深度：浅析中国为何发展高速直升机 需工业扎实积累

　　资料图：对于下一代高速垂直起降飞行器，中国一直都没有停止过探索和追赶的脚步。天津直升机博览会上，中航工业就展出了两种新的未来高速垂直起降飞行器概念，即“绝影”和“蓝鲸”，两者分别采用了已经被普遍接受的气动布局。

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　　直升机的战场高速需求与速度瓶颈

　　自从直升机发明以来，受旋翼系统的限制，多数常规直升机的飞行速度都不超过300千米/小时。这是因为直升机前飞的动力来自于旋翼的高速转动，直升机飞行速度越快，意味着旋翼转速就越快。根据计算，当直升机飞行速度逼近350千米/小时的时候，直升机旋翼桨尖的线速度将接近声速。当桨尖速度接近声速时，气动阻力会显著增加，此时涡轴发动机要推动旋翼以更快的速度旋转，就意味着要面对多几倍的阻力，会耗费多得多的功率，这是非常不经济的。同时当桨尖线速度超过音速时，桨叶中部的线速度比桨尖慢一些，反而在接近音速范围，因此桨叶各处受到的阻力会产生明显差别。再加上激波、桨叶气流流场的影响，因此传统直升机飞行速度就遇到了瓶颈局限。

　　众所周知，直升机本身的作战高度低、速度慢、防护较脆弱，在现代战争中很容易被地面防空火力击中，特别是60、70年代以后便携式防空导弹等防空武器技术的发展，直升机面临的战场环境愈加严峻。巡航速度在250-350千米/小时之间的直升机为提升战场生存能力和及战术性能，直升机飞行速度的大幅度提升无疑是明确的方向之一。在直升机问世后几十年的发展历程中，各国直升机的设计者们都在尝试了很多方式来突破这个速度极限。如波音公司的CH-47“支奴干”采用双旋翼纵列式结构，两套旋翼旋转方向相反，相互抵消对方造成的湍流。欧洲直升机公司X-3直升机在“海豚”直升机的机体上，在两侧加装的固定短翼上各装一副推进螺旋桨，从而将直升机的垂直起降性能和固定翼飞机的高速巡航速度有机的结合起来。这套由原有的直升机旋翼以及机体两侧螺旋桨组成的动力系统使X-3有着惊人的爬升速度级出色的机动性，在稳定飞行时的速度就可达到430千米/小时。

　　X3复合旋翼验证机是欧直公司最新产品，该采用5片桨叶主旋翼和两台安装在短翼上的推进器，结合直升机的垂直起降能力及固定翼的高速巡航的机动性，使其最高时速达到430公里/小时。

　　在高速直升机研发西科斯基经验丰富

　　复合推进的高速直升机技术是世界直升机产业最热门的研究领域，自然美国早早就着手了相关技术探索和验证，在美国擎起这面大旗的是西科斯基公司。1939年，西科斯基凭借VS-300的成功首飞，一举奠定了现代直升机单旋翼加尾桨布局概念。在70余年的直升机技术发展大潮中，西科斯基公司始终屹立潮头，成为直升机研发领域毫无争议的翘楚。西科斯基也早在上世纪的70年代就着手进行新型推进技术的研发和探索，最主要的成果就是XH-59A“先进旋翼概念”技术验证机。该机创造性地采用共轴双旋翼作为主旋翼设计方案，这样一来就可以省去尾桨，而替代尾桨的是侧部的推进装置，安装两台J30-P-3C型涡喷发动机。这样一来，传统的直升机就变成了既有旋翼又有尾部推进装置的“复合推进”新概念直升机。采用复合推进新技术的XH-59A在试飞中体现出了突出的速度优势，它最大平飞时速达到487千米/小时，最大飞行高度达7620米。但XH-59A存在着噪音、振动和油耗较大、结构复杂、操纵困难等诸多技术难题，并最终导致项目下马。

　　但西科斯基公司并未停止对复合推进直升机的探索。本世纪初又启动了第二型复合推进验证机项目，也就是2008年末首次亮相的X-2高速直升机验证机。X-2通过共轴双旋翼和后置推进螺旋桨的复合推进布局，加之先进的电传飞控系统、旋翼桨毂减阻技术、—体化辅助推进技术、主动振动控制技术、轻量化刚性复合旋翼和结构，在试飞中的最大飞行速度达到了每小时460千米，成为目前飞行速度最快的直升机。X-2这一高速直升机验证机项目在经历了多年试飞和技术攻关后，最终为西科斯基公司推出S-97原型打下了坚实的技术基础。

　　据英国飞行国际网站2014年6月16日报道，西科斯基公司成功完成S-97高速旋翼机原型机的启动。西科斯基公司称，实现S-97的启动意味着驾驶舱显示器和控制显示单元已成功集成到原型机上。该机目前已完成了一半的总装工作。在接下来的几周内，总装工作将集中完成电子设备如航电和飞控系统的测试。

　　S-97“侵袭者”引领的直升机技术革命

　　上月，S-97“侵袭者”的实机在佛罗里达西棕涧滩的西科斯基研发测试中心正式亮相，这意味着复合推进的高速直升机已经从技术研发阶段走向具体型号研制并即将进入现役。S-97“侵袭者”延续着在X-2已经验证过的共轴双旋翼和推进尾桨技术合二为一的成熟设计方案。S-97“侵袭者”安装一台2 600轴马力通用电气YT706型涡轴发动机，起飞重量约4吨，使用直径10.2米的4叶共轴反转无铰刚性双旋翼，取消了传统直升机的反扭矩尾桨。发动机在驱动主旋翼工作的同时，还为尾梁末端一副直径2.1米的六片复合材料可变距推进螺旋桨提供动力，产生前向推力，用于高速飞行以及加速、减速机动。在低速飞行或悬停时，飞行员可以通过离合机构停止推进螺旋桨，以提高安全性并降低噪音。同时，机尾左右两侧还有两个水平尾翼，尾翼上安装有端板式可操控尾舵，用于提供飞机的操纵力矩。

　　“侵袭者”在飞行控制系统上采用了具有先进控制律的电传飞控系统，将主旋翼、推进尾桨和发动机进行综合一体化设计，实现了综合一体化控制，从而使S-97“侵袭者”在具有高速性能的前提下，保持了直升机悬停飞行、垂直起降和低速机动性能，并可以平稳地从悬停飞行状态进入高速向前平飞状态。除了巡航速度将达到世界最快以外，S-97还拥有包括空中滑翔、高速转弯等一系列先进的直升机飞行技术，机动性和敏捷性对传统直升机构成了代差。据称，在试飞中S-97的速度未来可达将近500千米/小时，是美国现役“黑鹰”直升机速度的2倍，“阿帕奇”直升机速度的1.5倍。

资料图：疑似我国直20直升机座舱

　　我国高速直升机的发展旋翼和发动机是关键

　　在复合推进的高速直升机领域，除了欧美，俄罗斯以及我国也都不甘落后。在2009年，俄罗斯直升机研发领域的双雄，卡莫夫和米里分别推出了卡-92和米X-1的高速直升机方案。只是吨位体积上有差异，方案的启动构型与欧美多有共同点。在上一届珠海航展上，我国也曾展出多个复合高速直升机的模型，其采用的就是共轴双旋翼加尾部推进螺旋桨、短翼螺旋桨的方式。尤为特别的是“绝影”，与西科斯基的尾部安装推进式螺旋桨的方案不同，其采用的是前置对转式螺旋桨来提供高速巡航动力。不过这种拉进式推进方案可能会存在一些问题。前置螺旋桨将限制机鼻传感器的视野，还会在一定程度上妨碍机载内置武器的使用。所以也有消息称，直升机设计研究院也有“推进式”的高速武装直升机方案。

　　关于我国高速直升机的未来发展，要从展会上的模型变成现实的样机乃至真正的量产装备，需要的直升机工业体系的扎实积累和技术实力。直升机旋翼的重要性相当于固定翼飞机的机翼，对于追求高速的复合旋翼机更是如此。随着我国综合国力的提升，在直升机工业上的积极投入，在旋翼方面也是下了大功夫，建造了亚洲最大的直升机旋翼试验塔，使我国直升机旋翼研究彻底摆脱了依赖老型号参数的桎梏，基本掌握了当今世界第三代先进旋翼的研制技术，为高速直升机上的无铰刚性双旋翼突破打下了坚实技术基础。而不论是“传统”的直升机，还是这些设计上更为前卫尖端的复合旋翼机机型，最根本的还是要有合适的发动机。在此前的直-9、直-9以及武直-10的型号发展、后续升级改进都受到了不算小的影响，但随着5000千瓦级和2000千瓦级等大功率涡轴发动机在航展中的现身，可至少看到这两个级别的发动机的研制在稳步推进之中。那么，有了大功率发动机，动力先行，未来无论是大型直升机，还是高速直升机、倾转旋翼机的腾飞都有了最为关键的基础。

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