余啟

1907年11月13日，法國(guó)人保羅·科爾尼完成了直升機(jī)的首次飛行。隨后的110年中，直升機(jī)技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。但近些年來(lái)，由于客戶的需求正在不斷轉(zhuǎn)變，世界直升機(jī)市場(chǎng)逐漸趨向低迷。尤其是軍用市場(chǎng)上，在各國(guó)裁減軍費(fèi)的大背景下，由于采購(gòu)和使用成本已經(jīng)得到大幅度攤銷(xiāo)，以H-60“黑鷹”系列和米-8/17系列為代表的上一代軍用直升機(jī)仍然是各國(guó)軍用直升機(jī)的主力。

1907年11月13日，保羅.科爾尼在法國(guó)卡爾瓦多斯省的利雪進(jìn)行了首次直升機(jī)飛行?？茽枒┏俗嫔龣C(jī)在離地30厘米高處停留了20秒。 ? ??

雖然進(jìn)入了市場(chǎng)的低谷期，各大直升機(jī)制造商卻并沒(méi)有放松對(duì)新一代直升機(jī)技術(shù)的研發(fā)，而隨著新世紀(jì)航空科技的不斷發(fā)展和進(jìn)步，一些并非專為直升機(jī)而研制的新型航空技術(shù)也有可能應(yīng)用于下一代直升機(jī)上。

更大功重比的發(fā)動(dòng)機(jī)

由于新一代發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)取得了大幅度進(jìn)步，渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)功重比顯著提升，特別是功率獲得了極大提高，這對(duì)于直升機(jī)性能的提升是非常顯著的。例如，美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)原有的CH-53E重型直升機(jī)裝備3臺(tái)3 270千瓦的通用電氣T64發(fā)動(dòng)機(jī)，最大起飛重量約33噸。而在最近開(kāi)始交付的CH-53K重型直升機(jī)上，發(fā)動(dòng)機(jī)升級(jí)為3臺(tái)5 600千瓦的通用電氣T408發(fā)動(dòng)機(jī)。通過(guò)采用全新的三維氣動(dòng)設(shè)計(jì)、新一代冷、熱端材料，在功率比T64增大約57%的同時(shí)，耗油率降低了約18%，零件數(shù)目減少了驚人的約60%，在新型發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，其最大起飛重量達(dá)到了約40噸。不僅如此，CH-53K還預(yù)留了第四臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝位置，以備未來(lái)有需要時(shí)，可以通過(guò)較為簡(jiǎn)單的方式，再次增大發(fā)動(dòng)機(jī)總功率，進(jìn)一步提升使用性能。而在H-60“黑鷹”直升機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)升級(jí)計(jì)劃中，目前仍在競(jìng)爭(zhēng)的ATEC公司T900發(fā)動(dòng)機(jī)和通用電氣T901發(fā)動(dòng)機(jī)功率均達(dá)到了2 240千瓦，比原裝備的T700發(fā)動(dòng)機(jī)功率提高約50%，而耗油率降低約25%。使得在伊拉克和阿富汗這樣的高溫和高原環(huán)境下，原先必須使用兩架“黑鷹”直升機(jī)輸送一個(gè)步兵班的狀況，在換發(fā)后可以由一架來(lái)完成，大大提高了作戰(zhàn)效率。

值得注意的是，更強(qiáng)大的新一代發(fā)動(dòng)機(jī)為直升機(jī)帶來(lái)了更多的功率儲(chǔ)備，使得可以考慮采用更多的方式輸出功率，從而改善直升機(jī)的飛行性能。例如，目前以空客歐洲直升機(jī)公司RACER、西科斯基S-97和AVX公司JMR-TD方案為代表的幾種復(fù)合推進(jìn)高速直升機(jī)設(shè)計(jì)中，均采用了推進(jìn)式螺旋槳，其驅(qū)動(dòng)功率即由傳動(dòng)齒輪箱分出的驅(qū)動(dòng)軸來(lái)提供，可以獲得比普通直升機(jī)旋翼前飛矢量更大的推力，巡航速度可以提高1.5～2倍。另外，針對(duì)目前航空器向多電、全電化發(fā)展的趨勢(shì)，新發(fā)動(dòng)機(jī)可以驅(qū)動(dòng)更大功率的發(fā)電機(jī)，為日益增加的用電負(fù)荷提供充沛的電力供應(yīng)。目前飛機(jī)上實(shí)裝使用的最大軸帶發(fā)電機(jī)為F-35戰(zhàn)斗機(jī)使用的400千瓦發(fā)電機(jī)，通用電氣公司已經(jīng)試驗(yàn)了1 000千瓦的軸帶發(fā)電機(jī)。雖然直升機(jī)的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)由于日常負(fù)荷較大，能分給發(fā)電機(jī)的功率不如普通飛機(jī)多，但對(duì)于較大的直升機(jī)而言，還有另一個(gè)選擇，就是增加一個(gè)適當(dāng)功率的APU來(lái)供電，在需要較大的電功率時(shí)也是可以接受的。

正在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)地面測(cè)試的CH.53K直升機(jī)

電推進(jìn)直升機(jī)

電推進(jìn)的引入，使得相關(guān)傳動(dòng)系統(tǒng)大幅度簡(jiǎn)化，反應(yīng)速度和可靠性顯著提高，操作能力得到革命性的提升。目前在直升機(jī)上，除了電動(dòng)起落架等使用電動(dòng)作動(dòng)器的應(yīng)用之外，最值得期待的改變，就是將尾槳、推進(jìn)式螺旋槳乃至旋翼改為電推進(jìn)方式。以尾槳為例，在目前的常規(guī)設(shè)計(jì)中，為了降低尾槳的功率消耗，增大扭矩，必須布置于遠(yuǎn)離機(jī)身的尾部，從傳動(dòng)齒輪箱引出一根長(zhǎng)長(zhǎng)的細(xì)軸來(lái)進(jìn)行傳動(dòng)。由于細(xì)軸的剛性差，直升機(jī)的旋翼、發(fā)動(dòng)機(jī)、尾槳等激振源的工作狀態(tài)復(fù)雜，很容易導(dǎo)致異常的振動(dòng)，輕者降低乘員舒適感，重者有可能導(dǎo)致疲勞損壞。如果將尾槳改為電動(dòng)方式，只需要用電纜來(lái)傳遞動(dòng)力，柔性細(xì)軸帶來(lái)的弊端自然迎刃而解。電動(dòng)尾槳還可以收獲更大的好處，在地面待機(jī)，準(zhǔn)備起飛時(shí)，尾槳可以暫時(shí)停轉(zhuǎn)，以防對(duì)地面人員造成威脅，而當(dāng)直升機(jī)進(jìn)入前飛狀態(tài)、尾翼上的作用力足以平衡旋翼扭矩時(shí)，又可以關(guān)停尾槳，從而提高巡航經(jīng)濟(jì)性。據(jù)報(bào)道，2016年12月，萊昂納多直升機(jī)公司已經(jīng)開(kāi)始了電動(dòng)尾槳的地面臺(tái)架試驗(yàn)。而對(duì)于空客歐直RACER直升機(jī)這種采用兩個(gè)間距較大的推進(jìn)螺旋槳的設(shè)計(jì)來(lái)講，如果水平推進(jìn)器改為電動(dòng)，還可以通過(guò)兩個(gè)推進(jìn)器之間的推力差來(lái)對(duì)直升機(jī)進(jìn)行控制，進(jìn)一步提高其機(jī)動(dòng)能力。

采用共軸對(duì)轉(zhuǎn)+推進(jìn)螺旋槳的西科斯基S.97高速直升機(jī)

目前來(lái)看，實(shí)現(xiàn)難度最大的還是將旋翼也改為電動(dòng)方式，這是因?yàn)橐阅壳暗募夹g(shù)水平而言，即使是研制中最好的航空用發(fā)電機(jī)——電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)，重量仍然比傳統(tǒng)的齒輪箱傳動(dòng)要重10%左右，這對(duì)于需要一直用旋翼將自身拉離地面的直升機(jī)是極為不利的。然而，由于預(yù)計(jì)混合動(dòng)力電推進(jìn)可比傳統(tǒng)推進(jìn)方式提高3%～12%的經(jīng)濟(jì)性，在目前相關(guān)環(huán)保法規(guī)的引導(dǎo)下，如果在機(jī)身材料減重方面可以彌補(bǔ)傳動(dòng)系統(tǒng)的增重，電動(dòng)主旋翼也不失為一個(gè)現(xiàn)實(shí)的選擇。最近，俄亥俄州立大學(xué)正在開(kāi)發(fā)一種2 700千瓦的環(huán)形感應(yīng)電機(jī)，直徑1米，轉(zhuǎn)速為2 700轉(zhuǎn)/分，從參數(shù)上看已經(jīng)具備了作為主旋翼驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的能力。

先進(jìn)旋翼系統(tǒng)

通過(guò)采用寬弦復(fù)合材料、槳尖大后掠設(shè)計(jì)，新一代直升機(jī)的旋翼系統(tǒng)在重量降低、壽命大幅度延長(zhǎng)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了升力增加和噪音降低，允許直升機(jī)達(dá)到更高的飛行速度，經(jīng)濟(jì)性也得到了改善。例如，波音公司聲稱，在CH-47F直升機(jī)上，僅通過(guò)采用新的旋翼系統(tǒng)，就能夠新增680千克載重能力。而在高速直升機(jī)設(shè)計(jì)中，采用前行槳葉概念設(shè)計(jì)的旋翼可以允許遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)普通直升機(jī)的飛行速度，其中西科斯基S-97和AVX公司JMR-TD方案不約而同的選擇了前行槳葉和共軸對(duì)轉(zhuǎn)的復(fù)合設(shè)計(jì)，利用共軸對(duì)轉(zhuǎn)旋翼較小的直徑，以進(jìn)一步降低旋翼負(fù)荷，從而滿足美國(guó)陸軍對(duì)其最大航速達(dá)到400千米/小時(shí)以上的苛刻要求。

此外，由于可高頻率動(dòng)作的小型電作動(dòng)器的發(fā)展成熟，直升機(jī)旋翼也一改翼型完全固定的傳統(tǒng)弊端，開(kāi)始沿著機(jī)翼發(fā)展的道路前進(jìn)，通過(guò)設(shè)置旋翼后緣的襟翼，來(lái)改善旋翼的氣動(dòng)特性，對(duì)旋翼性能進(jìn)行主動(dòng)控制。例如萊昂納多直升機(jī)公司在近期就開(kāi)展了兩種帶主動(dòng)襟翼的旋翼的測(cè)試，其中一種主動(dòng)后緣是主動(dòng)格尼襟翼，是位于槳葉后緣的一小段垂直于槳葉表面的舵面，其長(zhǎng)度為旋翼弦長(zhǎng)的2%～3%，當(dāng)旋翼進(jìn)入后行半周時(shí)啟動(dòng)，可以提高旋翼的升力;另一種是主動(dòng)后緣襟翼系統(tǒng)，通過(guò)使用旋翼后緣的主動(dòng)控制襟翼和安裝于槳轂的阻尼減擺器，預(yù)計(jì)可將旋翼系統(tǒng)的振動(dòng)水平降低90%，顯著提高乘坐的舒適性。

升力小翼的使用

對(duì)于新一代直升機(jī)而言，更注重從正常飛行狀態(tài)中尋找節(jié)能途徑。為此，具有適當(dāng)卸載作用的升力小翼設(shè)計(jì)由此而興起，其尺寸允許在前飛時(shí)產(chǎn)生部分升力，從而降低主旋翼負(fù)載，提高經(jīng)濟(jì)性，而增加的重量又不至于過(guò)大。在空客歐直的新直升機(jī)設(shè)計(jì)中，雙層小翼成為一個(gè)明顯的特征。例如6噸級(jí)的H160直升機(jī)，就采用了雙層平尾，實(shí)際上起到了增加巡航升力的作用。而在復(fù)合推進(jìn)的RACER高速直升機(jī)上，兩側(cè)的雙層小翼更大，采用了連翼式結(jié)構(gòu)，翼尖頂點(diǎn)為推進(jìn)螺旋槳吊艙，雙層小翼安裝位置在機(jī)體后部，以降低懸停狀態(tài)時(shí)對(duì)主旋翼下洗氣流的阻擋，并可以改善人員進(jìn)出機(jī)艙的便捷性?？湛蜌W直通過(guò)計(jì)算得出，雙層小翼可以在RACER高速直升機(jī)前飛時(shí)減小約10%的功率消耗，經(jīng)濟(jì)性得到明顯改善。更激進(jìn)的設(shè)計(jì)出現(xiàn)在AVX公司JMR-TD方案上，該機(jī)不但在機(jī)頭兩側(cè)有增升和俯仰控制作用的小翼，由于是共軸對(duì)轉(zhuǎn)雙旋翼的無(wú)尾槳布局，短粗的機(jī)身設(shè)計(jì)成了類(lèi)似翼型剖面的流線型，在平飛時(shí)機(jī)身也能產(chǎn)生一定升力，可以進(jìn)一步改善高速前飛時(shí)的燃油效率。

多旋翼直升機(jī)

電動(dòng)多旋翼直升機(jī)的興起，與自動(dòng)化飛行系統(tǒng)整合，在民用高密度短途交通市場(chǎng)將大有可為。其代表為德國(guó)e-volo公司研制的Volocopter VC200多旋翼直升機(jī)，其采用了多個(gè)垂直小旋翼產(chǎn)生升力。在傳統(tǒng)直升機(jī)上，只要某些關(guān)鍵部件發(fā)生故障，就會(huì)導(dǎo)致發(fā)生事故，而在電動(dòng)多旋翼直升機(jī)上，由于分布式電推進(jìn)帶來(lái)的高冗余度設(shè)計(jì)，無(wú)論在能源供給還是動(dòng)力傳動(dòng)方面，都具有極高的可靠性，即使有少數(shù)旋翼發(fā)生故障，也能保障乘客的安全降落。有專家認(rèn)為，通過(guò)電動(dòng)多旋翼直升機(jī)與全自動(dòng)飛行系統(tǒng)的整合，未來(lái)乘坐電動(dòng)直升機(jī)出行的乘客安全性將達(dá)到傳統(tǒng)直升機(jī)的4倍。另外，由于電動(dòng)多旋翼直升機(jī)具有低噪音、低使用成本、高可靠性的特征，未來(lái)發(fā)展成熟后，在軍用市場(chǎng)上也有可能獲得一席之地，在執(zhí)行少量人員物資短距離快速輸送等任務(wù)方面前景廣闊。

不得不提到的是，自從直升機(jī)發(fā)明以來(lái)，長(zhǎng)期存在著與傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的競(jìng)爭(zhēng)。雖然從規(guī)模和種類(lèi)上來(lái)看，直升機(jī)一直穩(wěn)居上風(fēng)，但傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)由于巡航速度高、有效載重大的優(yōu)點(diǎn)，仍然在頑強(qiáng)發(fā)展。目前，僅有V-22“魚(yú)鷹”傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)正式批量交付客戶使用，而貝爾公司仍在繼續(xù)研制下一代的V-280傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)，以參與美軍下一代直升機(jī)的競(jìng)爭(zhēng)。萊昂納多直升機(jī)公司正在繼續(xù)研制民用的AW609傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)，預(yù)計(jì)2018年完成取證，2019年投入使用。但是，從V-22的使用經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)在垂直——平飛轉(zhuǎn)換過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)偏大。對(duì)于軍事用戶而言，其風(fēng)險(xiǎn)尚在可以接受的范圍，對(duì)于民用用戶，就需要打上一個(gè)大大的問(wèn)號(hào)了。AW609傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的第二架原型機(jī)在2015年因事故機(jī)毀人亡，進(jìn)一步增加了未來(lái)意向用戶的擔(dān)憂。

總體來(lái)看，由于新一代直升機(jī)安全性更好，因使用維護(hù)、飛行員培訓(xùn)等設(shè)施完善而帶來(lái)的用戶粘性更強(qiáng)，將會(huì)牢牢守住市場(chǎng)，傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)只能在有限的市場(chǎng)中分一杯羹，無(wú)法動(dòng)搖直升機(jī)的統(tǒng)治地位。

責(zé)任編輯：王鑫邦