犯其至难而图其至远
2024-12-11刘宏福
旋翼系统是直升机最具特色、最为关键的标志性部件。旋翼更是被喻为直升机的“皇冠”，作为直升机标志性部件，旋翼系统对于直升机的飞行高度、速度等起着决定性作用。早在15世纪，人们便畅想用螺旋桨，达成人类实现垂直升空的目标。作为直升机的核心技术和衡量直升机先进性的重要标志之一，旋翼技术相当程度上代表了直升机的发展水平，也一直被列为直升机研制的三大关键技术之一，同时也是预先研究的重中之重。
旋翼技术的发展史在很大程度上可视为一部直升机发展史。国产直升机旋翼技术发展始于苏联米-4的国产化，先后经历了从测绘仿制、参考样机设计、国际合作，逐步过渡到自主设计。从20世纪五六十年代的旋翼设计技术起步，到八十年代测仿金属全铰接式旋翼和星形柔性旋翼研制，再到真正形成能力的复合材料旋翼反设计研究、重点型号旋翼先期攻关与国际合作等，再到突破直升机旋翼防除冰技术、掌握先进无轴承旋翼技术、智能旋翼关键技术等，一代代直升机人秉承“忠诚奉献、自力更生、艰苦奋斗、勇攀高峰”的精神，向着旋翼技术高峰不断攀登，为我国直升机型号实现升级换代、跨越发展贡献了强大升力。
艰苦奋斗，自力更生，从测绘仿制到自主研制
1958年，我国第一架直升机直5成功首飞，由于直5是仿制苏联米-4直升机，苏联技术资料规定旋翼的桨叶是木制的，但是材料的选取非常苛刻，必须用西伯利亚红松，且要有相当的强度，而这种树在气温越低的条件下，硬度和密度会越大。为了寻找性能相当的国产木材，实现旋翼木材的国产化，科研人员在林业部门的配合下，从全国多个地方选材，甚至登上海拔3700多米的山峰进行资源调查，才找到符合技术要求的木材，在勘探险要过程中，有人献出了宝贵的生命。后来，科研人员决心采用金属材料代替木制桨叶。1966年6月22日，自行制造的金属旋翼装机试飞，金属旋翼的性能全面优于木质旋翼，旋翼的使用寿命与维护性明显提升。
在直升机领域，国外向来把旋翼当作核心秘密、竞争的砝码，从不对外输出相关技术，旋翼在当时更是我国遭遇的一大技术瓶颈。直至80年代末，还尚未自行研制过直升机旋翼系统，只有测绘仿制金属铰接旋翼的零星技术和经验，而当时国外已经在发展和应用星形柔性、球柔性和无轴承旋翼了。其中，球柔性旋翼构型研究是我国直升机旋翼技术发展的关键一环，相比星形柔性桨毂具备结构简单、安全可靠、使用寿命更长等特点，适用于大小吨位和不同任务的各型直升机。但是，其结构简单的背后是高强度长寿命、更加复杂的气动和结构动力学设计等难题。
“八五”期间，为尽快缩短与国外先进技术水平的差距，实现旋翼技术跨越发展，航空工业直升机所瞄准国际发展趋势，决定把国际上最为先进的、仅有欧美掌握的球柔性旋翼技术作为着力点。利用专项预研发展——旋翼技术先期攻关研究课题，启动了以球柔性旋翼为代表的旋翼原理样机研究工作。这项任务是对直升机所整体技术能力的艰巨挑战。直升机所旋翼系统技术专家胡和平回忆自己初次接触直升机旋翼、学习和攻克旋翼设计难题的历程时感慨道：“白天黑夜连轴转，总想着尝试一些新的方法，从选材、设计、试验到制造，每个环节都要搞个明明白白。”
邓景辉在担任桨毂专业组组长时，带领组里的年轻人，认真梳理关键技术，针对每项技术难题开展技术攻关，同时向国内不同专业的专家学习，从国外的技术文献寻找灵感，成功地研制出了我国第一套球柔性桨毂。“九五”期间，旋翼原理样机配装在“小松鼠”直升机上，完成了演示验证飞行，标志着我国终于掌握了先进球柔性旋翼设计的关键技术，使我国旋翼设计技术跨上了一个新台阶。这套由我国首次自行研制的第三代旋翼系统，荣获了航空科技进步奖一等奖。
创新驱动，力争一流，赶超世界先进技术
通过几代直升机人的不懈努力，科研人员吃透了球柔性旋翼技术，并一直朝着发展更先进的旋翼技术迈进。无轴承旋翼作为常规构型直升机旋翼技术先进水平的代表，散发着令直升机设计者痴迷的独特魅力。无轴承旋翼结构简单、零件数目少、重量轻，又具有操纵功效高、敏捷性好、可靠性高、维护简单、较低的全寿命周期成本等优点，因此，无轴承旋翼正逐步成为先进直升机，尤其是中小型武装直升机的旋翼首选构型。
相比国外，国内在无轴承旋翼技术的研究方面起步较晚。“国外的直升机，只要看到旋翼，就知道是哪家公司的。而我们的直升机缺乏这样的特色和辨识度，我们研究无轴承直升机，一方面是提升技术，融会贯通，更重要的是要创建自己的品牌。”胡和平的心声说出了每一位直升机科研工作者的梦想。“十五”期间，科研人员对无轴承尾桨技术和无轴承模型旋翼进行理论研究，但对于无轴承旋翼技术的真正掌握以至在直升机型号上的成功应用仍然有较大差距，在理论计算、结构设计、工艺制造、试验技术上还存在许多未知的难题，每一项都是异常严峻的挑战。
“十一五”期间，科研人员重点开展了无轴承旋翼技术基础层面的研究，以及一些典型件的试验和验证。“十二五”期间，项目团队在系统级层次上进行无轴承旋翼技术的地面部件和装机试验验证，探索以现有机型为平台展开，形成正式的无轴承旋翼原型样机三维电子数字样机，并进入了旋翼原型样机的试制与试验阶段。
在全尺寸无轴承旋翼研制总体方案论证期间，项目团队充分考虑验证平台的未来发展，瞄准直11高原型机的需求制订研制方案，通过此项目研究，探索一条预先研究与型号研制平滑过渡的技术路线，保证了项目的顺利进展。2015年5月，历经近10年的探索研究、攻坚克难，我国第一幅无轴承旋翼实现装直11验证机首飞成功，完成了无轴承旋翼的装机考核，无轴承旋翼技术获得创新突破。研制过程中，先后进行了无轴承缩比模型的风洞试验、全尺寸旋翼实验室试验、旋翼塔试验、装机地面试验等，实现装机悬停飞行验证，为后续开展飞行演示验证奠定了基础。
自主创新，勇攀高峰，给国产旋翼“破冰吹雪”
我国平均4000米以上的高原，约占我们整个领土面积的 1/4。同时，我国直升机的活动区域有相当地域多高山、高原、盆地，多属于高寒气候。旋翼在面临高原高寒地区、冻雨等低温环境时，前缘很可能出现结冰现象，直接影响直升机飞行安全。
直到本世纪初，我国直升机桨叶防/除冰措施就是利用在桨叶表面喷洒大量的酒精。但液体防冰作用时间短，且只能防冰而无法除冰；大量防冰液还增加了直升机的重量、增加能耗。20世纪80年代后国外研制了电热式防/除冰系统，具有更轻的重量与更高的除冰效率。面对新型直升机全域飞行的高效除冰需求，以及西方国家的技术垄断局面，国内自21世纪初期开始自研电热式防/除冰系统。
汶川地震发生后，补齐高原型直升机自主保障的短板，亟待一款具备全疆域、全天候作战能力以及优异的高原性能的直升机。能在高原高寒地区使用，直升机必须具备在结冰环境下的执行任务能力，因此，直升机的旋翼具备防结冰能力和除冰的能力就成为直升机能否上高原、进高寒的必备条件。在型号研制之初，国产直升机均不具备防/除冰的能力，国外只有极少数几个直升机公司才掌握这项技术。面对外国技术封锁和国内对这一型号迫切需要的双重压力，中国初步考虑对外合作，但最终也未达成一致。通过对外技术合作，虽然可以尽快完成研制任务，但未来仍然会面临关键技术被“卡脖子”的局面。团队负责人邓景辉始终憋着一股劲：关键核心技术靠化缘是要不来的，必须攻克关键技术，走自主创新的道路，做出中国人的“争气工程”！邓景辉暗下决心，一定要争口气，攻克这项关键技术。
每一次系统停止工作，科研人员都会守在工厂，逐一排查故障。而这一次次的排查，背后是整个团队的通宵达旦、彻夜不眠，凭着“中国人一定要争气”的韧劲和必胜的信念，邓景辉带领团队先后突破了旋翼防/除冰热力学分析、加热组件研制、冰风洞试验、模拟结冰环境下的喷洒塔试验，以及装机在真实自然结冰环境下的试飞考核。最终，通过多轮优化迭代、集智攻关，攻克了控制律设计问题、成型工艺稳定性问题、试验与试飞的风险控制问题，终于突破了一系列关键技术，实现了旋翼防除冰技术的成功应用。
历时多年的关键技术终于得以攻克，这家初期拒绝和中国合作的国外公司后来又主动提出可以合作，邓景辉骄傲地说：“No，you have no chance，你们没有机会了”。压抑许久的心情终于可以扬眉吐气，事实再一次证明：国外能做到的，中国一定能做到。
发展先进旋翼技术，面向未来出新品
作为直升机技术未来发展的重要方向之一，智能旋翼通过在直升机旋翼上采用主动控制手段，使旋翼桨叶能够识别外界信息，并根据获得信息对桨叶自身的状态作适当的调整，从而达到旋翼的减振、降噪等，进而大幅提升直升机的性能。在“十二五”期间，直升机所成立了专门的智能旋翼技术研究小组，积极与有关高校和科研机构合作，在智能旋翼的设计、分析和试验方面积累了宝贵经验。同时，针对直升机主动减振技术，设计了4米直径的ACF旋翼原型样机，并完成了悬停摸底试验，这是国内首次智能旋翼的主动控制试验，也是国内转速最快、最接近真机使用情况的智能旋翼试验。
胡和平说：“作为一次全新的尝试，ACF旋翼原型样机的设计和研究过程充满艰辛，但是全体参研人员不畏艰难，戮力拼搏，最终圆满完成了各项试验，达到了预定目标，这为进一步实现旋翼主动控制的轻质高效、实时闭环控制、数字仿真等奠定了基础。”此后，项目团队完成智能旋翼悬停和前飞试验任务，得到了一份沉甸甸、“亮闪闪”的试验数据。
随着直升机在社会各领域的广泛应用，用户对直升机的性能和舒适性等要求也将越来越高，未来旋翼的发展必将朝着低噪声、低振动的“绿色旋翼”和“智能旋翼”的方向发展。基于主动控制技术的智能旋翼，一定能让直升机更好地服务于社会，这也是直升机正在攀爬的另一个高峰。
高速、智能、无人、环保、舒适等未来直升机的新方向已经成为直升机科研工作者正在攀爬的一座座科研高峰。作为直升机研发的“国家队”，直升机所不等不靠，主动出击，优化科技创新体制机制，激发科技创新动力活力，加快实现高水平科技自立自强。随着新质生产力的不断释放，以eVTOL、无人机为代表的低空新型航空器有望开拓全新的航空市场。面对行业激烈竞争态势，直升机所以引领直升机技术发展、承担直升机科技创新为重大使命，以型号研制亟须的学科交叉、系统综合类新技术研究为重点，旨在彻底解决制约我国旋翼技术发展的瓶颈短板，实现我国旋翼技术的跨越式发展。在新赛道新领域上，直升机所坚持需求牵引，坚持技术驱动，加快型号研制，变距多旋翼无人机、AR300电驱动多旋翼飞行器、AE20电驱动垂直起降飞行器等呼之欲出。
在研发团队的不懈努力下，创新研发的一代代旋翼成功撑起共和国低空的脊梁，不断创造出国产直升机的最大起飞重量、最大飞行高度、最快飞行速度！
（作者单位：中国航空工业集团直升机所）