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中国航空工程师关于直升机制造何去何从的思考

发布日期:2016-10-07  来源:航空制造网  作者:褚世永我要投稿我要评论
未来发展的重点技术领域

从产品的角度看,常规构型直升机(包括单旋翼带尾桨构型、纵列式双旋翼构型和共轴双旋翼构型)、高速旋翼机(包括倾转旋翼构型、带拉力或推力桨的复合推力构型)和无人直升机“三足鼎立”的格局已经初步形成。未来一段时期内,它们都将在各自的技术领域寻求进一步发展。


01 常规构型直升机减振降噪技术



随着市场对于常规构型直升机舒适性要求的不断提高,减振降噪已成为常规构型直升机未来发展的重点技术领域。目前,减振降噪的研究方向已从被动吸振逐渐转向主动减振,如结构响应主动控制、高阶谐波控制、单片桨叶控制、主动控制伺服襟翼等研究,并已取得明显效果。未来,对于舒适性、可靠性的高要求将推动减振降噪技术的不断成熟和转化,也将促进更为先进的减振降噪技术发展。如空客2010年提出的“蓝色直升机”概念中,包含了“蓝色刀锋”(Blue Edge)低噪声桨叶技术(图3)和“蓝色脉冲”(Blue Pulse)主动控制技术。



“蓝色刀锋”是一种通过改进桨尖形状设计降低噪声的技术,利用减小的桨尖弦长来降低桨尖涡强度,利用非均匀的弦长分布和先前掠再后掠的桨尖设计有效避免桨尖涡与桨叶平行干扰产生的噪声,利用先进翼型设计降低旋翼厚度噪声和载荷噪声,利用后掠的优化桨尖避免桨尖的气动分离。


“蓝色脉冲”采用的是主动控制伺服襟翼技术,通过双襟翼特殊设计降低桨涡干扰噪声。双襟翼的周期运动改变桨叶的气流和运动,从而降低了直升机降落时的振动和噪声。这两项技术在实验室环境下降噪效果达4~7dB,真实飞行环境也达到3~4dB。


此外,美国马里兰大学开发的智能旋翼试验表明,智能旋翼在降低噪声水平方面有着更为高效的表现,噪声降低达50% 以上。DARPA的“任务自适应旋翼”新构型旋翼概念开发项目中,也提出了声学可探测距离降低50%、振动降低90% 等性能指标。

02  高速旋翼机技术

高速旋翼机技术近年取得较大突破:倾转旋翼机早已在军用领域使用,民用产品也将在未来几年内交付;复合推力构型高速旋翼机技术趋于成熟。

2010 年西科斯基启动基于X2构型技术的S-97 高速旋翼机研制,2015 年5 月完成首飞。空客直升机公司X3 验证机飞行速度于2013 年达到472km/h,旨在研制出一个高速旋翼机系列的美军“未来垂直起降飞行器”(FVL)计划,并计划2017 年实现其先导验证项目——“联合多任务旋翼机技术验证机”(JMR TD)的首飞,2020 年前完成全部验证、评审和工程研制方案选择,预计2028年前后交付使用。美国空军与陆军正在联合开展“联合未来战区运输机”(JFTL)技术研究,该机将具备垂直起降和短距起降能力,并能够运输中型作战车辆,且具备战略级别航程。美国军方和NASA 还开展了运输机级别的高速旋翼机技术研究,其中“亚声速旋翼机”研究项目(SRW),为未来能搭载90 名乘客、巡航速度556km/h,航程不低于1852km 的旋翼机储备技术,目前主要集中在构型优化、关键子系统技术研发,2012 年已开始1/20 缩比模型风洞试验。


与此同时,下一代高速旋翼机技术预研已陆续启动。DARPA 于2013 年2 月启动了“垂直起降试验飞机”项目,于2014 年3 月开始竞标,计划2017 年首飞。验证机最大起飞重量4500~5400kg,技术可应用1800~10800kg 间不同吨位平台上;能承受-0.5~2.0g 过载;飞行速度能达到556~741km/h ;悬停效率不低于75% ;巡航状态升阻比不低于10 ;有效载重不低于总重的40%,商载不低于12.5%。项目成果将为FVL 等项目后的第二代高速旋翼机提供技术储备;而欧洲也计划启动第二代高速旋翼机技术预研,并可能优先考虑民用领域的应用。


按照目前的研制计划,集成应用高速旋翼机技术的新产品将在2025年前后投入使用,并在2030 年后开始广泛应用。


03无人直升机技术

近年来,无人直升机技术发展迅速。控制方面,采用先进的飞行控制与组合导航技术,智能化和自主控制能力稳步提高。MQ-8B“火力侦察兵”已达到美军方定义的自主控制等级第4 级(机上航路再规划),能实现不同海况和风速条件下的自动起飞和着舰;美国海军陆战队已经启动“自主空中货运/ 投送系统”(AACUS)项目,期望前线士兵能通过简单的iPad 界面操作无人直升机着陆,计划在2016 年下半年完成研制;此外,美军在JMR TD 项目中提出了可选有人驾驶能力需求,已开始在“黑鹰”上开展技术研究,并于2014 年初成功进行了地面遥控悬停飞行试验,这项技术能在几乎所有现役直升机上应用。

新技术和新材料方面,钛合金已广泛运用到无人直升机发动机叶片、旋翼轴和桨毂等部件上,机体主结构采用玻璃纤维、碳纤维等增强复合材料,结合模块化设计使空机重量显著降低、结构寿命明显提高、维修性大大改善,同时复合隐身技术也被用于降低全机的雷达和红外辐射特征;新构型技术也将很快被应用到无人直升机上,DARPA 正在进行的“垂直起降试验飞机”项目就含无人高速旋翼机备选方案。

任务系统方面,先进的小型化任务设备不断集成,MQ-8B 的Ku 波段APY-8“山猫”合成孔径雷达重52kg,在10000m 高空成像分辨力为100mm,且具有地面动目标指示能力,“山猫”II 的重量已降到39kg。未来,无人直升机将向“智能化、易操纵”、“长航时、高航程”、“大任务载荷”、“高隐身性能”和“高效新武器系统”等方向发展。




 
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