西科斯基飞机公司共轴式直升机的发展

于 琦

（中国直升机设计研究所，江西景德镇 333001）

0 引言

21 世纪初，真正实现了工程上的应用，研制出具有里程碑意义的刚性共轴直升机。1971 年，制造出1 架ABC 旋翼原理验证机。2005 年，西斯基飞机公司启动X2技术验证机研制计划，助力XH-59A 直升机技术，对1 架施韦策333 直升机进行改装，于2008 年完成首飞。2015年，西科斯基公司在X2 技术验证机的高速旋翼基础上研制了一种新型高速直升机，并完成首飞。在X2 和S-97 的基础上又成功研制了SB-1 共轴直升机，于2019 年完成首飞。为满足未来直升机的发展要求，采用已成熟的技术，发展了未来侦察攻击和未来远程攻击直升机。2020 年，西科斯基公司在第一阶段竞中标获胜。西科斯基公司共轴直升机的演进路线如图1 所示。

图1 西科斯基公司共轴直升机的演进路线

1 X2 验证了美国共轴直升机的研发能力

1.1 研制历程

X2 是美国西科斯基飞机公司研制的一种前行桨叶概念（ABC）旋翼技术验证机。在X2 基础上，西科斯基研制了S-97 掠夺者（定位为未来武装侦察/攻击直升机）以及SB-1（西科斯基-波音联合研制，参与了美国陆军联合多任务计划/未来垂直升力计划竞标）两型复合式直升机。两型机技术具有一定的继承性，代表了世界的领先水平，也验证了美国共轴直升机的研发能力[1]。

2005 年6 月，西科斯基飞机公司宣布启动X2 技术验证机研制计划。与常规直升机相比，X2 的飞行速度可提高60%。2006 年11 月，X2 开始进行地面试验，并于2008 年8 月完成首飞。尾部带有推进螺旋桨的X2 于2009 年6 月实现首飞。2010 年9 月15 日，X2 飞行速度达到了预定的462.5km/h。X2 直升机如图2 所示。

图2 X2直升机

1.2 技术特点

X2 直升机广泛采用复合材料，为使桨叶重量更轻，强度更高，机身作了优化处理，外形采用低阻设计。此外，还特别设计了流线型的桨轴整流罩。X2 采用“前行桨叶概念”，无需转变到飞行状态，只需加大推进螺旋桨的功率，便可实现高速前飞。X2 直升机结构如图3 所示。

图3 X2结构图

2 S-69 奠定了美国共轴直升机的技术基础

S-69 是美国西科斯基飞机公司负责研制和试飞的前行桨叶概念（Advancing Blade Concept，简称ABC）旋翼研究直升机。该机的公司编号为S-69，后续的X2、S-97、SB-1 等均以S-69 的技术作为基础进行研发[2]。

1971 年12 月，美国陆军与西科斯基飞机公司签订研制合同。1973 年7 月26 日，原理验证机进行了首次飞行。在1975 年7 月21 日以后的试飞中，经过大量设计改进的XH-59A 飞出了487km/h 的速度和7770m 的升限。XH-59A ABC 旋翼系统验证机上采用的一些技术对美国陆军要求的LHX 轻型攻击、侦察和通用直升机提供了解决办法。因此，美国陆军进一步投资用于该验证机的发展。1982 年，西科斯基飞机公司对XH-59 验证机进行了新的设计更改，并在XH-59A 的基础上发展了新的ABC 旋翼系统研究机，这种新研究机的编号为XH-59B。S-69 直升机如图4 所示[3]。

图4 S-69 直升机

3 S-9 7 实现了美国共轴直升机的华丽转身

3.1 研制历程

S-97 是美国西科斯基公司在X2 技术验证机的基础上，研制的一种新型高速直升机。S-97 突破了前行桨叶概念技术，实现了从技术验证到工程应用的华丽转身，是该项技术在型号上的首次尝试。2010 年10 月，项目正式启动。2011 年，开始研制。2013 年，S-97 项目完成了关键设计评审，项目所有合作厂家开始进行部件制造。2013年9 月，公司开始S-97 原型机的总装工作。2014 年6 月，西科斯基飞机公司成功完成S-97 高速旋翼机原型机的启动工作，其新型垂直起降设计大大改变了直升机的作战方式，有望掀起新一轮直升机技术革命。2014 年，制成首飞原型机。S-97 高速直升机于2015 年5 月22 日进行了里程碑性首飞，西科斯基飞机公司称这种直升机可满足美陆军航空兵下一代轻型侦察/攻击直升机的要求。S-97 直升机如图5 所示[4]。

图5 S-97直升机

3.2 技术特点

采用两副反向旋转的共轴旋翼，与单旋翼布局式直升机相比，其控制系统简单，外形尺寸紧凑。同时，大量采用复合材料，突出了高效、敏捷和精确的操作品质，采用电传操纵。桨叶重量更轻，强度更高，机身也作了减重优化处理，外形采用低阻设计。此外，还特别设计了流线型的桨轴整流罩。采用“前行桨叶概念ABC”，无需转变到飞行状态，只需加大推进螺旋桨的功率，便可实现高速前飞。这种旋翼不但省去了旋翼系统的许多传动和平衡机构，更加重要的是，它在飞行过程中，上下两副旋翼的空气动力作用能够相互平衡和补充，保持总的飞行升力不变。即使高速飞行过程中，也不用提高旋翼的转速，只需要增大桨叶角提高旋转的升力，可以有效避免飞行速度增大后，后行桨叶失速带来的一系列性能、机动能力和载荷等问题。采用现代先进技术，将旋翼、推进尾桨和发动机进行综合一体化设计，使新型共轴双旋翼直升机的性能水平达到传统设计的两倍。

4 SB-1 完成了美国共轴直升机的跨越发展

4.1 研制历程

SB-1“无畏”复合式共轴直升机是西科斯基-波音团队为美国国防部“未来垂直起降”FVL 项目打造的竞标机型。西科斯基和波音于2013 年1 月组建SB-1 研制团队。2016 年3 月，西科斯基-波音团队联合开发的高速直升机SB-1 原型机完成了最终设计评审。2018 年10 月8日，西科斯基SB-1“无畏”原型机的装配工作基本完成。2018 年12 月底，西科斯基公司公开了SB-1 的真机照片。2019 年3 月21 日，在美国佛罗里达州西棕榈海岸的飞行试验场上，SB-1“无畏”复合式共轴直升机完成首飞。其采用共轴双旋翼，两副刚性旋翼旋转方向相反。为了提升前飞推力，安装了1 个8 片桨叶的推进螺旋桨， SB-1 的飞行速度和航程都能达到传统直升机的两倍。此外，周期变距的调整能实现推力最大化，即使在高速飞行状态下，产生的噪声也很小。与S-97 直升机相比，在继承关键技术的同时，又实现了一次跨越。SB-1 直升机如图6 所示[5]。

图6 SB-1直升机

4.2 作战能力

随着武器攻击能力的不断上升，在战场中面临的生存考验日益严峻，直升机依靠低空飞行和被动式防御装甲也愈发困难，提升了飞行速度、强化隐身性能是未来战争中武装直升机的发展方向，同时还需提升航程以应对更复杂的作战需要，SB-1 正是按此思路研发的高性能直升机。

SB-1 直升机的最大特点是速度快、航程远、作战半径大，列装后可进一步提升陆军的攻击能力、运载能力和战场机动能力，充分体现了直升机灵活和迅捷的反应能力。由于行动范围大大扩大，转移的速度就会更快，传统直升机的速度一般在200 ～300km/h，而SB-1 已达到400 ～500km/h，转移速度增加一倍，在加之作战半径增加一倍，加起来就会提高4 ～5 倍的作战效能。此外，还具备非常出色的隐身能力，采用流线型的机身可以更好地折射雷达波，再对外表喷覆隐身涂料，雷达波对其扫描能力大幅度减弱，能够很好完成“发现敌人而不被敌人发现”的侦察和作战任务。SB-1 在海军的舰载反潜和陆战队的两栖登陆中，起到了不可替代的作用[6]。

4.3 技术特点

西科斯基和波音根据美国陆军需求，研发出拥有多项技术创新和历史性突破的SB-1 直升机，在速度、航程、推进螺旋桨、刚性旋翼、流线型机身等方面具有诸多亮点，西科斯基-波音的13.6 吨级SB-1 融合了共轴式刚性旋翼、集成推进器、电传操纵系统和主动振动抑制技术，是3 吨级X2 技术验证机和5 吨级S-97“突袭者”的衍生产品。SB-1 采用全复合材料机身，可在高温-高原环境下搭载4 名机组成员和12 名全副武装的士兵。

5 Raider X 延续了美国共轴直升的未来构想

美国陆军于2018 年10 月启动了“未来攻击侦察飞行器（FARA）”的竞标，Raider X 作为项目之一参加了竞标。2019 年航展上，西科斯基公司展示了“RaiderX”共轴直升机。“RaiderX”融合了多年来在X2 直升机技术的开发、测试和升级中所吸收到的经验，并为作战人员提供了攻击能力强的智能装备，该直升机在未来战场上具有出色的表现，尤其是空战。2020 年3 月25 日，美国国防部宣布选择西科斯基公司和贝尔公司的竞标方案进入“未来攻击侦察直升机”计划的第二阶段。在此阶段，两个入围的竞标公司必须研制出原型机。按照计划，美军将选择其中一方，在2028 年投入批量生产。Raider X 是一款共轴旋翼飞行器，具有共轴反向旋转双旋翼和1 个尾部推进螺旋桨。如果其性能与X2 相似，则Raider X 的速度将超过250 节（463km/h），并能在9000 英呎（2743m）高空上运行。它具有低速和高速机动能力，拥有超过60°的倾斜角，并具有增强的低速悬停和加速功能。Raider X直升机如图7 所示[7]。

图7 RaiderX直升机

2017 年4 月10 日，西科斯基和波音公司公开了其FVL中型机竞标项目（FVL-M）的“攻击型”。陆军用FVL-M同时替代UH-60“黑鹰”运输直升机和AH-64“阿帕奇”武装直升机。“攻击型”与SB-1 共享发动机、传动、推进器和操纵系统、燃油箱、航电设备和电子设备等，增加了武器装置。FVL-M 直升机概念图如图8 所示。

图8 FVL-M直升机概念图

6 结语

西科斯基于20 世纪50 年代最先开始ABC 旋翼的研制，并于1972 年制造出XH-59A 验证机，正式开始ABC旋翼的验证工作。经过不断的改进实验，XH-59A 验证机创造了488km/h 的速度和7770m 升限的直升机飞行速度记录，验证了ABC 旋翼的可行性。进入21 世纪，世界各大直升机公司均开始共轴刚性ABC 旋翼的研制工作，西科斯基依然走在这项技术的最前沿。