下一代直升机3大技术发展方向

从20世纪30年代中期，直升机真正投入使用，至今，直升机技术已日益成熟，经历了4代技术发展阶段，第五代技术正处于构想阶段。

从20世纪30年代~50年代末，以贝尔47和米-4为典型代表的第一代直升机；20世纪60年代初~70年代中期，以米-8、“超黄蜂”和直8为典型代表的第二代直升机；20世纪70年代中期~80年代末，以“阿帕奇”、“山猫”、“海豚”和直9为典型代表的第三代直升机；20世纪90年代至年，以“科曼奇”、NH-90为典型代表的第四代直升机，划代的主要依据无外乎发动机、材料、信息化程度、最大平飞速度和振动和噪声水平。因此，第五代直升机构想的主要特点可以定性描写为高速、高机动、隐身、远程、长航时等，而且振动和噪声水平明显下降，信息化与“5性”水平显著提高。换言之，下一代直升机，即第五代直升机的典型特点可概括为：本身性能和环境友好性两个方面的能力有所提升，甚或有质的奔腾。

下一代直升机3大技术发展方向

科学技术的发展只有以需求为牵引，才有足够的动力与后劲，下一代直升机技术发展也不例外。基于上述能力提升需求，可以预感下一代直升机技术应从高速、绿色和智能化3个方向发展。

1、高速技术

在直升机真正诞生以后，尤其是20世纪50年代之前，最大平飞速度一直徘徊在km/h以下。直到年，直升机的速度得到了快速提高，“超黄蜂”的速度到达了km/h。尔后，对速度的提升再次减缓。随着运用愈来愈广泛，为了进一步适应军、民领域的市场需求，提高直升机飞行速度成为不可避免的课题，高速技术也已成为下一代直升机的技术发展方向之一。分析表明，直升机前飞时，旋翼所处的复杂气动环境从根本上限制了直升机速度的提升，而要将旋翼从极度卑劣的前飞工作环境中摆脱出来，主要技术手段包括整体构型革新与旋翼能力提升。

整体构型革新

前飞时，由于来流速度的叠加，造成旋翼的前行桨叶出现激波，后行桨叶出现气流分离，进而致使直升机前飞速度遭到限制。而且研究发现，由于旋翼所处的气动环境使然，采取常规办法根本没法突破这类限制，因此整体构型革新势在必行。倾转旋翼机、刚性旋翼直升机应运而生，V-22、BA、X2/X3就是典型的代表（图1和图2）。虽然从严格意义上讲，这些直升机已不再是传统的、纯洁的直升机，它们结合了直升机和固定翼飞机的优点，但是人们仍然称之为高速直升机。

其中最有发展前景的是倾转旋翼机。目前，世界上只有美国的贝尔公司掌握了倾转旋翼机的核心技术。前苏联和欧盟也进行了一些研究，但都没有进入到型号研制阶段。倾转旋翼机在飞行速度和飞行包线两方面都比直升机大大提高，比如：常规直升机最大平飞速度只有km/h，V-22可到达km/h；常规直升机最大实用升限一般在6km以下，V-22的实用升限将近8km。

另外，美国的西科斯基飞机公司正在研究的一种X2新构型技术验证机，其巡航速度可到达km/h左右，具有非常巨大的技术潜力。西科斯基与波音公司联合研发、参与美国国防部FVL战略计划竞标的SB1就是以X2技术为基础展开设计的，该技术采取可变转速传动系统来调剂桨尖速度以适应高速巡航使用。同时参与竞标的其他3家公司（AVX飞机公司、贝尔直升机特克斯特朗公司和凯瑞姆飞机公司）也不谋而合采取了新构型。

被美国陆军联合多功能技术验证机（JMR-TD）项目选中的V-“勇士”（图3）第三代倾转旋翼机是在V-22“鱼鹰”技术基础上的升级，当前设计方案的亮点就是提高了低速灵活性、高过载的机动性、低油耗和长航程等。

旋翼能力提升

旋翼是直升机唯一的升力来源，因此旋翼能力的提升成为提高现代直升机飞行速度的最直接的途径。

旋翼能力提升技术除翼型配置、桨叶平面形状、气动改变和桨尖形状设计等常规途径之外，值得一提的是美国NASA新近开始的一种与具有创新意义的研究项目——逆速旋翼（ReverseVelocityRotor，RVR）系统。采取逆速旋翼系统的直升机在快速前飞时，前飞速度大于逆速旋翼系统中桨叶的桨尖线速度，从而使全部后行桨叶处于反向气流当中，“逆速旋翼系统”因此而得名。逆速旋翼系统的桨叶采取前后缘对称的翼型，确保不论桨叶来流方向如何都可产生升力。但是，这类对称翼型最大的优势在于可以将旋翼转速与前飞速度叠加，把对后行桨叶速度的影响降到最低，并推延常规旋翼后行桨叶失速出现的时间。固然这类逆速旋翼设计，还需要可变速的传动装置和辅助推力系统的支持。逆速旋翼机的出现及其所到达的前飞速度水平，对现有像V-22那样的倾转旋翼机直接构成了挑战。与此同时，未来采取逆速旋翼系统的旋翼机还能避免倾转旋翼机技术复杂、结构复杂、重量效力低、可靠性低、动力学和过渡飞行控制技术难、双旋翼间存在干扰等技术困难。

2、绿色技术

直升机的使用空域一般在5~6km以下，与固定翼飞机相比，该范围更接近居民空间，同时为了凸显低空性、运输便捷性和使用价值的提高，直升机机场也更加接近居民区，因此在使用进程中所引发的周边环境变化，如外部噪声引发的噪声污染和发动机排放物引发的空气污染等，都会对周边的居民产生影响。因此，对这些外部环境污染的有效控制是绿色直升机的特点，也是直升机适用性的重要指标。通常来说，降噪和减排的技术称之为绿色直升机技术。

目前，广为人知的绿色技术探索项目包括欧盟启动的“洁净天空计划”（CleanSky）中的绿色旋翼机和美国国防预先研究计划局（DARPA）启动的任务自适应旋翼（MAR）项目。其中洁净天空计划的目标是为未来飞机开发绿色环保技术，作为该计划6个项目之一的“绿色旋翼机”（GreenRotorcraft）项目，要求直升机削减10dB噪声；涡轴直升机的二氧化碳排放量减少26%，发动机本身的改进必须下降10%的二氧化碳排放量，另外气动布局和系统方面的改进必须下降16%二氧化碳排放和65%的氮氧化物排放量[6]。自适应旋翼项目性能目标更加明确，包括：有效载荷增加30%；航程增大40%；旋翼声学可探测范围减小50%、引发振动减少90%。毫无疑问，这两个研究项目作为先驱，为绿色直升机技术的发展指明了方向。

降噪技术

直升机的外部噪声主要来自旋翼、尾桨和发动机，其中，旋翼噪声为主要来源，因此目前直升机外部降噪研究主要针对旋翼展开，研究的焦点基本都定位在下降桨—涡干扰（BladeVortexInteraction，BVI）噪声。成果较为突出的包括高升力桨叶、“波形”桨叶设计和“主动改变旋翼”。高升力桨叶技术被业内认为是最新的研究项目，主要通过下降巡航飞行时的旋翼转速，到达下降直升机至飞临区域的噪声。“波形”桨叶设计（WaveBlade）是NASA目前正在研究的一种新型桨叶，通过分散前一片桨叶产生的涡流下降BIV噪声。“可调式旋翼”是一种桨叶散布间距不均等的旋翼系统，通过调剂旋翼桨叶的安装角，使旋翼桨叶不再呈常规的均匀分布安装位置，从而下降本来的BVI噪声的强度。“主动改变旋翼”（ActiveTwistRotor，ATR）的核心是通过对每一片旋翼桨叶的载荷和空间位置进行独立控制，减小桨叶涡强度，使后一片桨叶不会和前一片桨叶产生的涡流相撞。NASA的风洞试验显示主动改变旋翼对下降噪音和振动有明显的作用。

减排技术

直升机尾气由发动机产生，主要成分是二氧化碳和氮氧化合物、水汽。减少发动机尾气排放可以从3个方面展开技术研究，首先是从发动机动身，展开技术研究，下降耗油率，提高燃油效力，或通过动力装置的改进从根本上消除发动机尾气的排放；其次是从直升机方面入手，通过机身气动优化、外部气动部件整流、起落架以外挂结构的收放来减少前飞时的废阻，进而下降对发动机的功率需求，固然还可以通过无尾桨设计，下降需用功率；最后是通过进、排气优化等技术措施减少发动机的安装损失。

以上几方面研究中，值得一提的是柴油发动机、全电驱与混合动力直升机技术研究，这些都是可从根本上实现绿色直升机的可取之路。欧盟正在“绿色旋翼机”（GreenRotorcraft）项目中大力展开柴油动力直升机研发，先期目标是基于现有的柴油发动机技术实现下降30%的燃油消耗；远期目标是基于下一代的柴油发动机技术，结合直升机总体方案优化，实现减少30%~40%燃料消耗。相比于柴油发动机，电动发动机的使用可减少直升机复杂的动部件，下降振动和噪声，并且不需要航空燃料，更加绿色环保。西科斯基公司的“萤火虫”全电直升机（图4）是对电驱动垂直起降飞行器的首次尝试。混合动力直升机项目主要是改进发动机的整体效力，使燃油消耗率与同级别直升机相比减少30%，同时增加直升机的安全裕度，这类直升机尚处在概念研究阶段。另外，新能源发动机，如生物燃料、激光发动机等也将成为绿色直升机技术中不可或缺的成员。

3、智能化技术

材料智能化

智能材料结构通过微型传感器、微处理器、光纤和压电材料等植入复合材料中，使直升机旋翼或结构依照飞行员的指令或根据局部的空气动力特性自动作出响应，调剂形状，从而提高性能和品质。目前，这类研究主要集中于旋翼系统，其核心是对桨叶展向改变和弦向弯度进行调剂，以实现悬停与平飞性能的同步提升。主要作法包括：采取形状记忆合金驱动的桨叶后缘襟翼，在直升机旋翼大梁中引入形状记忆合金驱动装置和在旋翼桨叶上铺设智能材料纤维等。4年，由波音牵头的一个研究小组对MD直升机进行改装，在桨叶上安装了由智能材料驱动的主动后缘舵面补偿片，并展开了台架实验，结果表

明振动值下降了80％。

人机界面智能化

人机界面智能化技术的发展依托于信息化技术的发展，包括微电子技术、计算机技术和络技术的发展。采取这些技术可以通过过剩度数字式总线交联实现火-飞-发控制系统的数据同享；采取多功能集成显示技术，简化座舱布局和仪表板布置，使驾驶舱朝着智能化方向发展，下降飞行员工作负荷，改良飞行品质等。早在20世纪末，贝尔直升机公司就提出了一项适应未来战场运用需求的“超级座舱”研究计划，目前，具有部份智能化功能的“超级座舱”已应用于AH-1W等改型中。可以预感，随着更先进信息技术的运用，下一代直升机的驾驶舱智能化程度将大大提高。

飞行控制光传化

飞行控制光传化，顾名思义是指采用光传技术实现飞行控制，一方面可通过取消机械控制机构减轻系统重量，另一方面可通过控制律设计、系统重构等技术的运用减轻驾驶员工作负荷，乃至实现无忧操作和自动驾驶。随着直升机机载电子设备数量与复杂度的增加，电缆用量和线路布局越发复杂化，线路干扰从一定程度上制约了使电传操纵系统的正常工作。解决这1问题的根本办法就是采用光传操纵系统。缘由在于光传操纵系统的传输介质为光纤，具有重量轻、体积小、抗电磁干扰、抗电磁脉冲辐射和防雷电能力强等特点，可大大改进直升机的稳定性和操纵性，并使自动驾驶仪系统具有更大的灵活性，充分发挥和应用直升机的全部性能，并能减轻飞行员的工作负荷。目前，美国和欧洲在光传操纵系统研究方面均取得了很大的突破。2年欧直公司1架装有光传操纵系统的EC-直升机实现首飞，标志着光传操纵系统研究工作取得了较大突破。

整机控制无人化

整机控制无人化的发展取决于远程控制技术的发展。随着视距、超视距控制技术的发展，不但增进了无人直升机的发展，更使直升机整机控制能够在有人和无人两种模式间进行自主切换成为可能。其最大的效益在于可通过在成熟的有人直升机平台加装相应的装备，实现整机控制无人化，大大下降研制本钱与风险。以美国黑鹰直升机为例，西科斯基公司于年宣布开发UH-60A无人驾驶版的计划，并开始了飞行员远程操纵的试飞。随后加大了自主飞行硬软件包Matrix的开发力度，以便为该机提供更好的自导向能力。年10月27日，1架自主飞行版“黑鹰”成功将一辆小型水陆两用全地形机器人车运送至位于佛罗里达州的空投区，通过了一项关于自主直升机飞行和与机器人协同的关键测试，期间共完成了包括进场、吊起车辆、沿航线飞行5~7km、将车辆运送至地面定点位置、投放等数个指令，这次测试是对“该技术和直升机与机器人车的协同合作”最为关键的一次验证。

结束语

虽然直升机具有可以悬停、机动灵活等诸多优点，但是其运用却始终掣肘于速度低、振动噪声大等缺点，因此要在未来的军、民用市场上保持旺盛的生命力，就必须以克服这些缺点为契机，从高速、绿色和智能化等3个方向展开技术研究，以期实现技术与能力的两重提升与奔腾。

下一代直升机及其设计技术发展直升机是以旋翼为主要升力和前进供力装置的航空器，由于它特有的低空低速高机动及高效悬停的特性，已在军事和民用领域得到广泛运用。近年来，由于在局部战争及自然灾害救济抢险中的出色表现和独特性能,直升机再度成为航空研究和发展的热门，再加上各种相干新技术的飞速发展，为多种具有垂直起降及悬停飞行特点的新概念直升机的研究、发展和变革提供了有利条件。下一代直升机在军用领域要求飞行速度更快、机动性能更好、生存能力更强、航电武器更先进，适应全天候卑劣环境作战；在民用领域要求全寿命周期本钱低、安全可靠、低噪声、低振动、低污染。

下一代直升机发展趋势及特点

1下一代直升机发展趋势

下一代直升机在各分项上的发展趋势主要有：（1）数字化综合设计/制造/实验一体化技术全面推行运用；（2）倾转旋翼技术日益成熟，市场前景广阔；（3）旋翼技术仍是直升机发展的主旋律；（4）复合材料大量运用，智能材料前景诱人；（5）航空电子向数字化、集成化、综合化、智能化方向发展；（6）飞行操纵系统从电传向光传操纵系统过渡；（7）减振降噪及安全性愈来愈遭到重视。

研发先进直升机已成为欧美直升机公司的共同方向，主要体现在两个方面。

（1）不断发展和运用新技术，提升现有直升机飞行性能和综合效能。

近期美国陆军提出的“先进攻击直升机”研究计划要求先进攻击直升机需具有以下典型技术特点：全天候作战能力、高机动贴地飞行能力、高生存性抗弹击能力、高性能大速度飞行能力、高生存性抗坠毁能力、高维修性与后勤保障能力等。为了满足这1需求，欧美等在已有单旋翼构型直升机技术基础上，重点发展了先进旋翼气动外形设计技术、先进无轴承桨毂设计技术、旋翼动力学稳定性主动控制技术、高带宽全权限飞行控制、直升机健康状态与使用监测等技术。

为了设计出高性能旋翼，目前国际上正在发展高效高精度的旋翼空气动力数值摹拟方法，以支持高性能、低噪声旋翼桨叶气动外形和特型桨尖设计技术。例如，美国AH-64阿帕奇攻击直升机进行改进升级时，除增强其航电和武器火控系统外，为了提高飞行性能，首轮设计改进就将旋翼矩形桨尖改成了后掠桨尖，使得旋翼气动性能得到明显提高。欧洲直升机公司研制的“虎”式直升机，为了提高机动性能采取了先进的无铰旋翼，操纵功效高，允许快速机动，在没有增稳系统的情况下仍具有良好的操纵性。无铰旋翼设计技术对基础理论研究提出了更高要求，欧美在旋翼气动弹性耦合及动力学稳定性研究方面，正在发展包括旋翼多体动力学气弹耦合稳定性建模分析方法，和旋翼/机体耦合动力稳定性的主动控制等方法，同时，加快了旋翼振动载荷辨认理论与运用研究，将该技术转化为直升机旋翼故障诊断与预测技术，目的在于提高直升机的安全性，减少使用维护费用，增加直升机的出勤率。

先进攻击直升机强调大机动，机动进程中姿态变化幅度大，桨叶气动载荷的非定常、非线性特性，旋翼尾迹的动态畸变效应，桨叶的弹性变形和发动机的动态特性等已成为不可疏忽的因素，因此美国目前正在发展包括非定常、非线性、可进行时间推动的旋翼自由尾迹的大机动飞行动力学模型，发展直升机机动飞行进程中的旋翼尾迹动力学分析方法，并与飞行控制技术紧密结合，不断提高攻击直升机的飞行品质，下降飞行员的飞行操纵负荷，从而使飞行员更多地