[科普中國(guó)]-重型直升機(jī)

重型運(yùn)輸直升機(jī)的問世可追溯到20世紀(jì)60年代，所謂重型運(yùn)輸直升機(jī)是指起飛重量大于20噸的運(yùn)輸直升機(jī)。由于重型運(yùn)輸直升機(jī)有較快的速度，運(yùn)載能力大，能通過內(nèi)載或外部吊掛方式載運(yùn)重型施工設(shè)備或大型武器裝備，且無需機(jī)場(chǎng)起降，是一種較好的兵員和軍事裝備的運(yùn)載工具，在歷次重大自然災(zāi)害中都發(fā)揮了巨大作用，因此普遍受到世界各國(guó)的重視，發(fā)展非常迅速。

現(xiàn)代多次局部戰(zhàn)爭(zhēng)表明，運(yùn)輸直升機(jī)在戰(zhàn)爭(zhēng)中的廣泛使用，導(dǎo)致傳統(tǒng)的作戰(zhàn)模式和戰(zhàn)術(shù)發(fā)生了重大變革，在諸軍兵種協(xié)同作戰(zhàn)中具有重要地位，同時(shí)也加快了快速反應(yīng)部隊(duì)的建設(shè)。在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中，美軍一次出動(dòng)的300多架直升機(jī)中，主要是CH-47,”黑鷹”等運(yùn)輸直升機(jī)，在武裝直升機(jī)的保護(hù)下實(shí)施縱深突擊機(jī)降作戰(zhàn)。機(jī)降中很快將三個(gè)空中突擊營(yíng)的2000人、50輛軍車和榴彈炮、大批燃料和彈藥運(yùn)到伊軍縱深80千米的位置。緊接著美軍大批運(yùn)輸直升機(jī)連續(xù)空運(yùn)12小時(shí)，向這一地區(qū)運(yùn)送了數(shù)以千噸物資，開辟了一個(gè)面積150平方千米的前進(jìn)基地。這可以說是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)大規(guī)模運(yùn)用運(yùn)輸直升機(jī)成功機(jī)降的典范。

另外，重型運(yùn)輸直升機(jī)在重大搶險(xiǎn)救災(zāi)中對(duì)受困人員或傷員撤離，救援人員或物資運(yùn)輸，大型設(shè)備吊運(yùn)等方面能發(fā)揮巨大且獨(dú)特的作用，大大提高了搶險(xiǎn)救災(zāi)效率。例如2004年的印度洋海嘯搶險(xiǎn)和2008年我國(guó)漢川地震唐家山堰塞湖搶險(xiǎn)，重型運(yùn)輸直升機(jī)都立下了汗馬功勞。1

重型直升機(jī)的作用無可替代，但研制起來有很多難點(diǎn)，如氣動(dòng)、機(jī)械等方面。理論上，重型直升機(jī)可采用多種構(gòu)型，但實(shí)際上主要用單旋翼、縱列式雙旋翼和傾轉(zhuǎn)旋翼三種。

重型直升機(jī)最常見的構(gòu)型還是單旋翼帶尾槳。旋翼提供升力、推進(jìn)力和操縱力；尾槳用于平衡旋翼的扭矩和航向操縱，對(duì)主旋翼軸的力臂通常稍大于主旋翼半徑。單旋翼構(gòu)造簡(jiǎn)單，只需一套旋翼操縱系統(tǒng)和一套傳動(dòng)系統(tǒng)，技術(shù)較成熟，槳盤載荷低。缺點(diǎn)是旋翼和主減速器尺寸大，直升機(jī)重心范圍小，飛行高度低，存放空間大，尾槳易撞到障礙物或地面人員引起事故，尾槳在主旋翼和機(jī)身尾渦引起的不利氣動(dòng)環(huán)境下工作，降低了其氣動(dòng)效率并增大了尾槳載荷與振動(dòng)等。而且尾槳在對(duì)抗主旋翼扭矩時(shí)也要消耗百分之幾的發(fā)動(dòng)機(jī)功率。

重型直升機(jī)采用單旋翼，相對(duì)縱列式及傾轉(zhuǎn)旋翼，技術(shù)難度最小，與中小型直升機(jī)也沒有本質(zhì)區(qū)別，只是由于尺寸的增大，設(shè)計(jì)制造中有所不同。1

這種構(gòu)型其前后旋翼反轉(zhuǎn)，扭矩是平衡的，不需要占用功率的尾槳。但兩副旋翼間的氣動(dòng)干擾損耗了差不多與單旋翼直升機(jī)的尾槳同量的功率。

懸停時(shí)，縱列式直升機(jī)由于其較大的俯仰阻尼和較大的操縱功效，縱向操縱品質(zhì)要優(yōu)于單槳式直升機(jī)。但另一方面，由于它較低的偏航阻尼和較大的偏航和滾轉(zhuǎn)慣性，橫向操縱品質(zhì)又差于單槳式直升機(jī)。前飛時(shí)，縱列式直升機(jī)有較大的迎角不穩(wěn)定性。另外兩副旋翼之間的干擾會(huì)影響縱列式直升機(jī)的操縱品質(zhì)。

龐大的機(jī)身是縱列式的特性，因?yàn)樗袃筛毙硪惭b在機(jī)身上。由于需利用差動(dòng)拉力來平衡直升機(jī)的俯仰，所以縱列式直升機(jī)還有縱向重心范圍大的特點(diǎn)。后旋翼在前旋翼的尾渦中工作，振動(dòng)、交變載荷、噪聲和功率損失就來源于此。不穩(wěn)定的機(jī)身氣動(dòng)力矩以及偏航操縱功效低都對(duì)直升機(jī)的操縱品質(zhì)不利，后旋翼支架使結(jié)構(gòu)重量增加。

縱列式重型直升機(jī)的技術(shù)難點(diǎn)有很多。如總體設(shè)計(jì)、各升力面氣動(dòng)布局、總體參數(shù)優(yōu)化等。氣動(dòng)干擾技術(shù)更復(fù)雜，包括旋翼/旋翼、旋翼/短翼、旋翼/機(jī)身等氣動(dòng)干擾分析，機(jī)內(nèi)減振降噪技術(shù)等。電傳/光傳飛控技術(shù)及飛行控制律等也很復(fù)雜。1

傾轉(zhuǎn)旋翼構(gòu)型與常規(guī)直升機(jī)構(gòu)型相比，有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。首先是速度快。直升機(jī)旋翼旋轉(zhuǎn)時(shí)槳尖處的切線速度一般為200米/秒，那么當(dāng)飛行速度為360千米/時(shí)，即100米/秒時(shí)，旋翼前行槳葉處于900處槳葉的槳尖相對(duì)氣流速度就會(huì)達(dá)到300米/秒，接近聲速340.2米/秒，這時(shí)再增加速度就很容易產(chǎn)生激波失速了。而此時(shí)后行槳葉在270°槳尖處相對(duì)氣流的速度只有100米/秒，槳根部分還會(huì)出現(xiàn)氣流從槳葉后緣流向前緣的反流區(qū)，從而使槳葉產(chǎn)生的升力減少。為使升力保持與前行槳葉相同，需要增加后行槳葉的槳距，但槳距過大會(huì)出現(xiàn)氣流分離。因此常規(guī)直升機(jī)最大速度超過360千米/時(shí)、巡航速度超過300千米/時(shí)的很少，而V-22傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)巡航速度509千米/時(shí)，最大速度650千米/時(shí)。

其次是噪聲和振動(dòng)小。傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)因巡航時(shí)一般以固定翼飛機(jī)的方式飛行，因此噪聲比直升機(jī)小得多。比如在150米高度懸停時(shí)，其噪聲只有80分貝，僅相當(dāng)于30米外卡車的噪聲。由于傾轉(zhuǎn)旋翼布置在遠(yuǎn)離機(jī)身的機(jī)翼尖端，且直徑較小，因此其座艙的振動(dòng)比一般直升機(jī)要低得多。

另一優(yōu)勢(shì)是航程遠(yuǎn)。如V-22作戰(zhàn)距離大于1 850千米，若加滿兩個(gè)轉(zhuǎn)場(chǎng)油箱，航程可達(dá)3 890千米。如進(jìn)行空中加油可從美國(guó)本土直飛歐洲，而直升機(jī)的航程很少超過1 000千米。

載重量大也是一優(yōu)勢(shì)。V-22懸停重量已達(dá)21 800千克。貝爾直升機(jī)公司計(jì)劃研制的下一代四旋翼傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)V-44可裝載80-100名士兵或10-20噸貨物。

傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)巡航飛行時(shí)，因機(jī)翼可產(chǎn)生升力，旋翼轉(zhuǎn)速較低，基本相當(dāng)于兩副螺旋槳，所以耗油率比直升機(jī)低。

綜合考慮傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)耗油量少、速度快、航程大、載重大等優(yōu)點(diǎn)，其運(yùn)輸?shù)某杀緝H為直升機(jī)的1/2。

傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)因既有旋翼又有機(jī)翼，旋翼還要在垂直和水平位置間反復(fù)傾轉(zhuǎn)，因此它的結(jié)構(gòu)、氣動(dòng)、控制等技術(shù)比一般飛機(jī)和直升機(jī)復(fù)雜得多，兩者的難點(diǎn)它都有，還有自己特有的問題。

第一是旋翼和機(jī)翼間氣動(dòng)干擾。涉及到旋翼-機(jī)翼、旋翼-旋翼、旋翼-機(jī)身、旋翼-尾部等方面，其中以垂直飛行和懸停時(shí)旋翼-機(jī)翼的氣動(dòng)干擾最重要。它主要表現(xiàn)在兩方面：一是機(jī)翼由于旋翼的尾流沖擊引起下洗載荷，二是機(jī)翼對(duì)旋翼的氣動(dòng)性能產(chǎn)生影響，兩者都對(duì)傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的有效載荷有較大影響。要搞清楚這種氣動(dòng)干擾，需建立旋翼尾流與機(jī)翼結(jié)合的模型，確定旋翼尾流中的誘導(dǎo)速度，還需要更先進(jìn)的算法及實(shí)驗(yàn)技術(shù)。

第二是旋翼傾轉(zhuǎn)過程中的氣動(dòng)問題。傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)垂直飛行和懸停時(shí)的氣動(dòng)特性與橫列式直升機(jī)相似，巡航飛行時(shí)與渦槳飛機(jī)類似，這兩種狀態(tài)的氣動(dòng)特性都有類似經(jīng)驗(yàn)可借鑒。但旋翼傾轉(zhuǎn)過程中的氣動(dòng)特性是其獨(dú)有的，是復(fù)雜的非定常氣動(dòng)問題。

旋翼傾轉(zhuǎn)過程中氣動(dòng)特性的確定，要建立正確的數(shù)學(xué)模型和選擇適合的算法都很難。建立數(shù)學(xué)模型，首先要解決旋翼槳葉翼型的非定常動(dòng)態(tài)氣動(dòng)特性，即翼型氣動(dòng)力隨迎角變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)問題。其次是旋翼的非定常誘導(dǎo)速度的確定，即誘導(dǎo)速度隨旋翼氣動(dòng)力變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。雖然國(guó)內(nèi)外建立了各種各樣的數(shù)學(xué)模型，但都不成熟。對(duì)旋翼傾轉(zhuǎn)過程的非定常氣動(dòng)力、扭矩、表面壓力及誘導(dǎo)速度等任一物理量的測(cè)定也都相當(dāng)困難。

第三是傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題。旋翼在直升機(jī)模式飛行時(shí)要產(chǎn)生升力，在以飛機(jī)模式飛行時(shí)又要產(chǎn)生推進(jìn)力，協(xié)調(diào)這兩種飛行狀態(tài)，使旋翼達(dá)到一個(gè)較理想的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。因此傾轉(zhuǎn)旋翼系統(tǒng)的槳葉形狀、翼型、扭轉(zhuǎn)度等與常規(guī)的旋翼系統(tǒng)都有較大差異。另外，由于在機(jī)翼兩翼尖處要裝旋翼系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)艙，并且旋翼軸相對(duì)機(jī)翼要傾轉(zhuǎn)，這就對(duì)機(jī)翼強(qiáng)度和穩(wěn)定性提出了很高的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)還要考慮以飛機(jī)模式飛行時(shí)槳葉揮舞可能引起的安全問題及旋翼-機(jī)翼的氣動(dòng)干擾問題，因此對(duì)機(jī)翼的設(shè)計(jì)也是一個(gè)技術(shù)難題。

第四是傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的動(dòng)力學(xué)問題。傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的槳葉揮舞/擺振耦合、槳葉之間通過槳轂的相互運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力耦合等都無法用傳統(tǒng)的直升機(jī)旋翼動(dòng)力學(xué)方法分析。傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)運(yùn)動(dòng)和振動(dòng)部件多，不僅把螺旋槳飛機(jī)和橫列式直升機(jī)的振動(dòng)問題集于一身，還帶來它們的振動(dòng)耦合。另外，飛行模式較多和旋翼轉(zhuǎn)速變化較大引起傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的振動(dòng)模態(tài)特別多。這些振動(dòng)模態(tài)會(huì)與機(jī)身、機(jī)翼或其它部件的固有頻率相接近，或在某些飛行條件下，一些振源的振動(dòng)模態(tài)，正好與旋翼機(jī)的某些固有頻率接近，引起共振。通過動(dòng)力學(xué)分析來預(yù)估這些振動(dòng)模態(tài)，并通過控制旋翼轉(zhuǎn)速、飛行速度、飛行狀態(tài)等來避免引起共振是非常困難的。

第五是傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)飛行力學(xué)與控制問題。由于傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)應(yīng)用范圍和飛行領(lǐng)域比常規(guī)直升機(jī)廣泛得多，因而它的飛行力學(xué)模型也復(fù)雜得多。傾轉(zhuǎn)過程中，旋翼軸的方向和旋翼轉(zhuǎn)速發(fā)生較大變化，導(dǎo)致旋翼機(jī)的升力、推力及力矩也發(fā)生較大變化，在非定常非線性氣動(dòng)因素的影響下，傳統(tǒng)的直升機(jī)飛行力學(xué)分析方法會(huì)失效，需建立新的分析模型和方法。此外，傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)飛行狀態(tài)在很大范圍內(nèi)變化，為確保飛行員在正常負(fù)荷下工作，需要研制自動(dòng)操縱系統(tǒng)。這需要對(duì)飛行控制規(guī)律作深入研究并驗(yàn)證。自動(dòng)操縱控制技術(shù)已成為研制傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的關(guān)鍵之一。2

目前，國(guó)際上只有俄羅斯、美國(guó)兩個(gè)國(guó)家生產(chǎn)重型直升機(jī)。國(guó)外典型的現(xiàn)役重型直升機(jī)主要有俄羅斯的米-26、美國(guó)的CH -53系列和CH -47系列。

米-26“光環(huán)”直升機(jī)是由米里莫斯科直升機(jī)股份公司研制，為當(dāng)今世界上最大的單旋翼直升機(jī)，1971年開始研制，1978年2月21日首飛。發(fā)展有米-26、米-26A、米-26T、米-26 M等11種型別。共生產(chǎn)300架左右，出口到20多個(gè)國(guó)家。

該機(jī)采用單旋翼帶尾槳構(gòu)型，最大起飛重量56000 kg，主要使命任務(wù)為兵員運(yùn)送、醫(yī)療救護(hù)、電子對(duì)抗、大型設(shè)備運(yùn)輸、空中加油、客運(yùn)、消防和地質(zhì)探測(cè)等，其裝載能力為：最大有效載重27800 kg，內(nèi)載和外吊最大重量20000 kg，可運(yùn)載80名士兵或60名擔(dān)架傷員和4 -S名醫(yī)護(hù)人員。3

CH -47“支奴干”系列直升機(jī)是經(jīng)典的現(xiàn)役重型運(yùn)輸直升機(jī)，1956年開始研制，1961年9月21日首飛，已服役40多年，已發(fā)展有CH-47A , CH -47B,CH-47C,CH-47 D等16種型別?，F(xiàn)有18個(gè)國(guó)家和地區(qū)使用，美國(guó)共有746架，其中479架升級(jí)為CH -47D，計(jì)劃服役至2030年。

該機(jī)采用縱列雙旋翼布局，最大起飛重量24494 kg，主要任務(wù)使命為后勤支援、搜索救援、特種作戰(zhàn)運(yùn)輸?shù)?，其裝載能力為：最大有效載重12944kg，最大吊掛載重12700 kg；可運(yùn)載33 -55名全副武裝的士兵或24副擔(dān)架和2名護(hù)士。3

S -80( CH -53E)系列直升機(jī)是美國(guó)西科斯基飛機(jī)公司研制的3發(fā)重型多用途直升機(jī)，為西方國(guó)家中尺寸和載重量最大的直升機(jī)，1971年開始研制，1974年3月1日首飛。共發(fā)展有CH-53E“超種馬”及出口型S -80E,MH -53E“海龍”及出口型S-80 M等四種型別。

該機(jī)交付總量為238架，其中美國(guó)海軍和海軍陸戰(zhàn)隊(duì)裝備了219架CH -53E/MH -53E，日本海上自衛(wèi)隊(duì)裝備11架S - 80 M，土耳其裝備了8架S-80E。

該機(jī)最大起飛重量33340 kg，主要任務(wù)使命為艦隊(duì)垂直補(bǔ)給，損壞飛機(jī)的運(yùn)送、掃雷、搜索救援等，其裝載能力為：最大外部有效載重16330 kg；可運(yùn)載55名全副武裝的士兵。3

V-22“魚鷹”時(shí)全球目前唯一現(xiàn)役的傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)。為彌補(bǔ)常規(guī)直升機(jī)固有的速度慢、航程短的缺陷，美國(guó)貝爾公司長(zhǎng)期以來一直堅(jiān)持傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)技術(shù)的探索，先后研制了XV-3傾轉(zhuǎn)旋翼原理驗(yàn)證機(jī)和XV-15傾轉(zhuǎn)旋翼工程驗(yàn)證機(jī)，并取得了巨大成功，引起了世界各國(guó)特別是美國(guó)軍方的高度關(guān)注。

鑒于XV-15的優(yōu)異表現(xiàn)，美國(guó)國(guó)防部于1981年提出了“三軍聯(lián)合先進(jìn)垂直起落飛機(jī)(JVX )”項(xiàng)目，要求在XV-15的基礎(chǔ)上，為美國(guó)陸、海、空三軍研制共用的傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)。最初，這個(gè)項(xiàng)目由美國(guó)陸軍負(fù)責(zé)，但由于美國(guó)陸軍經(jīng)費(fèi)不足，1983年，這項(xiàng)計(jì)劃轉(zhuǎn)由美國(guó)海軍負(fù)責(zé)。同年4月，美國(guó)海軍便與貝爾和波音公司簽訂了研制合同。1985年1月這種傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)被正式命名為V-22“魚鷹”，美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)的突擊運(yùn)輸型稱為MV-22，空軍特種作戰(zhàn)型稱為CV-22，而海軍戰(zhàn)斗搜索型稱為HV-22。

美國(guó)貝爾/波音公司一共制造了10架V - 22原型機(jī)用于各種地面試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)，這在世界直升機(jī)發(fā)展史上實(shí)屬罕見。而在各種飛行試驗(yàn)和作戰(zhàn)評(píng)估飛行中，共發(fā)生過4次重大事故，導(dǎo)致30人死亡。這些足以證明傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的技術(shù)難度大大超乎人們的預(yù)想。

1989年3月，第一架V-22原型機(jī)實(shí)現(xiàn)首飛。在經(jīng)歷了一系列挫敗、調(diào)整、改進(jìn)和技術(shù)與質(zhì)量審查后，直到1999年5月，第一架生產(chǎn)型MV-22才交付給美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)。首架生產(chǎn)型CV-22于1999年10月首飛，2000年交付給美國(guó)空軍。到目前為止，美軍仍然是世界上第一支，也是唯一一支裝備了傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的軍隊(duì)。4