重型直升機(jī)技術(shù)發(fā)展的啟示

黃傳躍 陳國華

重型直升機(jī)一般定義為起飛重量大于20噸，內(nèi)載和外吊掛能力大于8噸，可運(yùn)送超過50人的直升機(jī)。與常規(guī)固定翼飛機(jī)相比，具備垂直起降和空中定點(diǎn)懸停、中低空機(jī)動性好、不受場地限制等優(yōu)點(diǎn)；與其它直升機(jī)相比，又具備有效商載大、運(yùn)輸效率高的優(yōu)勢。

在民用方面，重型直升機(jī)的突出作用體現(xiàn)在災(zāi)難救援中，如2008年汶川大地震，在唐家山堰塞湖的搶險過程中米-26直升機(jī)飛行百余架次，吊運(yùn)60余臺推土機(jī)、挖掘機(jī)等大型設(shè)備，吊運(yùn)總重達(dá)800余噸，在潰壩前，僅用4個架次就及緊急疏散了400余名搶險人員；在印度洋海嘯、巴基斯坦地震、切爾諾貝利核電站、“卡特里娜”颶風(fēng)等災(zāi)難救援中，重型直升機(jī)也發(fā)揮了重要的作用。在軍事方面則體現(xiàn)在快速機(jī)動、快速部署、定點(diǎn)突防的作戰(zhàn)任務(wù)上，如海灣戰(zhàn)爭、阿富汗戰(zhàn)爭等，重型直升機(jī)都發(fā)揮了極其關(guān)鍵的作用。

中國是一個發(fā)展中大國，中國特殊的地理情況決定了中國需要大量的重型直升機(jī)，中國的山地與水面面積約占國土總面積的70%，其中高原高山地區(qū)約占26%，此外海島眾多。我國又是災(zāi)難頻發(fā)的國家，地震、泥石流、雪災(zāi)、火災(zāi)、颶風(fēng)等經(jīng)常發(fā)生。重型直升機(jī)在國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)、人民生命財產(chǎn)的保障、國家利益的保證和拓展等方面有著不可或缺的作用。

目前世界上掌握重型直升機(jī)整套關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)的國家僅有美國和俄羅斯，歐洲等也在積極準(zhǔn)備發(fā)展重型直升機(jī)，擁有重型直升機(jī)并具備研發(fā)能力是體現(xiàn)一個國家的綜合實(shí)力標(biāo)志之一。

本文通過對國外重型直升機(jī)現(xiàn)狀及技術(shù)發(fā)展進(jìn)行剖析，對我國重型直升機(jī)研制目標(biāo)和規(guī)劃的確定具有一定的借鑒意義。

現(xiàn)役重型直升機(jī)現(xiàn)狀和技術(shù)特點(diǎn)

目前現(xiàn)役的重型直升機(jī)主要有美制CH-47系列、CH-53E系列、V-22和俄制米-26系列，累計裝備約1745架。

重型直升機(jī)可采用單旋翼帶尾槳式、縱列式、橫列式、共軸式、傾轉(zhuǎn)旋翼式和復(fù)合式等多種構(gòu)型。目前現(xiàn)役重型直升機(jī)仍以傳統(tǒng)常規(guī)的單旋翼帶尾槳式和縱列式布局為主，傾轉(zhuǎn)旋翼式技術(shù)成熟性較差，仍在發(fā)展中。現(xiàn)役典型的重型直升機(jī)的主要技術(shù)特點(diǎn)（見表2），三種構(gòu)型優(yōu)缺點(diǎn)對比分析（見表3）。

現(xiàn)役的重型直升機(jī)除V-22以外，大部分都是上世紀(jì)70年代研制的，在技術(shù)水平、壽命、保障、維護(hù)等方面均已相對落后，亟待更新。國外對重型直升機(jī)的發(fā)展非常重視，一方面利用現(xiàn)有成熟先進(jìn)技術(shù)對現(xiàn)役重型直升機(jī)進(jìn)行技術(shù)提升；另一方面，制定了系列發(fā)展計劃，近期發(fā)展計劃注重發(fā)展常規(guī)的構(gòu)型直升機(jī)技術(shù)，中遠(yuǎn)期計劃注重新構(gòu)型的概念設(shè)計和關(guān)鍵技術(shù)預(yù)研。

在研重型直升機(jī)的狀況

目前在研重型直升機(jī)有美國的CH-53K、 CH-47F，俄羅斯的米-26T2，它們都是在已有的機(jī)型進(jìn)行技術(shù)提升。

CH-53K重型直升機(jī)

CH-53E重型直升機(jī)使用壽命因伊拉克戰(zhàn)爭中高強(qiáng)度出勤而損耗嚴(yán)重，在2011年前后將進(jìn)入批量停飛退役階段，因此2006年4月，美國海軍同西科斯基公司簽署了總額約30億美元的海軍陸戰(zhàn)隊下一代重型運(yùn)輸直升機(jī)CH-53K研制合同。預(yù)計2015年開始總計156架的交付工作。

CH-53K設(shè)計上吸收了CH-53E在中東惡劣條件下事故頻發(fā)的教訓(xùn)，強(qiáng)調(diào)高溫（攝氏33℃）和較高海拔（1000米）作戰(zhàn)使用需求；其最大起飛重量38.4噸，較CH-53E提高5.3噸。主要的改進(jìn)包括：

發(fā)動機(jī)每臺功率提升至4500～4900千瓦，提升傳動裝置的功率，采用第四代下反角槳尖的高效旋翼系統(tǒng)，采用全復(fù)合材料機(jī)體結(jié)構(gòu)，有效提升飛行性能；采用彈性軸承槳轂和傳動系統(tǒng)的單元體設(shè)計，易于維護(hù)；采用多余度電傳飛控系統(tǒng)，改善飛行品質(zhì)；采用抗彈擊的槳葉、槳轂，提高生存率；聯(lián)合互操作的“玻璃化駕駛艙”，提高了人機(jī)功效；加大的貨艙尺寸和預(yù)置的地板滾道，便于標(biāo)準(zhǔn)集裝箱運(yùn)輸。

CH-47F改進(jìn)型貨運(yùn)直升機(jī)

為解決美軍CH-47D直升機(jī)機(jī)隊老化、運(yùn)輸性能衰減，缺乏與地面協(xié)同一體的信息化設(shè)備、維護(hù)工時和成本不斷上升等一系列問題，2006年底美國陸軍啟動了CH-47F“改進(jìn)型貨運(yùn)直升機(jī)”研制計劃，第一期總額15億美元計劃采購66架CH-47F，其中38架新研，28架由現(xiàn)役的CH-47D改進(jìn)升級。預(yù)計至2022年，美國陸軍計劃裝備452架CH-47F，部分CH-47F直升機(jī)總壽命將達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的71年。

研制的核心目標(biāo)：降低使用保障費(fèi)用，提升直升機(jī)的可靠性、可用性和維修性，實(shí)現(xiàn)通信和導(dǎo)航設(shè)備與美軍數(shù)字化戰(zhàn)場設(shè)備兼容。

為達(dá)成該目標(biāo)，CH-47D直升機(jī)近95%的部件和系統(tǒng)均需新研或改進(jìn)，主要改進(jìn)內(nèi)容有：機(jī)身結(jié)構(gòu)升級，降低維護(hù)需求并延長使用壽命；改善振動水平，改善駕乘舒適性、延長動部件和機(jī)體疲勞壽命從而降低使用保障費(fèi)用；航電系統(tǒng)升級，升級的機(jī)載設(shè)備可實(shí)現(xiàn)與美軍旅/營和以下單位互操作的能力；換裝先進(jìn)的數(shù)字式飛控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)夜間小速度或懸停、小速度機(jī)動飛行能力；發(fā)動機(jī)升級，換裝霍尼韋爾公司的T55-L-714A發(fā)動機(jī)，起飛和最大連續(xù)功率均提高近30%、油耗降低5%；旋翼系統(tǒng)升級，換裝全復(fù)合材料旋翼系統(tǒng)和帶彈性軸承的槳轂，提高氣動性能，改善使用維護(hù)性；對槳尖構(gòu)型進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步提升旋翼性能。

米-26T2重型直升機(jī)

米-26直升機(jī)體積龐大，駕駛復(fù)雜，完成飛行任務(wù)需要5人協(xié)同配合，它的駕駛艙也是世界最大的直升機(jī)駕駛艙。由于米-26駕駛艙的標(biāo)示為俄文，對不懂俄文的機(jī)組人員來說頗為復(fù)雜，要有專門的適應(yīng)性訓(xùn)練。2006年初，俄羅斯羅斯托夫直升機(jī)制造公司開始考慮對駕駛系統(tǒng)和機(jī)載設(shè)備改進(jìn)， 2011年3月米-26現(xiàn)代化改進(jìn)型米-26T2運(yùn)輸直升機(jī)實(shí)現(xiàn)了首飛，預(yù)計2年后交付用戶。

該機(jī)的主要改進(jìn)內(nèi)容為：改進(jìn)座艙為具有新航電系統(tǒng)的玻璃座艙，5個多功能顯示屏可以顯示外部載荷的彩色圖像，一個新的自動駕駛儀和一個雙通道的導(dǎo)航系統(tǒng)。這些改進(jìn)將使該直升機(jī)能在全球工作，并且儀表飛行可滿足國際標(biāo)準(zhǔn)。機(jī)組乘員由5人減少到2人，加上一個外吊掛操作員，在夜間外部吊掛工作時，機(jī)組可以使用搜索燈和夜視鏡工作。

在升級航電系統(tǒng)外，該公司也考慮對發(fā)動機(jī)、旋翼系統(tǒng)、傳動進(jìn)行改進(jìn)，以提高該機(jī)的整體性能及使用能力。發(fā)動機(jī)升級為采用電調(diào)的D-136-2渦軸發(fā)動機(jī)，該發(fā)動機(jī)的最大應(yīng)急功率可達(dá)9187千瓦，可以在攝氏33℃以上高溫工作，最大起飛功率增加到8562千瓦；旋翼系統(tǒng)將采用新型的復(fù)合材料槳葉，槳轂采用彈性軸承；改進(jìn)主減，保證其能在更大的功率和高溫下使用。

國外重型直升機(jī)近期發(fā)展計劃

歐洲重型直升機(jī)計劃（HTH）

2004年歐洲直升機(jī)公司著手規(guī)劃重型直升機(jī)研制方案，稱作“重型運(yùn)輸直升機(jī)（HTH）”，主要用來填補(bǔ)CH-53G直升機(jī)和歐洲NH90直升機(jī)與A400M軍用運(yùn)輸機(jī)之間的空白。計劃2020年投入使用。按構(gòu)型不同形成兩種設(shè)計方案。

（1）單旋翼帶尾槳構(gòu)型

重型運(yùn)輸直升機(jī)（HTH）因整體尺寸和飛行性能與CH-53K相似，因此其旋翼、動力、傳動等系統(tǒng)均可采用CH-53K方案；機(jī)艙尺寸需重新設(shè)計；航電和飛行操縱系統(tǒng)采用NH-90直升機(jī)研制成果，大范圍使用復(fù)合材料，并利用在以前項目研制中取得的技術(shù)成果。也有消息稱歐直與俄羅斯直升機(jī)公司已接觸5年擬開展在米-26基礎(chǔ)上改進(jìn)合作。

（2）縱列式雙旋翼構(gòu)型

因歐洲偏重與低海拔高度作戰(zhàn)，因此認(rèn)為關(guān)鍵參數(shù)是最大內(nèi)載，而非最大外吊能力，因此縱列式直升機(jī)有其特有的優(yōu)勢。歐直與波音公司聯(lián)合，推出縱列式構(gòu)型方案參與競標(biāo)，該方案的最大起飛重量達(dá)33噸，最大飛行速度310千米/時，可在約7010米高度以274千米/時巡航飛行。波音和歐洲直升機(jī)可能將各自負(fù)責(zé)50%的工作，并盡量采用現(xiàn)有技術(shù)，預(yù)計2020年左右完成。

俄羅斯米-46重型直升機(jī)發(fā)展計劃

隨著2002年米-6最終退役和俄羅斯國內(nèi)外對大載重能力的直升機(jī)需求迅速增長，1990年米里莫斯科直升機(jī)公司開始運(yùn)載能力10～12噸級的米-46直升機(jī)論證工作。米-46在總體布局、主要裝配件和機(jī)載系統(tǒng)性能上都與米-26類似，可降低研制成本和風(fēng)險，換裝免維護(hù)的全復(fù)合材料槳葉和彈性軸承槳轂，改進(jìn)的飛行-導(dǎo)航系統(tǒng)，提高了單發(fā)失效時的安全性，降低油耗水平，簡化維護(hù)操作，改善裝/卸載操作的自由度。

國外重型直升機(jī)中遠(yuǎn)期發(fā)展計劃

目前國外已公布的重型直升機(jī)中遠(yuǎn)期發(fā)展計劃是美國陸軍開展的聯(lián)合重型旋翼機(jī)（JHL）研發(fā)計劃，其主要性能要求為：“貨艙空間能容納15.2米（長）×3.4米（寬）×2.8米（高）的集裝箱，能運(yùn)輸20噸貨物（如“未來作戰(zhàn)系統(tǒng)（FCS）”車輛）飛行350～500千米，自部署作戰(zhàn)半徑3900千米，懸停升限約3050米，能在無準(zhǔn)備的場地起降；在設(shè)計點(diǎn)海拔高度1220米，環(huán)境溫度攝氏35℃條件下，有效載荷13噸”。

聯(lián)合重載直升機(jī)目前處于概念研制階段，各制造商提供了多種設(shè)計方案，基本涵蓋了目前已知的垂直起落旋翼機(jī)各種構(gòu)型，其中5種方案獲得軍方資助，按速度劃分為三類：

第一類：296～370千米/時的有波音公司的“先進(jìn)縱列雙旋翼直升機(jī)（ARTH）”和西科斯基公司的“X2技術(shù)起重機(jī)（X2C）”。它們是在常規(guī)的縱列式雙旋翼和共軸式雙旋翼構(gòu)型技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展。

第二類：370～463千米/時的有西科斯基公司的“X2高速重型直升機(jī)（X2HS）”；它是在X2技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展，通過采用共軸“前行槳葉概念”（ABC）技術(shù)，在機(jī)身兩側(cè)加裝了涵道式的推力風(fēng)扇，提供直升機(jī)快速平飛的動力。

第三類：463～556千米/時的有貝爾-波音公司的“四旋翼傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)（QTR）”和卡曼公司的“最佳速度傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)（OSTR）”。它們是在V22傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展上，但在前者采用獨(dú)特的傳動技術(shù)，后者則發(fā)展了旋翼控制技術(shù)以及旋翼與機(jī)翼的匹配技術(shù)。

為突破傳統(tǒng)的單旋翼、縱列式、共軸式布局在速度、航程方面的限制，提升飛行性能、減低使用成本，國外新概念氣動布局不斷發(fā)展，其成果同樣在重型直升機(jī)研發(fā)上得以應(yīng)用，第二類和第三類的構(gòu)型方案均采用新概念布局。

結(jié)論與啟示

從國外重型直升機(jī)技術(shù)發(fā)展歷程可以得出以下結(jié)論：

1、重型直升機(jī)的技術(shù)發(fā)展與其他相對小噸位直升機(jī)的技術(shù)發(fā)展是密不可分的。一般來說，在小噸位直升機(jī)成熟技術(shù)通過適應(yīng)性改進(jìn)可以應(yīng)用到重型直升機(jī)上。但重型直升機(jī)由于尺寸大、重量大、旋翼轉(zhuǎn)速低、結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)復(fù)雜，又會帶來設(shè)計、制造、使用上新的技術(shù)問題，形成重型直升機(jī)自身的技術(shù)特點(diǎn)。掌握小噸位直升機(jī)技術(shù)僅是研發(fā)重型直升機(jī)必要條件。

2、考慮到研制周期、成本、技術(shù)風(fēng)險等多方面因素，目前研制的重型直升機(jī)仍以現(xiàn)有成熟的單旋翼帶尾槳和縱列式雙旋翼構(gòu)型為主。這兩種構(gòu)型的現(xiàn)役重型直升機(jī)采用的是上世紀(jì)70年代的第二代直升機(jī)技術(shù)，目前和近期研制重型直升機(jī)主要采用第三、四代直升機(jī)技術(shù)，其主要特征是：全復(fù)合材料槳葉和帶彈性軸承的球柔性槳轂、第三、四代發(fā)動機(jī)，先進(jìn)的傳動系統(tǒng)、大量使用先進(jìn)的復(fù)合材料、電傳操縱系統(tǒng)、“玻璃化駕駛艙”的綜合航電系統(tǒng)等。研制目標(biāo)是提升大型裝備的內(nèi)載和外吊掛運(yùn)輸能力，提升較高海拔高度下的高溫使用性能，改善操縱和機(jī)動性和維護(hù)保障性等。預(yù)計5年之后，新研重型直升機(jī)將逐步取代現(xiàn)役重型直升機(jī)，滿足今后30年左右使用需求。

3、對于同一個系列發(fā)展的重型直升機(jī)，最大起飛重量隨著用戶要求的任務(wù)載荷的提高而增加。以CH-53系列為例，CH-53A的最大起飛重量為19噸，CH-53E的最大起飛重量增加到33噸，至CH-53K其最大起飛重量則達(dá)到了38噸，高溫、高原運(yùn)載能力成倍增長。

4、發(fā)展新構(gòu)型，保留直升機(jī)的使用特點(diǎn)，又能提高速度、增大航程，是未來重型直升機(jī)的技術(shù)發(fā)展方向。以V22傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的和以X2復(fù)合推力直升機(jī)為代表等一些新構(gòu)型直升機(jī)技術(shù)逐步成熟，正在走向?qū)嵱谩ｎA(yù)計在10年之后，這兩種新構(gòu)型直升機(jī)將大量投入使用。

國外重型直升機(jī)技術(shù)發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，對我國發(fā)展重型直升機(jī)有借鑒和啟示的作用。

1、我國已成功研制AC313、AC312、AC311等直升機(jī)，技術(shù)上已達(dá)到第三代直升機(jī)的技術(shù)水平，這些直升機(jī)設(shè)計、試驗(yàn)、制造技術(shù)構(gòu)成我們發(fā)展重型直升機(jī)的基礎(chǔ)。我國的重型直升機(jī)應(yīng)優(yōu)先考慮采用常規(guī)的單旋翼帶尾槳構(gòu)型。

2、高原、高溫是我國的特殊國情，因此在重型直升機(jī)設(shè)計點(diǎn)的選擇上應(yīng)充分關(guān)注此問題，發(fā)動機(jī)、旋翼技術(shù)是解決這個問題的關(guān)鍵。

3、作為長遠(yuǎn)發(fā)展，我國應(yīng)發(fā)展時速在500千米左右的大裝載運(yùn)輸直升機(jī)，以解決目前常規(guī)直升機(jī)固有的運(yùn)輸效率不足問題。遵循直升機(jī)型號發(fā)展規(guī)律，必須經(jīng)歷概念研究、關(guān)鍵技術(shù)預(yù)研、原理樣機(jī)演示驗(yàn)證、背景機(jī)研究、型號研制等過程，應(yīng)早做謀劃，盡快實(shí)施。