的技術(shù)性能，如空中懸停、高速機動和垂直起降。

X2驗證機由小型直升機發(fā)動機公司(LHTEC)的T800渦輪軸發(fā)動機驅(qū)動，這款發(fā)動機原本是為已被取消了的西科斯基，波音RAH-66“科曼奇”直升機而設(shè)計開發(fā)的。西科斯基飛機公司宣布，x2是上世紀70年代XH－59A先進旋翼概念的現(xiàn)代版，其顯著特點是采用被命名為XH－59的電傳操作系統(tǒng)來應(yīng)對較高的振動水平。如果X2飛行測試成功，西科斯基飛機公司將宣布開發(fā)一個基于共軸驅(qū)動和模塊化設(shè)計的民用和軍用直升機家族。按照研制計劃，X2新型直升機的首架原型機已經(jīng)制造完畢，并開始一系列試飛。此前原型機出廠后已經(jīng)進行了30分鐘的首次飛行，后繼相關(guān)的零部件生產(chǎn)也在有條不紊的進行中。

交叉組合型

其設(shè)計思想是通過直升機與其他航空器技術(shù)的交叉與結(jié)合，達到優(yōu)勢互補，揚長避短，提高飛行速度，提升原有性能的目的。例如，使直升機與旋翼機交叉結(jié)合，使直升機與普通飛機交叉結(jié)合，使直升機與飛艇交叉結(jié)合等。當前，已經(jīng)取得成功并投入使用的傾轉(zhuǎn)旋翼飛機就是直升機與固定翼飛機交叉結(jié)合的成果。有關(guān)的設(shè)計具

體涉及機翼，旋翼，動力艙，轉(zhuǎn)動機構(gòu)，操縱系統(tǒng)等部分。分別屬于可傾轉(zhuǎn)翼型，動力艙傾轉(zhuǎn)型、仰角傾轉(zhuǎn)型。

可傾轉(zhuǎn)翼式

即機翼為飛機的主動傾轉(zhuǎn)部件，發(fā)動機、旋翼伴其隨動，而其他部件(機身，尾翼等)保持不動。美國希勒飛機公司的X-18是美國研制的第一種可傾轉(zhuǎn)翼飛機，它的機體是在“蔡斯”YC-122C運輸機的基礎(chǔ)上改進而來的，機翼可以整體傾轉(zhuǎn)90°，以滿足飛機垂直起降和巡航時的不同要求。其機翼上所安裝的兩臺“艾立森”T40－A－14渦輪螺旋槳發(fā)動機來自XFY-1／XFV-1立式起降飛機，螺旋槳為雙重反轉(zhuǎn)式，具有良好的抗扭性能、較高的拉進效率。X-18可傾轉(zhuǎn)翼飛機的機長19.20米，機高7.49米，翼展14.63米。

動力傾轉(zhuǎn)式

即動力艙為飛機的主動傾轉(zhuǎn)部件，旋翼伴其隨動，而其他部件(機身、機翼、尾翼等)保持不動。V-22“魚鷹”就是這種機型的典型代表。它是在XV-15的基礎(chǔ)上研制的傾斜旋翼機。貝爾公司主要負責研究機翼、發(fā)動機短艙，螺槳－旋翼裝置和傳動系統(tǒng)及發(fā)動機一體化。波音公司負責機體，尾翼、起落架，綜合電子設(shè)備等。

V-22飛機長19.09米，翼展15.52米，旋翼直徑11.58米，機高6.63米，空重14800千克，垂直起降時最大起飛重量21545千克，短距起飛時最大起飛重量24500千克。V-22飛機是第一架機體結(jié)構(gòu)幾乎全部采用復(fù)合材料的飛機，機翼除鋁制前緣外，均采用復(fù)合材料，全機結(jié)構(gòu)中僅用454千克的金屬件，而且大多數(shù)金屬緊固件裝配于飛機外部表面，易于檢修。v－22飛機裝備2臺艾利遜公司的T-406－AD-400渦輪軸發(fā)動機(2×6150軸馬力)。左，右兩部傳動裝置，通過機翼中的協(xié)調(diào)軸交聯(lián)。它能在飛機單臺發(fā)動機發(fā)生故障時，保持全機的拉力平衡，并能使兩副旋翼繼續(xù)傾轉(zhuǎn)。傳動裝置的功率吸收能力為9540軸馬力。V-22最大速度500—550千米／小時，是一般直升機的2倍；巡航速度(9000米高度)460千米／小時；航程2590千米。在150米高度的沖刺速度510～556千米／小時；有效載荷為4500千克。在氣溫30℃，機外懸掛重量為3760千克時，無地效懸停高度為900米。就其飛行速度和航程來說，V-22遠遠超過了CH－46直升機，與某些軍用運輸機相比，V-22也占有優(yōu)勢。V-22及其改進型均備有空中加油系統(tǒng)，以增加航程。另外，采用動力艙傾轉(zhuǎn)原理設(shè)計的旋翼機還有“貝爾301”，“貝爾一波音609”等民用型號。

仰角傾轉(zhuǎn)式

即機翼為旋翼機的主動傾轉(zhuǎn)部件，通過改變迎角完成傾轉(zhuǎn)，動力艙、旋翼伴其隨動，而其他部件(機身、尾翼等)則保持不動。貝爾直升機公司目前正在研究一種具有混合傾轉(zhuǎn)旋翼和傾轉(zhuǎn)機翼功能的飛機，試圖成為替代AH－億和UH－1Y通用直升機的“聯(lián)合多用途”旋翼機的候選機。

這種被稱為“混合串座旋翼”(HTR)機的概念機型，在垂直起降時，它的機翼可以向上傾轉(zhuǎn)15°，而旋冀則保持水平狀態(tài)，像直升機一樣旋轉(zhuǎn)；當前飛時，它的機翼即轉(zhuǎn)回到水平狀態(tài)，而旋翼則處于前傾狀態(tài)，并以比垂直起飛時更高的轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，一方面和機翼共同提供升力，另一方面提供前飛的動力。HTR的平飛速度約為380千米，小時，比普通直升機快，但卻比固定翼飛機慢。

由于旋翼的發(fā)動機短艙隨機翼而動，而自身并不需要傾轉(zhuǎn)，故旋翼的直徑可比傾轉(zhuǎn)旋翼大，從而能改善該機的低速和懸停性能。有關(guān)的迎角舉升裝置在早期的F-8艦載機上就已經(jīng)實現(xiàn)，可供借鑒。HTR旋翼機設(shè)計方案的提出旨在降低V-22結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，確保飛行安全，簡化維護。它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度和飛行性能介于直升機和傾轉(zhuǎn)旋翼機之間，實際上填補了該技術(shù)領(lǐng)域中某種機型的空白。

其他廣受關(guān)注的新技術(shù)

當前，鎖啟旋翼式和圓盤旋翼式作為已研究和試驗多年、有望提高直升機速度和性能的有效舉措正在受到航空界的關(guān)注和熱議。

鎖啟旋翼式波音公司研制的X-50A“蜻蜒”是一種巧妙地采用三翼面總體布局的垂直起降試驗無人機。它以機身為主體，機首設(shè)置了鴨式前翼，機尾設(shè)置了水平尾翼，水平尾翼外端對稱安裝了2片垂直尾翼，旋翼則布置在機身頂部中央，且旋轉(zhuǎn)工作面略高于前后翼面，并被前后翼面所包容。這樣的好處是一方面保護了旋翼，另一方面很好地控制了重心位移；能滿足其安定性和穩(wěn)定性的要求，又能達到理想的操縱性，對垂直起降尤其有利。

x－50A“蜻蜒”無人垂直起降試驗機具有緊湊的幾何尺寸和較輕的起飛重量。機長5.39米，機高1.98米，頂部旋翼直徑3.66米，機首前翼展為2.71米，起飛重量為662千克。X-50A使用了“前翼，旋翼”控制技術(shù)(CRW)，起飛時就象普通直升飛機一樣使用頂部旋翼，依靠動升力垂直升空。當離地達到一定高度后，逐漸由垂直懸停狀態(tài)轉(zhuǎn)入水平飛行狀態(tài)，續(xù)而加速，像常規(guī)飛機那樣飛行。而此時，頂部旋翼已經(jīng)被鎖定，變成了固定翼飛機的機冀，整機成為地地道道的三翼面飛機。而三翼面飛機的最大特點是能提供比其他總體布局更大的重心移動位置，這對于確保過度飛行時的縱向穩(wěn)定性和操縱性非常重要。當該機執(zhí)行完任務(wù)后需要返航降落時，可一邊降低高度和速度，一邊將機頂?shù)男礞i打開，然后驅(qū)動旋翼運轉(zhuǎn)，恢復(fù)提供動升力，使飛機逐漸由水平飛行狀態(tài)轉(zhuǎn)入垂直懸停狀態(tài)。然后在離地一定高度懸停，狀態(tài)穩(wěn)定后再像直升機那樣垂直降落。

2003年12月3日，X－50A無人試驗機在研究人員的遙控下進行了首次懸停飛行試驗，在空中停留了80余秒，并上升到距離地面3.6米的空中，檢驗了它的垂直起降性能。按照設(shè)計要求，該機在作高速巡航時，最大速度可達700千米／小時，幾乎是現(xiàn)役最快直升機速度的2倍，但由于控制系統(tǒng)的問題，在2004年和2006年該機型兩架驗證機先后墜毀，研究被迫停止。

圓盤旋翼式

其旋翼作為直升機的關(guān)鍵部件，首先具有機翼的功能，能產(chǎn)生向上的升力。其次還具有類似于飛機推進裝置的功能，產(chǎn)生向前的力。它還具有類似于飛機操縱面的功能，能夠產(chǎn)生改變機體姿態(tài)的俯仰力矩或滾轉(zhuǎn)力矩。通常，直升機的一副旋翼最少有兩片槳葉，最多可達7片。旋翼直徑最小約5米，最大達35米。按槳葉與槳轂連接方式的不同，旋翼大體上分為鉸接式、無鉸式，半無鉸式和無軸承式4種。最近，DARPA將波音公司研制的“圓盤旋翼”直升機進－步演進為－種融合圓盤旋翼－機翼－推進裝置三位一體的“高速圓盤旋翼”(High—Speed DiscRotor)飛行器。這種復(fù)合飛行器的飛行速度可以達到650千米／小時，不僅可以高速飛到目標區(qū)，而且能在空中懸停，非常適合執(zhí)行搜索、運輸和救援任務(wù)。

DARPA一直在推進融合旋翼一機翼一推進裝置三位一體復(fù)合式飛行器的發(fā)展，

早期的計劃包括旋翼可以在飛行中鎖停的“x－機翼”計劃，但由于旋翼控制系統(tǒng)過于復(fù)雜，項目在1988年準備飛行試驗前被取消。從2008年開始，DARPA斥資300萬美元支持波音公司研制一種”圓盤旋翼”直升機(DiscRotor)。這種直升機有一個碟形的旋轉(zhuǎn)圓盤，飛機在起飛、懸停和著陸時，槳葉可以從圓盤伸出，與普通直升機無異。但在速度達到500千米，時的快速飛行時，槳葉就被收回到圓盤內(nèi)：而圓盤則繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，酷似一個旋轉(zhuǎn)的圓形機翼，產(chǎn)生動升力，實現(xiàn)在懸停、快速飛行和垂直起降各種飛行模式之間的無縫過渡。

現(xiàn)在，DANPA和波音公司決定將“圓盤旋翼”直升機進一步推進為融合圓盤旋翼－機翼－推進裝置的“高速圓盤旋翼”飛機計劃。與“圓盤旋翼”直升機的圓盤一直保持旋轉(zhuǎn)不同，“高速圓盤旋翼”飛機在槳葉收回圓盤后，圓盤也將完全停止轉(zhuǎn)動，成為一個被鎖住的圓盤機翼，它與固定機翼共同提供升力，將飛機演變成一個完全由涵道風扇發(fā)動機推進的固定翼飛機。

“高速圓盤旋翼機”的最大技術(shù)特色是垂直起降與水平推進的職能分工明確，前者交由圓盤旋冀完成，而后者則交由翼吊雙發(fā)完成。另外一個技術(shù)特色是旋翼收入圓盤內(nèi)并鎖定后，整機就變成了一架固定翼飛機，即以機身為主體，圓盤翼在前上方，機翼在后方。由于不存在尾翼，也沒有尾翼的干擾，作為運輸機使用，開暢性佳，人員、物資和機械，裝備與飛機的接近性更好，車輛可以直接進出貨艙，裝卸作業(yè)非常方便，工作效率也能提高。同時，這種飛機具有氣動力優(yōu)勢，能夠在飛行中獲得更大的升力。

“高速圓盤旋翼機”在水平姿態(tài)就可以直接進行旋翼模式和固定翼模式之間的轉(zhuǎn)換。它在飛行中前飛的推力主要來自裝在機翼吊掛下的涵道風扇發(fā)動機，并通過左右發(fā)動機提供不同的推力產(chǎn)生反扭矩，控制飛機起飛和著陸時圓盤旋翼產(chǎn)生的扭矩，代替常規(guī)直升機的尾槳和常規(guī)固定翼飛機的尾翼，從而減少了結(jié)構(gòu)重量，但所采用的旋翼交叉軸傳動系統(tǒng)卻會增加一些重量?！备咚賵A盤旋翼機—面臨的一個挑戰(zhàn)是，需要配備一種能在飛行中對槳葉進行精確伸縮控制的機械系統(tǒng)，因為槳葉在伸縮過程中哪怕出現(xiàn)幾毫米的誤差都會引起不平衡的力和力矩，所以有必要采用主動槳葉控制系統(tǒng)管理等先進技術(shù)。

結(jié)語

兵貴神速，這對現(xiàn)代軍用直升機的快速化和高速化照樣適用，只有這樣，才能適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)場要求。從表2所列出的幾種正在醞釀速度新突破的軍用直升機中，可看出美國和俄羅斯均對雙重旋翼附加推力型直升機很感興趣，不僅有全新開發(fā)的機型，而且也有用現(xiàn)役機型改裝的，技術(shù)上就事論事，講究缺速度就補速度，屬于實用類設(shè)計，并不復(fù)雜，也容易實現(xiàn)快速性，所不同的是俄羅斯開發(fā)的機型較多。美國同時也熱衷于交叉組合型快速軍用直升機的研究，其中最成功的要數(shù)V-22動力傾轉(zhuǎn)式旋翼機，已經(jīng)定型投產(chǎn)并開始服役。

總之，現(xiàn)代軍用直升機正醞釀著速度的新突破，限制其速度提高的瓶頸在于陳舊的總體設(shè)計，旋翼模式及結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。很顯然，光靠傳統(tǒng)的直升機模式，設(shè)計思想和設(shè)計方法已經(jīng)很難實現(xiàn)速度上的新突破了。