运输直升机造型影响因素及发展趋势研究

郭慧凌 徐江华

摘要：为解决以往运输直升机外观缺乏设计感、过于追随功能等问题，使运输直升机在造型设计中兼具技术性和美观性。文章通过对影响主流运输直升机造型发展因素及发展历程分析，从内部结构排布、功能和技术等角度对各阶段经典机型案例造型特点进行简要总结，同时对未来运输直升机的发展趋势加以展望。总结出运输直升机外观在不同发展阶段的演变规律。为研究现阶段运输直升机造型设计提供新的思路，希望可以对未来运输直升机造型设计研究与发展起到推动作用。

关键词：运输直升机造型设计外观发展造型影响因素趋势研究

中图分类号：TB47

文献标识码：A

文章编号：1003-0069（ 2021） 08-0123-03

Abstract： In order to solve the problems of lacking design sense and followingfunction too much in the appearance of transport helicopter in the past， the designof transport helicopter has both technical and aesthetic characteristics.Based onthe analysis of the factors influencing the development of the mainstream transporthelicopter modeling and the development process， this paper briefly summarizes themodeling characteristics of classic aircraft cases in each stage from the perspectiveof internal structure layout， function and technology， and looks forward to thedevelopment trend of future helicopters， The evolution law of transport helicopterappearance in different development stages was summarized.lt provides a new ideafor the research of transport helicopter modeling design at this stage， and hopes topromote the research and development of helicopter modeling design in the future.

Keywords： Transport helicopter

Modeling design Appearance developmentInfluencing factors of modeling Trend research

引言

直升機作为二十世纪的创造性设计，从早期的通用直升机逐渐发展出多种专用直升机，在航空各个领域里均发挥着不可替代的作用。随着科技的进步与作业难度的提高，专用型运输直升机凭借其不受地理环境限制、承载能力强、空中悬停作业等优势成为执行紧急求援、承载物资运输任务中的重要组成力量。然而，目前国产运输直升机机型单一，造型设计主要以借鉴现存产品为主，对于如何使产品造型满足用户期望的研究还相对不足，这也就成为了运输直升机造型进化设计必须要解决的迫切问题[1]。从运输直升机出现到发展至今，伴随着内部结构逐步完善、性能需求日益提升、材料技术更新换代等因素的影响，在机身造型设计方面也表现出较为显著的变化。目前，大多数学术研究主要关注于直升机的各项关键技术发展和性能提升，对于直升机外观造型的研究则少之又少[2]。本文以直升机造型特征为着眼点，紧密贴合外观演变与时代、技术、功能方面的联系，将运输直升机的演变历程按照内部结构排布划分为四个阶段，同时结合经典机型总结各阶段造型的设计特点。希望借助对于运输直升机造型设计的研究与分析，为直升机发展阶段划分提供新的方式并为未来运输直升机造型设计工作提供思路。

一、影响运输直升机造型设计的重要因素

在运输直升机的设计流程中，最终造型所呈现的美并不仅仅止步于表面意义上或硬朗或柔和的线条堆砌，更深层次的是基于气动外形、发动机性能、内部结构排布等多种技术层面因素的综合考虑。因此在进行运输直升机总体设计时，应将上述因素结合起来共同讨论，协调有序地进行，这既是视觉艺术性与技术合理性的结合，也是审美观念对于外形和功能诉求之间关系的解读和诠释[3]。

（一）运输直升机动力系统的要求

动力系统是直升机技术层面的核心内容。不同时期动力系统的发展对相应运输直升机造型也产生了不同程度的影响：在运输直升机出现的初期阶段以活塞发动机为主要驱动力，因此机身设计较为庞大且运输性能较差，而随着时代背景下包括发动机性能等技术水平的不断提升，带动运输直升机的内部布局结构也发生了巨大改变，由此带来的外形框架变化直接影响到最终造型的显著改变，如今运输直升机的造型设计更趋于灵活性和多样化，其运输性能也显著提升。因此在设计以运输为主要功能的直升机造型时，可以在以动力系统为主的内部结构布局方式确定前提下将货物存放问题放在首位，大致搭建出整机基本造型框架并对运输舱与整体机身的协调性、机身整体线条对于飞行性能等方面的影响进行细致考虑。

（二）运输直升机功能层面的需求

功能因素往往在直升机整体造型设计中起到决定性作用。以固定翼飞机与直升机为例，尽管二者都归于航空器的类别中，但在最终造型特征的呈现方面存在较大差异：前者机身的整体特征线条呈“细长”状，给人以“快速、灵活”的印象;而后者的整体造型与“蜻蜒”身躯极为相似，体量感较强且外部轮廓更为坚实圆润，给人以“强壮、威猛”的感觉。这种由机身线条所造成的视觉感知差异很大程度上源于二者功能需求方面的不同：由于前者动力系统可以提供更高的速度，因此在造型设计过程中要重点考虑空气动力学因素以减小在飞行过程中产生的阻力，在机身线条方面表现为更强的连贯性;而运输直升机的飞行速度与前者相比较低且侧重空中悬停、垂直起降等性能，对于运载能力更为重视，因此在造型设计上并没有“过分”强调流线特征而是表现为机身腹部较大、尾翼细长的造型。

此外，为保证产品外形与使用环境相互适应与协调，运输直升机的造型设计也随着作业环境的不同进行调整。以法国研制的SA321“超黄蜂”直升机和普通陆用直升机为例对比，前者考虑到在水上作业的适应能力将机身下部形状改为“船形”首，以便减小直升机在水中滑行时产生的阻力，部分机型在机身下部起落架部分增加浮力模块，而普通陆用直升机则很少考虑到这种外形的使用，在机身底部的造型设计中往往呈“平直线”轮廓，因此可以看出在不同环境下工作的运输直升机造型也不尽相同。

（三）运输直升机材料与工艺的影响

直升机内部结构排布及机身造型设计与材料和工艺密切相连，机体造型的完美表达只有依托细腻的工艺才可能实现，而不同的材料对于最终造型效果的顺利呈现发挥着至关重要的作用。在直升机设计初期，机身结构多数采用金属架构和简易蒙皮，由于无论是在材料的使用上还是加工工艺都十分简陋，这一时期直升机的外观呈现和运载性能都不尽如人意。期间随着材料技术和加工工艺不断提升，二十世纪九十年代，复合材料已经开始广泛应用于直升机机体结构中。运输直升机按用途可主要分为军用型和民用型两大类[4]，对于民用直升机而言不同材料的纹理、光泽、表面质感等特性都会带给人们不同的视觉感受，从而间接影响直升机的造型呈现。以我国民用AC313直升机为例，为了以更佳的视觉效果呈现在用户眼前，“无论是从设计理念上，还是从视觉效果上都有一些突破。表面上看主色是红蓝白三种颜色，仔细去数，机身是七种颜色。我们想通过这样一种设计理念，带给人民大众七彩的吉祥”[5]，AC313直升机总设计师徐朝梁在采访中说到。而军用直升机整体材质不同于民用，需要更好的隐蔽性能，更高的整体载重量，因此在整体造型和外部涂装上与民用直升机存在很大区别。

二、运输直升机造型设计的发展历程

通过对上述因素的分析可以得知运输直升机外观随着时代演变呈现出不同的表现形式。这一部分主要从造型的角度入手，将直升机发展历程划分为四个不同阶段，包括：发展初期阶段、性能提升阶段、稳步前进阶段、新构型思想涌现阶段。着重将不同时代背景下直升機的造型特征、内部结构、动力系统等因素与经典主流机型相结合讨论，详述在其性能、技术日益提升过程中对于造型设计方面所产生的影响。事实上，各国在发展运输直升机的过程中，为满足不同需求而设想出的机体造型丰富且种类繁多，但由于受到当时技术、资金等因素的限制，导致一部分运输直升机造型仅仅停留在计划阶段而无法实际应用，因此本文仅针对现有主流运输直升机机进行讨论。

（一）发展初期阶段：二十世纪三十年代至四十年代

受到当时技术等因素的限制，在运输直升机初期的设计过程中主要将重心放在旋翼飞行及垂直起降功能的实现上面，在用途方面则表现为具有运输、救护等性能的通用型直升机。这一阶段机身内部结构布局通常呈座舱一动力系统一尾桨系统的三段式排布：前部座舱部分外部造型表现为偏向于直线感的“箱型”，动力系统位于座舱后部，为主旋翼系统及机体后部的尾桨系统提供动力，从而使其不需要跑道起飞更好地完成垂直起降功能。以西科斯基在这一时期设计的直升机为例：在这一阶段发展前期，被称为现代直升机鼻祖的VS-300型直升机整个机身为全开放式“架状”结构，机体造型呈“梭状”在一定程度上沿袭了当时固定翼飞机的部分机身线条，因而可以看出座舱部分与直升机腹部动力系统部位连贯性较强，后部尾桨部分略微向上“翘起”，奠定了现代直升机最常用的尾桨布局方式，起落架为简单的后三点式金属架。而作为其改进型的R-4直升机将驾驶舱部位由起初只能乘坐一人的敞开空间调整为以有机玻璃为主体并可以并排乘坐两人的封闭式座舱，为驾驶员提供更良好的视野和更安全的工作环境。机体造型因此表现为以直线为主的硬朗感造型，略向后倾斜的“扁平状”机头部位可以减小直升机在工作时产生的机身阻力，也使前脸造型语言更加简洁。西科斯基在此阶段后期设计的XR-5直升机将座舱改为纵列式，使整体机头形状更尖锐与前期造型相比更具“轻便感”，有效减少在飞行过程中的阻力。但由于当时的直升机多采用小型活塞发动机且发动机后置于驾驶员座椅等原因对直升机的运输性能产生一定局限性，因此这一时期的直升机整体造型偏小型化，并不具备专业的运输性能。

（二）性能提升阶段：二十世纪四十年代到五十年代末期

这一时期的运输直升机整体造型设计无论是整体机身线条美观性还是内部结构排布合理性都得到了有效改善。人们开始意识到为增强直升机的运载能力就必须提升舱内空间的容量，因此开始对直升机内部结构进行重新排布：动力系统一驾驶舱（上）一运输舱（下）一尾桨系统。这种新型的排布方式在增大乘员舱空间的同时也增强了飞行员在驾驶单旋翼直升机时的稳定性，并使全机尺寸大幅增加。运输直升机的机体造型也随之变化：整体上部特征线一改原有趋于直线的硬朗造型转而呈现出幅度较大的曲线和转角，轮廓线条经驾驶舱前脸上扬至平直，凸显出直升机的动势和方向性。由于运输直升机在这一阶段仍然采用以活塞发动机为主的动力系统并在腹部增设运输舱，因此在机身造型轮廓线上表现的更加“圆润饱满”，给人以亲和力但略微笨重的感觉。二十世纪四十年代末期，由西科斯基公司研制的H19直升机是世界上第一种具有专业运输性能的直升机，发动机由原来的驾驶舱后部转移到机头部分整流罩内并将上一阶段“厢式”方形机头造型改进为略向下倾的“弹头式”外观，既保证在H9运输直升机执行任务的过程中机头部分不遮挡驾驶员视线，也可以大幅度减小直升机在飞行过程中产生的阻力;新增的运输舱位于机身腹部驾驶舱下方可以同时运输十名人员，配有滑动开合的蚌壳式前舱门，舱门每侧增加两个“方形”舷窗;诸如镁制的蒙皮和铸件等新材料的运用使H19直升机的机身重量大幅度减轻，便于运送更多物资。以上种种在造型和材料上的改进设计，不仅使直升机的美观程度较原来大幅度提升，也在很大程度上改善了直升机的风阻问题，使驾驶员更容易对直升机操作控制。然而尽管上述所提到的“运输舱在驾驶舱下部”的新型内部结构排布使人员运送货物更加方便，却也导致飞机驾驶员在上下飞机的过程中较为困难;此外，由于这一时期的直升机采用体积庞大的活塞式航空发动机，使得整体外观依然呈现出“固执且笨重”的视觉效果。如何对上述问题进行改进从而以一种更加简便的方式操作，成为当时人们所思考的问题。

（三）稳步前进阶段：二十世纪五十年代末至八十年代末

上世纪五十年代中期，具有更轻重量、更小体积的涡轮轴发动机开始代替初期的活塞发动机成为直升机的动力系统，随着这种涡轮轴发动机的应用以及对于直升机运输性能更加强烈的需求，设计人员开始对机体内部结构布局进行新的调整，将发动机由原来的机头位置改为机身上方，呈现出驾驶座舱一动力系统（上）一运输舱（下）一尾桨系统。这种结构布局的优点在于发动机位置不会妨碍座舱，无论是驾驶员出入驾驶舱还是直升机运输人员、物资等方面都更加方便，有效加强运输直升机机身布局合理性。此外，在第二代涡轮发动机产生后，直升机翼型不再借用固定翼飞机的翼型，而是采用为直升机专门研制的浆尖呈抛物线后掠式的二维曲线转变翼型[6]。与上一阶段相比，这一时期主流运输直升机整体呈现出精致灵活、性能强劲的造型语义，机身特征线条走势趋于简洁轻盈、流畅，这也使得运输直升机的造型设计朝着更贴合气动布局的方向发展。二十世纪五十年代中期研制的UH-I多用途直升机是第一种将涡轮轴作为动力系统的直升机，在机身主体造型的设计中，圆角状整流罩在收纳发动机的同时将凸出的动力系统与机身其他部位造型轮廓融合的更加顺畅。这一阶段大型重型运输直升机也开始涌现，其中造型最奇特的就是由美国研制的CH-47“支奴干”中型运输直升机，采用纵列双旋翼结构，运输能力非常强，可以在水面起降，但这种纵列布局的直升机品种并不多见：整体外观成“方盒子”形状为存储货物腾出更多空间，尽管外形线条以圆角、曲线为主，仍然传达出较为硬朗坚实的设计语义;机身上部设计采用前后分布的“可折叠式”双旋翼排布;而在起落架的造型设计上，出于起飞和着陆过程中平衡性和稳定性等因素的考虑，选用性能更好的四轮式起落架与接近方形的机身结构搭配，凸显出整体造型的协调和稳定。

（四）新构型思想涌现阶段：二十世纪九十年代初至今

这一阶段的运输直升机在注重运输性能提升的同时也一直将设计的方向着眼于速度的提升，以弥补常规直升机速度慢、航程短的缺陷。自二十世纪六十年代开始，传统直升机的最大飞行速度一直难以逾越340千米/小时的极限，直到八十年代末期由美国贝尔公司研制出的V-22“鱼鹰”倾转旋翼机才将这个兼顾速度和运输性能的僵局打破，作为目前全球唯一现役的倾转旋翼机为运输直升机步入高速阶段提供了新的思想。V-22倾转旋翼机为有效提高飞行速度在机体造型和旋翼排布等方面都采用全新形式：首先，为减小运输直升机在高速飞行时的空气阻力，在机身造型设计上向强调流线感的机身线条方向发展;在进行整体机身造型方案设计时基于空气动力学考虑将“鱼形”机身与机翼、尾翼结合，共同发挥各自优势以更好提升直升机的速度性能。至此，关于提升直升机速度的更多构想出现在大众视野：由西科斯基公司设计的X2直升机是一款复合式高速直升机，机身部分与上一阶段的直升机相比表现为特征线条的突变性，尽管仍然沿用以往直升机旋翼的结构特点但整体造型却呈现出与固定翼飞机类似的强调速度感的造型语义：机头部分整流罩与驾驶室的过渡更加顺畅自然，侧面轮廓线和窗线也逐渐符合空气动力学的要求。此外，由欧洲直升机公司研制的X3直升机则侧重采用旋翼、机翼转换式的技术途径实现速度上的突破，在机身部分的设计中沿袭以往直升机通用语言：机头整流罩部分呈扁圆形且与机身驾驶室部分过渡自然，但机头设计偏“更尖锐”的细长状给人一种“快速、威猛”的感觉，在机体轮廓线表现出极强的流畅性，但在动力系统整流罩下部增加带桨的扁平机翼;类似的设想还有很多，尽管上述这些技术在目前并没有实际应用到运输直升机的设计中，但随着时代与技术的不断发展，新型性能强大的直升机必然会出现。

三、未来运输直升机造型发展趋势分析

通过对于上述影响运输直升机造型主要因素及发展历程的分析，笔者认为未来直升机在注重运输性能、提升速度的同时，其造型发展相对于现今的直升机而言会更多地考虑到美观性的融入，特别是在民用运输直升机的造型敲定上将会更多地考虑到“工业设计”的重要作用;此外，随着5G时代的来临，运输直升机造型无疑会朝着更具科技感的方向发展。

（一）工业设计的融入

从七十年代初期民用飞机出现到发展至今在涂装设计和内饰设计方面都有很大进步，而仔细观察现今出现在人们生活中的产品，小到调料罐、牙签筒大到出行所乘坐的汽车、高铁等在造型设计上都下了很大功夫，因此无论是在强调速度和运输性能提升的当下还是直升机技术趋于成熟的未来，在对整体机身进行造型设计时都应在保证基本飞行性能及空气动力学要求的基础上重视使用者的用户体验。以用户为中心并从感性工学的角度出发，将直升机造型设计得更加多样化、个性化，在遵循基本功能排布内部结构时将“设计学”更好地融入其中，使直升机的“造型美、功能美、技术美”三者更加紧密地相互协调，设计出更美观实用的直升机构型。

（二）速度性能的提升

其次，速度的提升也会对未来直升机造型产生影响，根据上述第四个阶段的分析这一时期的运输直升机开始向高速发展，在未来的主流直升机造型设计过程中，随着对于速度要求的不断增强，势必会呈现出强调流线感的减阻设计。因此在未来身造型设计中或许会再次打破现有直升机固有的内部结构布局，但仍保留现有流线型线条并在此基础上向流畅度更高的线条过渡，呈现更细长的鱼形造型，在机身前脸的设计中会日益突显运动性的造型语义。尽管这一时期直升机的总体发展趋势是向更高的速度发展，然而多数直升机型号仍然处于研制和试验阶段具有较低的安全性能，因此在未来的直升机造型设计中必须要重视这一问题。未来的直升机或许可以通过“多轴化”的旋翼分布来提升安全性能，而造型也势必会随着布局的改变相应优化以减少不必要的机身零件以增强机身整体感。

（三）智能化、科技感的追求

最后，未来直升机的造型也必然会朝着智能化、科技感的方向前进，尽管目前技术并不成熟但仍然是未来的重要发展方向。如今5G时代已经来临，在未来直升机设计中无人直升机将逐渐受到重视，其未来发展方向將是：“作战任务扩展”，“小型化、智能化和隐身”，“高科技任务设备”，“数字化、网络化”，“远程、战略性”等[7]。在整体机身造型设计方面，也会随着驾驶舱的消失腾出更大的空间用以进行运送物资、侦察地形、战斗防御等任务，因此机身外形在符合空气动力学角度的前提下应随着内部结构作出改变，从而呈现出更加多元化的造型设计方案。

结论

直升机发展至今已经有近一百年的历史，从运输直升机在发展初期对于性能和技术的重视程度较高而在造型方面表现出较为单一的、偏直线化的机身造型的探索起步阶段。直至现在，针对不同用途和工作环境等设计出外观丰富、种类繁多的直升机样式.足以说明直升机造型设计正日益受到重视并成为整个直升机设计过程中的重要组成部分。本文将运输直升机机身造型设计作为主要研究对象，在对运输直升机外形总体概括的同时也对影响运输直升机造型演变的主要因素进行细致分析，并以此为基础总结出运输直升机在不同阶段发展历程中出现的造型变化。尽管我们无法详细预测未来直升机发展的具体造型外观、结构布局，但值得肯定的是人们对于未来直升机造型的方面会以更成熟、更美观的方式考虑并会在遵循功能的基础上逐步重视直升机外观方面的设计。

基金项目：2020年度上海艺术科学规划项目一般项目“民用大飞机舱室空间及客舱设施设计方法创新研究”（YB2020F02）。

参考文献

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