适用于极区环境的直升机研制关键技术与未来发展

艾剑波 徐 璐 杨艳歌 王俊敬 张昕宇 雷咏春

（中国直升机设计研究所 景德镇 333001）

0 引言

当前，极地已成为全球治理的新焦点、资源开发的新产地，具有重大经济和科技价值[1]：一是北极航道连通两洋（大西洋和太平洋），相较传统海上运输航线的航程缩短40%以上，可构建起新的海上运输通道，打通“冰上丝绸之路”[2]；二是通过参与制定南极治理规则，可在全球海洋开发等新机制议题设置中占据主动地位[3]；三是两极地区蕴藏的自然资源十分丰厚，北极地区煤炭储量约占全球的1/4，南极地区可燃冰、铁矿等矿产资源储量位居世界第一，为国家未来能源的可持续发展和资源利用提供巨大潜力；四是极地特殊的地理位置，是开展科研活动的理想试验场，利用极地环境可进一步加强对全球气候变化、地质和生物等领域探索，为我国认识极地、经略极地提供坚实科技基础[4]。

中国正逐步开展对极区的科考工作，目前使用直升机主要用于极区的货物和人员运输等任务。相比于国内，直升机在极区使用时需重点关注复杂地理气象、极端低温和外部保障条件差等极区环境，以及与之相适应的关键技术。

1 南北极环境特点

北极地区是指北纬66°33′67″以北的广大区域,地理纬度较高，包括极区北冰洋、边缘陆地海岸带及岛屿、北极苔原和最外侧的泰加林带。北极地区气温低，冬季平均气温介于-40～ -20 ℃，夏季平均气温为-8 ℃，在北冰洋极点附近漂流站测到的最低气温是-59 ℃。北极近海陆地区域雨水较多，降水量最高可达2 500 mm（主要集中在夏季），且降水量随全球变暖正逐年增加。

南极地区主要指南极洲，是地球上最寒冷的大陆。气温比北极地区更低，目前实测最低温度为-88.3 ℃。南极地区风速大，从高到低、从内陆高原到沿海边缘区逐步增大，在中山站、长城站等边缘区有强大的下降风，长城站年平均风速超过 10 m/s的大风天数约200 d。南极大陆内陆地区的降水都是以固体形式（通常以冰晶或雪的形式）出现且积雪较多。直升机起降时，旋翼下洗流会造成扬雪现象，同时由于积雪会覆盖地标形貌，因此肉眼无法准确判断积雪下的野外起降地形。

南北极均存在极夜、极昼现象，且气温很低，不适宜人类生存，因此直升机在极区环境使用时的外部保障条件较差[5]。

2 国内外直升机在极区环境使用情况

2.1 国内外直升机的极地环境适应性情况

经调研，目前国外已在极地服役或者正在为极地任务而研制的直升机有米-8AMTSH-VA、卡 -32、海豚、米-28、阿帕奇、AS350B、贝尔412、米-26T2VA、卡-29、CH-101、MCH-101和AS355等型号。

国外的极地直升机具备较为优异的极地适应能力，例如：米-8AMTSH-VA直升机为北极环境专门研制，能在低温、极夜、无参考地形、无线电信号微弱和距离基地遥远等条件下工作，使用温度低达-60 ℃；米-28的发动机能在-40 ℃环境下直接启动，直升机能在-55 ℃环境下正常飞行。国外直升机极地环境适应能力通过各项关键技术的应用实现，如：通过装配辅助动力设备，在地面工作时能保证机载设备起飞前的准备以及煤油加热器、传动系统、动力装置减速器预热系统、机载餐食加热设备和烧水器等设备的工作；装载舱通过标准隔热系统与附加隔热系统设备的结合以及保温窗帘的安装，降低热量损失；通过配备专门的保护罩，用于防雪和防风，并且在起飞准备时提高组件预热效率；通过配备新型飞行和导航设备，改进直升机操纵的数字式自动驾驶仪、定位的卫星定位系统和搜索遇险人员的无线电定向仪等；通过装备双套卫星系统、内置地图生成器和捷联惯导系统，以便在卫星信号消失时确定直升机的坐标；通过配备机载无线电台，以便在低能见度条件下监测其他飞行器的位置。

国内可应用于极地环境的直升机主要有直-9、AC311、AC313等，其使用温度为-40℃，可以基本满足目前南北极夏季科考需求，但由于这些直升机极地环境适应能力较弱，在极地可实现的任务和功能还不全面，仍需通过设计改进以提升其极地适应性能和应用价值。国内外直升机的低温工作环境适应性能力对比如下页表1所示。

表1 国内外直升机低温工作环境适应性对比

2.2 国内外直升机极地使用经验

俄罗斯的直升机在极地有一年四季的使用经验。米-8AMTSH-VA极地直升机为北极战略价值获取提供支撑；卡-29直升机用于为偏远地区运输必要物资、运送人员及在极地执行巡逻任务；卡-32直升机用于执行搜索救援、运输、设备安装中的吊车作业、巡逻执勤等任务，此外还用于进行冰上侦察，维护海上钻井平台，实施船舶卸货等；米-26T2V北极版用于在北极地区执行运输任务；卡-29在北极服役于军事基地，用于巡逻、军事演习等活动，并运送人员货物；AS350B和贝尔412支持80 km范围内的科学调查和侦察着陆；AS355在南极与破冰船配合使用，完成多项任务。

国内的直升机在极地的使用经验主要局限于南北极夏季科考，直-9直升机主要用于人员运输和小型货物运输；进口的卡-32直升机主要用于大型货物运输；进口的海豚直升机主要用于冰情、水道探查、人员运送、新站选址、科考和应急保障等任务；无人直升机主要用于气候探测等工作。

3 直升机在极区环境使用场景及能力需求

根据极地开展科学考察的主要任务需求，直升机在极地环境可搭载在水面舰船上，配合科考人员完成空中运输保障、科考探测空中支援和空中搜索救援等任务活动。

3.1 典型使用场景及能力需求

3.1.1 极地科考空中运输保障

直升机随极地科考船执行极地科考空中运输保障任务。直升机从科考船起飞，将船上的科考人员和物资运输到沿岸的科考站点（如图1所示）。沿岸风速较大，该场景需直升机具备较强的抗风能力和运输能力；此外，恶劣的结冰环境也要求直升机需具备高精度结冰探测能力和较强的防冰防雨能力。

图1 直升机空中运输场景示意

3.1.2 极地科考探测空中支援

直升机从中山站起飞，经泰山站燃油补给后飞抵昆仑站，随后以昆仑站为补给保障据点，在其周边200 km范围内搭载科研人员及科学探测设备，进行若干次空中科考飞行，收集传感器探测数据或进行冰块、岩石和大气等科研采样（如下页图2所示）。昆仑站所处地区气温低，直升机需具备较强的低温工作能力和加温保温能力；野外起降时雪下地形地貌难以识别且不可控，需具备特殊地域起降能力；野外起降时会造成扬雪环境，需具备适应扬雪环境的雷达光电探测技术；昆仑站周边是大范围的无人区，且远离科考船上千公里，因此直升机还需具备较强的自主保障能力。

图2 直升机科考探测空中支援场景示意

3.1.3 极地空中搜索救援

直升机对极地被困船只进行搜索定位，对被困船只上的人员开展营救作业（如图3所示）。由于被困舰船上可能不具备直升机起降条件，需要采取海冰起降的方式转移被困人员，因此直升机需具备冰地起降能力。

图3 直升机空中搜索救援场景示意

4 适用于极区环境的直升机研制关键技术

根据我国直升机在极区环境的使用场景和能力需求，通过分析极区各种复杂极端地理气象环境并适当参考国外极地直升机的环境适应性特点，结合国内直升机技术发展水平和极地适应能力短板，本文提出直升机极地总体技术、直升机极地复杂地理气象环境适应性技术、直升机极地复杂环境下自给保障与防护救生技术等技术领域的关键技术。

4.1 直升机极地总体技术

根据国内外直升机在极区的运输和野外作业等能力需求，以及欧美先进航空企业对直升机平台总体能力的设计手段，针对直升机随极地科考船执行极地科考空中运输保障任务需求，需开展直升机动力与传动系统功率提升技术、直升机平台运载能力与重量效益提升技术、直升机平台抗风能力提升技术等关键技术研究，提升直升机平台运输效能与抗风能力等总体能力。

4.2 直升机极地复杂地理气象环境适应技术

4.2.1 适用于极区环境的综合导航技术

针对直升机在昆仑站、北极点等高纬度区域的任务需求，为使直升机能适应高纬度区域的地理环境，需发展极地综合导航技术，解决惯性导航系统在极地使用时受到因极地重力和地球自转逐渐重合而导致罗经效应逐渐减弱对惯导对准的影响，以及极地地区受冰雪变化造成的重力场剧烈变化对导航精度的影响，使导航系统能在极区环境达到与中低纬度地区相当的对准能力和导航精度。

4.2.2 极地冰雪等特殊地域起降技术

针对直升机在内陆环境科考探测的空中支援任务需求，需开展直升机雪地冰面带雪橇式防滑装置的起落架技术研究，突破传统直升机无法在极地特殊地域起降或起降困难的难题，提高直升机多地形多路况的起降适应能力；还需突破起落架雪地冰面运动非线性动力学关键技术，建立完备的地面动力学模型，通过起降机构参数敏感性分析，通过合适的防滑增稳装置设计，提升直升机在冰雪地面上起降过程的稳定性与安全性。

针对极地空中搜索救援需求，需开展机载探冰技术研究，通过识别海冰与海水的分界面，探测海冰的冰层厚度，提升直升机在海冰上起降的安全性。

4.2.3 极地复杂海洋环境下高精度结冰探测技术

针对直升机在沿海执行极地科考空中运输保障时面临的恶劣结冰环境，需开展高精度结冰探测技术研究，利用光学遮挡原理，实现直升机在极地海洋环境下的高精度结冰探测。

4.2.4 防冰防雨技术

针对直升机在沿海执行极地科考空中运输保障时面临的降雨环境，需研制一款可以协同优化疏水及光学性能的类金刚石疏水薄膜，研制一种可以协同优化疏水及光学性能的氟烷基硅氧烷类疏水剂，解决直升机在极区降雨环境中飞行时驾驶舱的视野能力受限的问题；针对结冰环境，需研制一种防除冰涂层，其无需提供额外能量，只需通过延迟结冰和降低冰层与涂层之间的结合力，同时凭借涂层稳定的表面性能来实现防除冰目的。

4.2.5 雷达光电探测技术

针对直升机在极地雪地中执行科考探测空中支援和搜索救援的任务需求，需开展极地雪天条件下光电与毫米波雷达融合探测机理与应用研究，突破极地环境中光电设备探测、毫米波设备的环境适应性改进、综合探测感知、数据融合处理和目标检测识别等关键技术，提升直升机在扬雪环境、白化天气下的飞行安全性。

4.2.6 极地无人直升机复杂环境稳定增强控制技术

针对极地经纬度畸变、恶劣环境起降（如低温、大风、雪地、能见度低）等极区环境的不利因素，通过研究高精度、强鲁棒性的极地制导与控制技术，拓展无人直升机的功能包线，提升无人直升机在极区环境下的生存能力和任务完成能力。

4.2.7 动力与传动系统低温使用包线拓展技术

在极地低温环境下，发动机同辅助动力装置（auxiliary power unit,APU）压气机和涡轮的匹配，以及滑油系统、燃油系统等的工作条件和工作状态均与正常温度条件下有较大区别。根据国外极地使用涡轴发动机的设计经验，需针对性开展低温用密封件研制、发动机性能匹配优化、燃烧室优化改进、低温滑油和低温燃油使用验证、APU起动性能研究和便携式APU加温设备研制等工作，解决低温环境下动力系统在野外无保障条件下的自启动问题。

4.2.8 传动系统润滑系统及动部件匹配性技术

针对传动系统在低温下的使用问题，需开展满足极地低温条件下使用的传动系统滑油/润滑脂选用匹配性技术，满足极地低温条件下使用的橡胶材料及动密封技术、润滑系统低温性能分析及滑油泵/ 滑油滤等成附件的低温适应性设计技术、传动系统极地低温环境下齿轮和轴承公差间隙配合优化技术、黏性阻尼器-56 ℃低温动刚度和机械性能设计技术等技术研究，解决传动系统在低温环境下的使用问题。

4.2.9 极地低温环境下舱内加温保温技术

目前国内直升机的加温系统一般按环境温度-30 ℃进行设计，在极地的环境中，直升机的使用温度低至-56 ℃，座舱内的热量散失大，而且作为热源的发动机引气温度也会降低，因此结合舱内人员的防寒服的保温性能，为保证驾驶舱和乘员有舒适的工作和乘坐环境，需要将座舱内的温度提升到5 ℃左右。为此，需要从以下方面开展相关研究工作：在直升机上寻找其他可用的热源，为座舱加温提供热量；研制更加高效的加温系统，在热源热量有限的情况下，尽量提高进入座舱的空气温度；研制具有保温功能的内饰，减少座舱内热量的散失。

4.2.10 关键材料极地内陆低温耐久性能研究和考核方法技术

直升机在极地昆仑站等内陆环境服役时，面临长时间极端低温环境，以及极夜与无机库的双重考验，直升机的非金属材料将会面临远比国内更为严苛的考验。因此，需针对极地持续、长时间的极端低温环境，构建一套典型非金属材料的低温耐久性考核试验方法，并对影响飞行安全和人员安全的起落架与旋翼等处的关键材料开展持续、长时间的极端低温环境试验验证，研究其性能衰减情况，判断是否能满足极地使用要求，并研究改进方案。

4.3 直升机极地复杂环境下自给保障与防护救生技术

4.3.1 极地复杂环境下直升机使用及维护保障模式 技术

基于直升机的极地任务想定，开展使用保障场景需求分析，构建直升机使用保障场景，并据此开展使用保障任务和流程分析，形成直升机初步保障方案，构建多目标约束条件下的保障效能评价体系，以满足极地使用为目标，提出最优的保障方案设置建议，并规划各保障场景下的具体使用维修项目工作。

4.3.2 极端低温下直升机保障能力拓展技术

低温条件下直升机停放时，通过保障设备进行温度保持以保证正常起动，是直升机在极地环境正常使用的关键前提。通过对保障设备低温典型故障的分析和轻质保温布罩、小型化高功率加温设备原理样件的探索研制试验，给出保障设备极地使用改进意见，摸索出低温环境下起动加温保障设备加温特性。

4.3.3 适用于极区环境的直升机防护救生技术

针对极区环境下直升机飞行员在超低气温、低水温、强冷风、高湿度、高海拔和强磁场等极地环境下执行飞行任务的安全性影响，立足两极地区的安全防护与救生需求，需突破直升机飞行员极地防护救生技术，解决直升机飞行员面临极地任务的防护救生需求问题，提升任务效能，为执行极地飞行任务所需的防护救生装备研制奠定基础。

5 适用于极区环境的直升机未来发展方向

直升机起降机动灵活，并具备特有的低空性能，利用直升机进行极地保障物资的转运可以完成其他转运方式无法到达的区域。我国在南北极科学考察中直升机的成熟运用，有效支撑了科考项目的实施，并积累了丰富的极地航空器运行经验，为我国极地考察走向“航空时代”打下了坚实的基础[5]。

为更好地执行极区任务、充分应对极地极端复杂的地理气象环境和任务需求，需立足直升机极地总体技术、极地复杂地理气象环境适应性技术，以及极地复杂环境下的自给保障与防护救生技术等方面全方位提升直升机极区服役能力，避免短板效应。同时需知，适用于极区环境的直升机发展方向不是一成不变的，需结合任务前瞻需求，对标极区环境未来变化和深化认知不断调整，才能提出准确的技术提升重点和未来发展方向。

6 结语

通过对南北极环境特点以及国内外直升机在极区环境情况与科考任务需求的分析，为使我国直升机更好地在极区执行极地科考空中运输保障、极地科考探测空中支援和极地空中搜索救援任务，明确了我国应重点攻克极区环境综合导航、冰雪地起降、防冰防雨、低温使用、舱内加温保温、自主保障、防护救生和关键材料等方面的关键技术，使我国直升机在未来能更好地适应极区复杂地理气象环境，并具备优异的极地无人区自给保障能力和防护救生能力。