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新型航空技术为下一代直升机带来了什么?

  近年随着客户需求的不断转变,世界直升机市场逐渐趋向低迷。尤其是军用市场,各国裁减军费的大背景下,由于采购和使用成本得到大幅度摊销,以H-60“黑鹰”系列和米-8/17“河马”系列为代表的上一代军用直升机仍然是各国军用直升机的主力。

  1907年11月13日,保罗科尔尼在法国卡尔瓦多斯省利雪进行了首次直升机飞行。科尔尼乘坐直升机在离地30厘米高处停留了20秒。

  虽然进入了市场低谷期,各大直升机制造商却并没有放松对新一代直升机技术的研发,随着新世纪航空科技的不断发展和进步,一些并非专为直升机而研制的新型航空技术也有可能应用于下一代直升机。

  新一代发动机设计与制造技术的进步,推动涡轮轴发动机的功重比不断提升,特别是功率的极大提高,对于直升机性能的提升是非常显著的。

  美国海军陆战队原有的CH-53E重型直升机,装备了3台3270千瓦的通用电气T64发动机,最大起飞重量约33吨。而在CH-53K重型直升机上,发动机升级为3台5600千瓦的通用电气T408发动机。

  与T64相比,T408通过采用全新的三维气动设计、新一代冷、热端材料,功率比T64增大了约57%,耗油率降低了约18%,零件数目减少了惊人的约60%,直升机最大起飞重量达到了约40吨。此外,CH-53K预留了第4台发动机的安装位置,以备在需要时可以通过较为简单的方式,再次增大发动机总功率,进一步提升使用性能。

  在H-60“黑鹰”直升机的发动机升级计划中,参与竞争的ATEC公司T900发动机和通用电气T901发动机的功率均达到2240千瓦,比原装备的T700发动机功率提高了约50%,耗油率却降低了约25%。这使得在伊拉克和阿富汗这样的高温和高原环境下,原先必须使用两架“黑鹰”直升机输送一个步兵班的状况,换发后可以由一架来完成,极大提高了作战效率。

  更强大的新发动机为直升机带来了更多的功率储备,使得可以考虑采用更多的方式输出功率流,从而改善直升机的飞行性能。例如,以空客欧洲直升机公司RACER、西科斯基S-97、AVX公司JMR-TD方案为代表的几种复合推进高速直升机设计中,均采用了推进式螺旋桨,其驱动功率即由传动齿轮箱分出的驱动轴来提供,可以获得比普通直升机旋翼前飞矢量更大的推力,巡航速度可以提高1.5~2倍。

  在航空器向多电、全电化发展的趋势下,新发动机可以驱动更大功率的发电机,为日益增加的用电负荷提供充沛的电力供应。目前飞机上实装使用的最大轴带发电机是F-35战斗机使用的400千瓦发电机,通用电气公司已经试验了1000千瓦的轴带发电机。虽然直升机的涡轴发动机日常负荷较大,能分给发电机的功率不如普通飞机多,但较大的直升机可以选择增加一个适当功率的APU来供电,这在需要较大的电功率时是可以接受的。

  电推进的引入,使直升机传动系统大幅度简化,反应速度和可靠性显著提高,操作能力得到革命性的提升。目前除了电动起落架等使用电动作动器的应用之外,最值得期待的改变,就是将尾桨、推进式螺旋桨乃至旋翼改为电推进方式。

  目前的常规设计中,为了降低尾桨的功率消耗,增大扭矩,必须布置于远离机身的尾部,从传动齿轮箱引出一根长细轴进行传动。由于细轴的刚性差,直升机的旋翼、发动机、尾桨等激振源的工作状态复杂,很容易导致异常振动,轻者降低乘员舒适感,重者有可能导致疲劳损坏。

  如果将尾桨改为电动方式,只需要用电缆传递动力,柔性细轴带来的弊端自然迎刃而解。当直升机在地面待机、准备起飞时,尾桨可以暂时停转,以防对地面人员造成威胁;当直升机进入前飞状态、尾翼上的作用力足以平衡旋翼扭矩时,又可以关停尾桨,从而提高巡航经济性。

  贝尔公司带有电动尾旋翼的改装试验版429直升机 [来源:Bell Helicopter]

  2016年12月,莱昂纳多直升机公司已经开始了电动尾桨的地面台架试验。对于空客欧直RACER直升机这种采用两个间距较大的推进螺旋桨的设计来讲,如果水平推进器改为电动,还可以通过两个推进器之间的推力差来对直升机进行控制,进一步提高其机动能力。

  目前,实现难度最大的是将旋翼改为电动方式。这是因为以目前的技术水平而言,即使是研制中最好的航空用发电机——电动机传动系统,重量仍然比传统的齿轮箱传动要重10%左右,这对于需要一直用旋翼将自身拉离地面的直升机是极为不利的。据估计,混合动力电推进可比传统推进方式提高3%~12%的经济性,但在目前环保法规的引导下,如果在机身材料减重方面可以弥补传动系统的增重,电动主旋翼不失为一个现实选择。

  最近,俄亥俄州立大学正在开发一种2700千瓦的环形感应电机,直径1米,转速2700转/分,从参数上看已经具备了作为主旋翼驱动电动机的能力。

  通过采用宽弦复合材料、桨尖大后掠设计,新一代直升机旋翼系统在重量降低、寿命大幅度延长的同时,实现了升力增加和噪音降低,允许直升机达到更高的飞行速度,经济性也得到改善。例如,波音公司声称在CH-47F直升机上,仅通过采用新的旋翼系统,就能够新增680千克载重能力。

  在高速直升机设计中,采用前行桨叶概念设计的旋翼,可以允许远远超过普通直升机的飞行速度,其中西科斯基S-97和AVX公司JMR-TD方案不约而同的选择了前行桨叶和共轴对转的复合设计,利用共轴对转旋翼较小的直径,进一步降低旋翼负荷,从而满足美国陆军对其最大航速达到400千米/小时以上的苛刻要求。

  采用共轴对转+推进螺旋桨的西科斯基S-97高速直升机 [图源:Lockheed Martin]

  共轴式直升机的转动惯量小于单旋翼直升机,具有较高的加速特性 [图源:陈铭]

  除此之外,可高频率动作的小型电作动器的发展成熟,使直升机旋翼也一改翼型完全固定的传统弊端,开始沿着机翼发展的道路前进,通过设置旋翼后缘的襟翼,改善旋翼的气动特性,对旋翼性能进行主动控制。

  莱昂纳多直升机在英国政府旋翼技术验证计划下开发的主动后缘襟翼 [图源:英国航宇技术研究所(ATI)]

  莱昂纳多直升机公司就开展了两种带主动襟翼的旋翼测试,其中一种是主动后缘格尼襟翼,是位于桨叶后缘的一小段垂直于桨叶表面的舵面,其长度为旋翼弦长的2%~3%,当旋翼进入后行半周时启动,可以提高旋翼升力;另一种是主动后缘襟翼系统,通过使用旋翼后缘的主动控制襟翼和安装于桨毂的阻尼减摆器,预计可将旋翼系统的振动水平降低90%,显著提高乘坐的舒适性。

  新一代的直升机,更注重从正常飞行状态中寻找节能途径。为此,具有适当卸载作用的升力小翼设计由此兴起,其尺寸允许在前飞时产生部分升力,从而降低主旋翼负载,提高经济性,而增加的重量又不至于过大。

  空客欧直的新直升机设计中,双层小翼是一个明显特征。例如6吨级的H160直升机,就采用了双层平尾,实际上有增加巡航升力的作用。在复合推进的RACER高速直升机上,两侧的双层小翼更大,采用了连翼式结构,翼尖顶点为推进螺旋桨吊舱,双层小翼安装位置在机体后部,以降低悬停状态时对主旋翼下洗气流的阻挡,并可以改善人员进出机舱的便捷性。空客欧直通过计算得出,双层小翼可以在RACER高速直升机前飞时减小约10%的功率消耗,经济性得到明显改善。

  更激进的设计是AVX公司JMR-TD方案,该机不但在机头两侧有增升和俯仰控制作用的小翼,由于是共轴对转双旋翼的无尾桨布局,短粗的机身设计成了类似翼型剖面的流线型,在平飞时机身也能产生一定升力,从而进一步改善高速前飞时的燃油效率。

  电动多旋翼直升机和全自动飞行系统的整合,在民用高密度短途交通市场将大有可为。代表是德国e-volo公司研制的Volocopter VC200多旋翼直升机,就采用了多个垂直小旋翼产生升力。

  德国e-volo公司研制的Volocopter VC200多旋翼直升机,该直升机装有18个旋翼,能在20~25米的高空持续飞行20~30分钟。

  传统直升机只要某些关键部件发生故障,就容易发生事故。而在电动多旋翼直升机上,分布式电推进带来的高冗余度设计,使无论在能源供给还是动力传动方面,都具有极高的可靠性,即使少数旋翼发生故障,也能保障乘客安全降落。专家认为,通过电动多旋翼直升机与全自动飞行系统的整合,未来乘坐电动直升机出行的乘客安全性,将达到传统直升机的4倍。

  另外,由于电动多旋翼直升机具有低噪音、低使用成本、高可靠性的特征,未来发展成熟后,在军用市场上也有可能获得一席之地,特别在执行少量人员物资短距离快速输送等任务方面前景广阔。

  自直升机发明以来,长期存在着与倾转旋翼机的竞争。虽然在规模和种类上,直升机一直稳居上风,但倾转旋翼机由于巡航速度高、有效载重大的优点,仍然在顽强发展。目前,仅有V-22“鱼鹰”倾转旋翼机正式批量交付客户使用,而贝尔公司仍在继续研制V-280倾转旋翼机,以参与美军下一代直升机的竞争。此外,莱昂纳多直升机公司在研制民用的AW609倾转旋翼机。

  但是,从V-22的使用经验来看,倾转旋翼机在垂直—平飞转换过程中的风险偏大。对于军事用户,其风险尚在可接受的范围;对于民用用户,就需要打上一个大大的问号了。AW609倾转旋翼机的第二架原型机就在2015年因事故机毁人亡,进一步增加了未来意向用户的担忧。

  总体而言,新一代直升机安全性更好,因使用维护、飞行员培训等设施完善而带来的用户粘性更强,将会牢牢守住市场,倾转旋翼机只能在有限的市场中分一杯羹,无法动摇直升机的统治地位。

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