军用直升机期待速度新突破

林一平

现代军用直升机有着其他许多飞行器所不具备的垂直起降、空中悬停、全向机动等诸多优势，如何在确保其基本性能的基础上进一步提高飞行速度，是设计师们正在研究的主要课题，也是困扰全球航空界许多年的难题。近年来，由于几种附加推力型直升机的出现，几种倾转旋翼机的相继投入使用，旋翼锁启型试验机的试飞成功，以及高速圆盘旋翼机设计方案的推出，使航空界又看到了前进的希望和光明。

直升机亟待大提速

在时间就是生命，时间就是效率，时间就是胜利的今天，全球航空器在速度上的竞争也愈演愈烈。现代军用直升机尽管具有诸多优势，但飞行速度始终落后于固定翼飞机，航程一般超不过500千米，最高速度也只有每小时350千米左右(表1)。其中，直升机旋翼是限制其速度提高的一大障碍，它赋予了直升机垂直升力，而弱化了它的水平速度，从结构上限制了直升机速度的提升。在过去几十年间飞行速度始终徘徊不前的军用直升机，也确实面临着相当的压力，亟待进行大提速。

正在酝酿中的提速行动将使军用直升机设计迎来一场新的革命。新一代高速军用直升机需在空气动力总体布局，旋翼结构、机体结构、新材料和新工艺应用，动力装置配置、航电系统更新等方面有大动作，进行大手术。

直升机与飞机不同，它是由发动机驱动旋翼作为主要升力来源，旋翼受自动倾斜器操纵又可产生向前、向后、向左或向右的水平分力，直升机的前飞主要靠自动倾斜器操纵旋翼前倾进行。不论单旋翼带尾桨式直升机，还是双旋翼共轴式直升机、双旋翼纵列式直升机、双旋翼横列式直升机都是如此。而且，直升机前飞时旋翼所产生的拉力始终小于旋翼产生的总拉力，动力不足决定了其水平提速的艰难。另外，直升机在悬停状态全部能量消耗于向下加速空气，产生升力支持重力。在前飞时仍有相当多的能量直接消耗于产生升力，所以它的飞行效率低于飞机，载重量和飞行速度也远远不如飞机，加之受气动、动力学、疲劳特性、声学诸方面的限制与拖累，严重影响了军用直升机性能的提高。

现代新概念军用直升机设计

现代新概念军用直升机设计的目标，要求新一代机型打破每小时500千米的速度障碍，航程也能达到1500千米，目前可行的新概念直升机设计主要有附加推力型和交叉组合型两大类，另外也有其他一些热议中的新技术。

附加推力型

其设计思想是在保留现役直升机旋翼、机身、起落架等基础部件和系统的同时，通过去除尾桨及其传动装置，附加水平推力装置和操控系统，增加直升机前飞时的水平拉力或推力来提高飞行速度，提升原有性能。当前，世界主要的直升机制造公司都在从事高速直升机研究，俄罗斯和美国更是大力投入研制和试验，并取得了一些成果。俄目前正在着手研制三种型号的新一代高速直升机，分别是“米－×1”、“卡－90”和“卡－92”。

俄卡莫夫直升机公司是世界上最早将共轴直升机用于实战并大批生产的公司，具有丰富的经验。在当前高速直升机”卡-92”研发中，该公司仍然采用双重共轴式旋翼，为上下四桨叶反转型；所不同的是上下层双重共轴式旋翼的间距由于刚性连接而大为缩短，避免了直升机柔性旋翼在高速飞行时桨叶挥舞过大而导致上下桨叶相碰造成的损失。同时，这种旋翼形式能尽量利用前行桨盘一侧的桨叶提供升力，消除旋翼后行桨叶的失速现象，提高旋翼的升阻比，改善直升机的高速性能。该机的双尾翼能提供方向稳定与操纵，其区别传统直升机之处则是在尾部增加7--具双重共轴式螺旋桨，为前后三桨叶反转型，专门提供水平推进力，以此提高直升机的飞行速度。该机最高速度可达450千米，小时，航程接近1500千米。“卡－92”可搭载多达30名乘客，整个研制工作有望在最近几年内完成，并在5年内实现量产。

莫斯科米里直升机股份公司正在着手未来高速直升机“米－X1”的研究。该型直升机可用于货物运输和旅客运输。“米X1”直升机沿袭单旋翼布局，为五桨叶型；取消了抗扭尾桨；保留了垂直尾翼，提供方向稳定与操纵；其独特之处是在机尾加装了一具矢量推力涵道推进器，专门提供水平推进力，以此提高直升机的飞行速度。其最高速度可达450千米／小时，航程接近1500千米。

另外，“卡·90”直升机甚至将配备喷气发动机，专门提供水平推进力，使之最高速度可达800千米／小时，远非传统直升机所能企及。而且，俄直升机制造企业还向俄军方提出了研制时速高达900千米的超高速直升机的建议。

美国曾经通过“快速鹰”(SPEEDHAWK)的X-49A技术验证机来做试验。该机由已经广泛使用的S-70直升机经过加装机翼来增加升力，提高巡航性能；拆除机尾尾桨，安装了一具矢量推力涵道推进器，以显著提高直升机的飞行速度。经过试飞，该直升机的速度由目前的200多千米，小时提高到360千米，小时，一下子就提高了1.8倍。既验证了常规直升机应用附加推力原理提速的正确性，又证明了对现役机型改进方案的可行性。在此基础上，美国西科斯基公司最近宣布开始研制新一代的超高速直升机Sikorsky X2，目前正加紧对原型机的性能测试。_

这种新型高速直升机为串列双座驾驶舱，后三点起落架。采用双重共轴式旋翼，为上下四桨叶反转型；设置下反式三尾翼，提供方向稳定与操纵，中间那个垂直尾翼还兼有护尾，护桨叶功能；在机尾增加一具六桨叶螺旋桨，专门提供水平推进力，以此提高直升机的飞行速度。其最高速度可超过400千米，小时，达450千米／小时，远远超过传统直升机的最大速度250千米／小时。与此同时，新型直升机将仍旧保持现有直升机所有主要的技术性能，如空中悬停、高速机动和垂直起降。

X2验证机由小型直升机发动机公司(LHTEC)的T800涡轮轴发动机驱动，这款发动机原本是为已被取消了的西科斯基，波音RAH-66“科曼奇”直升机而设计开发的。西科斯基飞机公司宣布，x2是上世纪70年代XH－59A先进旋翼概念的现代版，其显著特点是采用被命名为XH－59的电传操作系统来应对较高的振动水平。如果X2飞行测试成功，西科斯基飞机公司将宣布开发一个基于共轴驱动和模块化设计的民用和军用直升机家族。按照研制计划，X2新型直升机的首架原型机已经制造完毕，并开始一系列试飞。此前原型机出厂后已经进行了30分钟的首次飞行，后继相关的零部件生产也在有条不紊的进行中。

交叉组合型

其设计思想是通过直升机与其他航空器技术的交叉与结合，达到优势互补，扬长避短，提高飞行速度，提升原有性能的目的。例如，使直升机与旋翼机交叉结合，使直升机与普通飞机交叉结合，使直升机与飞艇交叉结合等。当前，已经取得成功并投入使用的倾转旋翼飞机就是直升机与固定翼飞机交叉结合的成果。有关的设计具

体涉及机翼，旋翼，动力舱，转动机构，操纵系统等部分。分别属于可倾转翼型，动力舱倾转型、仰角倾转型。

可倾转翼式

即机翼为飞机的主动倾转部件，发动机、旋翼伴其随动，而其他部件(机身，尾翼等)保持不动。美国希勒飞机公司的X-18是美国研制的第一种可倾转翼飞机，它的机体是在“蔡斯”YC-122C运输机的基础上改进而来的，机翼可以整体倾转90°，以满足飞机垂直起降和巡航时的不同要求。其机翼上所安装的两台“艾立森”T40－A－14涡轮螺旋桨发动机来自XFY-1／XFV-1立式起降飞机，螺旋桨为双重反转式，具有良好的抗扭性能、较高的拉进效率。X-18可倾转翼飞机的机长19.20米，机高7.49米，翼展14.63米。

动力倾转式

即动力舱为飞机的主动倾转部件，旋翼伴其随动，而其他部件(机身、机翼、尾翼等)保持不动。V-22“鱼鹰”就是这种机型的典型代表。它是在XV-15的基础上研制的倾斜旋翼机。贝尔公司主要负责研究机翼、发动机短舱，螺桨－旋翼装置和传动系统及发动机一体化。波音公司负责机体，尾翼、起落架，综合电子设备等。

V-22飞机长19.09米，翼展15.52米，旋翼直径11.58米，机高6.63米，空重14800千克，垂直起降时最大起飞重量21545千克，短距起飞时最大起飞重量24500千克。V-22飞机是第一架机体结构几乎全部采用复合材料的飞机，机翼除铝制前缘外，均采用复合材料，全机结构中仅用454千克的金属件，而且大多数金属紧固件装配于飞机外部表面，易于检修。v－22飞机装备2台艾利逊公司的T-406－AD-400涡轮轴发动机(2×6150轴马力)。左，右两部传动装置，通过机翼中的协调轴交联。它能在飞机单台发动机发生故障时，保持全机的拉力平衡，并能使两副旋翼继续倾转。传动装置的功率吸收能力为9540轴马力。V-22最大速度500—550千米／小时，是一般直升机的2倍；巡航速度(9000米高度)460千米／小时；航程2590千米。在150米高度的冲刺速度510～556千米／小时；有效载荷为4500千克。在气温30℃，机外悬挂重量为3760千克时，无地效悬停高度为900米。就其飞行速度和航程来说，V-22远远超过了CH－46直升机，与某些军用运输机相比，V-22也占有优势。V-22及其改进型均备有空中加油系统，以增加航程。另外，采用动力舱倾转原理设计的旋翼机还有“贝尔301”，“贝尔一波音609”等民用型号。

仰角倾转式

即机翼为旋翼机的主动倾转部件，通过改变迎角完成倾转，动力舱、旋翼伴其随动，而其他部件(机身、尾翼等)则保持不动。贝尔直升机公司目前正在研究一种具有混合倾转旋翼和倾转机翼功能的飞机，试图成为替代AH－亿和UH－1Y通用直升机的“联合多用途”旋翼机的候选机。

这种被称为“混合串座旋翼”(HTR)机的概念机型，在垂直起降时，它的机翼可以向上倾转15°，而旋冀则保持水平状态，像直升机一样旋转；当前飞时，它的机翼即转回到水平状态，而旋翼则处于前倾状态，并以比垂直起飞时更高的转速运转，一方面和机翼共同提供升力，另一方面提供前飞的动力。HTR的平飞速度约为380千米，小时，比普通直升机快，但却比固定翼飞机慢。

由于旋翼的发动机短舱随机翼而动，而自身并不需要倾转，故旋翼的直径可比倾转旋翼大，从而能改善该机的低速和悬停性能。有关的迎角举升装置在早期的F-8舰载机上就已经实现，可供借鉴。HTR旋翼机设计方案的提出旨在降低V-22结构的复杂程度，确保飞行安全，简化维护。它的结构复杂度和飞行性能介于直升机和倾转旋翼机之间，实际上填补了该技术领域中某种机型的空白。

其他广受关注的新技术

当前，锁启旋翼式和圆盘旋翼式作为已研究和试验多年、有望提高直升机速度和性能的有效举措正在受到航空界的关注和热议。

锁启旋翼式波音公司研制的X-50A“蜻蜒”是一种巧妙地采用三翼面总体布局的垂直起降试验无人机。它以机身为主体，机首设置了鸭式前翼，机尾设置了水平尾翼，水平尾翼外端对称安装了2片垂直尾翼，旋翼则布置在机身顶部中央，且旋转工作面略高于前后翼面，并被前后翼面所包容。这样的好处是一方面保护了旋翼，另一方面很好地控制了重心位移；能满足其安定性和稳定性的要求，又能达到理想的操纵性，对垂直起降尤其有利。

x－50A“蜻蜒”无人垂直起降试验机具有紧凑的几何尺寸和较轻的起飞重量。机长5.39米，机高1.98米，顶部旋翼直径3.66米，机首前翼展为2.71米，起飞重量为662千克。X-50A使用了“前翼，旋翼”控制技术(CRW)，起飞时就象普通直升飞机一样使用顶部旋翼，依靠动升力垂直升空。当离地达到一定高度后，逐渐由垂直悬停状态转入水平飞行状态，续而加速，像常规飞机那样飞行。而此时，顶部旋翼已经被锁定，变成了固定翼飞机的机冀，整机成为地地道道的三翼面飞机。而三翼面飞机的最大特点是能提供比其他总体布局更大的重心移动位置，这对于确保过度飞行时的纵向稳定性和操纵性非常重要。当该机执行完任务后需要返航降落时，可一边降低高度和速度，一边将机顶的旋翼锁打开，然后驱动旋翼运转，恢复提供动升力，使飞机逐渐由水平飞行状态转入垂直悬停状态。然后在离地一定高度悬停，状态稳定后再像直升机那样垂直降落。

2003年12月3日，X－50A无人试验机在研究人员的遥控下进行了首次悬停飞行试验，在空中停留了80余秒，并上升到距离地面3.6米的空中，检验了它的垂直起降性能。按照设计要求，该机在作高速巡航时，最大速度可达700千米／小时，几乎是现役最快直升机速度的2倍，但由于控制系统的问题，在2004年和2006年该机型两架验证机先后坠毁，研究被迫停止。

圆盘旋翼式

其旋翼作为直升机的关键部件，首先具有机翼的功能，能产生向上的升力。其次还具有类似于飞机推进装置的功能，产生向前的力。它还具有类似于飞机操纵面的功能，能够产生改变机体姿态的俯仰力矩或滚转力矩。通常，直升机的一副旋翼最少有两片桨叶，最多可达7片。旋翼直径最小约5米，最大达35米。按桨叶与桨毂连接方式的不同，旋翼大体上分为铰接式、无铰式，半无铰式和无轴承式4种。最近，DARPA将波音公司研制的“圆盘旋翼”直升机进－步演进为－种融合圆盘旋翼－机翼－推进装置三位一体的“高速圆盘旋翼”(High—Speed DiscRotor)飞行器。这种复合飞行器的飞行速度可以达到650千米／小时，不仅可以高速飞到目标区，而且能在空中悬停，非常适合执行搜索、运输和救援任务。

DARPA一直在推进融合旋翼一机翼一推进装置三位一体复合式飞行器的发展，

早期的计划包括旋翼可以在飞行中锁停的“x－机翼”计划，但由于旋翼控制系统过于复杂，项目在1988年准备飞行试验前被取消。从2008年开始，DARPA斥资300万美元支持波音公司研制一种”圆盘旋翼”直升机(DiscRotor)。这种直升机有一个碟形的旋转圆盘，飞机在起飞、悬停和着陆时，桨叶可以从圆盘伸出，与普通直升机无异。但在速度达到500千米，时的快速飞行时，桨叶就被收回到圆盘内：而圆盘则继续旋转，酷似一个旋转的圆形机翼，产生动升力，实现在悬停、快速飞行和垂直起降各种飞行模式之间的无缝过渡。

现在，DANPA和波音公司决定将“圆盘旋翼”直升机进一步推进为融合圆盘旋翼－机翼－推进装置的“高速圆盘旋翼”飞机计划。与“圆盘旋翼”直升机的圆盘一直保持旋转不同，“高速圆盘旋翼”飞机在桨叶收回圆盘后，圆盘也将完全停止转动，成为一个被锁住的圆盘机翼，它与固定机翼共同提供升力，将飞机演变成一个完全由涵道风扇发动机推进的固定翼飞机。

“高速圆盘旋翼机”的最大技术特色是垂直起降与水平推进的职能分工明确，前者交由圆盘旋冀完成，而后者则交由翼吊双发完成。另外一个技术特色是旋翼收入圆盘内并锁定后，整机就变成了一架固定翼飞机，即以机身为主体，圆盘翼在前上方，机翼在后方。由于不存在尾翼，也没有尾翼的干扰，作为运输机使用，开畅性佳，人员、物资和机械，装备与飞机的接近性更好，车辆可以直接进出货舱，装卸作业非常方便，工作效率也能提高。同时，这种飞机具有气动力优势，能够在飞行中获得更大的升力。

“高速圆盘旋翼机”在水平姿态就可以直接进行旋翼模式和固定翼模式之间的转换。它在飞行中前飞的推力主要来自装在机翼吊挂下的涵道风扇发动机，并通过左右发动机提供不同的推力产生反扭矩，控制飞机起飞和着陆时圆盘旋翼产生的扭矩，代替常规直升机的尾桨和常规固定翼飞机的尾翼，从而减少了结构重量，但所采用的旋翼交叉轴传动系统却会增加一些重量。”高速圆盘旋翼机—面临的一个挑战是，需要配备一种能在飞行中对桨叶进行精确伸缩控制的机械系统，因为桨叶在伸缩过程中哪怕出现几毫米的误差都会引起不平衡的力和力矩，所以有必要采用主动桨叶控制系统管理等先进技术。

结语

兵贵神速，这对现代军用直升机的快速化和高速化照样适用，只有这样，才能适应现代战场要求。从表2所列出的几种正在酝酿速度新突破的军用直升机中，可看出美国和俄罗斯均对双重旋翼附加推力型直升机很感兴趣，不仅有全新开发的机型，而且也有用现役机型改装的，技术上就事论事，讲究缺速度就补速度，属于实用类设计，并不复杂，也容易实现快速性，所不同的是俄罗斯开发的机型较多。美国同时也热衷于交叉组合型快速军用直升机的研究，其中最成功的要数V-22动力倾转式旋翼机，已经定型投产并开始服役。

总之，现代军用直升机正酝酿着速度的新突破，限制其速度提高的瓶颈在于陈旧的总体设计，旋翼模式及结构系统。很显然，光靠传统的直升机模式，设计思想和设计方法已经很难实现速度上的新突破了。