旋翼創(chuàng)新升級(jí)推動(dòng)國(guó)產(chǎn)直升機(jī)跨越發(fā)展

■ 林志剛

旋翼創(chuàng)新升級(jí)推動(dòng)國(guó)產(chǎn)直升機(jī)跨越發(fā)展

■ 林志剛

我國(guó)直升機(jī)旋翼設(shè)計(jì)技術(shù)起步于上世紀(jì)六七十年代的直-5、直-6和直-7研制時(shí)期，發(fā)展于八十年代測(cè)仿的直-8金屬全鉸接式旋翼和參考樣機(jī)設(shè)計(jì)的直-11星形柔性旋翼研制，而真正形成能力則是通過(guò)直9復(fù)合材料旋翼反設(shè)計(jì)研究、25B旋翼原理樣機(jī)預(yù)先研究、直-10旋翼先期攻關(guān)與國(guó)際合作研制。在此基礎(chǔ)上，自主研制成功大型直升機(jī)先進(jìn)復(fù)合材料旋翼系統(tǒng)。

旋翼系統(tǒng)是直升機(jī)最具特色、最為關(guān)鍵的標(biāo)志性部件。直升機(jī)之所以不同于絕大部分固定翼飛機(jī)，能夠垂直起降，就是因?yàn)樗捎玫氖切硐到y(tǒng)。常規(guī)直升機(jī)旋翼系統(tǒng)一般采用單旋翼帶尾槳構(gòu)型，也有采用雙旋翼構(gòu)型，提供直升機(jī)前飛、側(cè)飛、后飛等各種飛行狀態(tài)所需的升力和操縱力。

旋翼由數(shù)片槳葉和槳轂構(gòu)成，槳葉連接在槳轂上，槳轂安裝在旋翼軸上，旋翼軸由發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。槳葉旋轉(zhuǎn)時(shí)與周?chē)諝庀嗷プ饔茫a(chǎn)生氣動(dòng)力。直升機(jī)對(duì)旋翼系統(tǒng)要求極為嚴(yán)苛，旋翼設(shè)計(jì)工作在行業(yè)內(nèi)被稱為“刀鋒上的行走”，每一項(xiàng)旋翼技術(shù)的進(jìn)步，都意味著直升機(jī)關(guān)鍵性技術(shù)的突破。縱觀世界各大直升機(jī)行業(yè)巨頭，均將旋翼技術(shù)視為核心機(jī)密，不惜花費(fèi)巨資進(jìn)行研究，旋翼技術(shù)水平也成為衡量直升機(jī)先進(jìn)程度的關(guān)鍵指標(biāo)之一。

我國(guó)直升機(jī)旋翼設(shè)計(jì)技術(shù)起步于上世紀(jì)六七十年代的直-5、直-6和直-7研制時(shí)期，發(fā)展于八十年代測(cè)仿的直-8金屬全鉸接式旋翼和參考樣機(jī)設(shè)計(jì)的直-11星形柔性旋翼研制，而真正形成能力則是通過(guò)直9復(fù)合材料旋翼反設(shè)計(jì)研究、25B旋翼原理樣機(jī)預(yù)先研究、直-10旋翼先期攻關(guān)與國(guó)際合作研制。在此基礎(chǔ)上，自主研制成功大型直升機(jī)先進(jìn)復(fù)合材料旋翼系統(tǒng)。

當(dāng)前，我國(guó)已經(jīng)大量裝備了以直-10為代表的第三代技術(shù)水平的直升機(jī)，國(guó)產(chǎn)民用直升機(jī)AC313、AC311A等已具備較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，形成了“探索一代、預(yù)研一代、研制一代、生產(chǎn)一代”的合理格局和“一機(jī)多型、系列發(fā)展、軍民互動(dòng)”的良好態(tài)勢(shì)。我國(guó)直升機(jī)型號(hào)之所以能夠快速實(shí)現(xiàn)升級(jí)換代、跨越發(fā)展，其重要原因首先就是得益于旋翼技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步。

創(chuàng)新發(fā)展球柔性旋翼，促進(jìn)軍民機(jī)展翼藍(lán)天

球柔性旋翼構(gòu)型研究是我國(guó)直升機(jī)旋翼技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵一環(huán)，相具有比星形柔性槳轂更加結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠、使用壽命更長(zhǎng)等特點(diǎn)，是當(dāng)代世界先進(jìn)直升機(jī)旋翼系統(tǒng)的主流，適用于大小噸位和不同任務(wù)的各型直升機(jī)。但是，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的背后是高強(qiáng)度長(zhǎng)壽命槳轂設(shè)計(jì)、大載荷金屬/橡膠疊層復(fù)合彈性元件研制和更加復(fù)雜的氣動(dòng)和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)等難題。

“八五”期間，為盡快縮短與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)水平的差距，實(shí)現(xiàn)旋翼技術(shù)跨越發(fā)展，直升機(jī)所瞄準(zhǔn)國(guó)際發(fā)展趨勢(shì)，決定把國(guó)際上最為先進(jìn)的、僅有歐美掌握的球柔性旋翼技術(shù)作為著力點(diǎn)。利用專項(xiàng)預(yù)研和直10預(yù)先發(fā)展——旋翼技術(shù)先期攻關(guān)研究課題，啟動(dòng)了以球柔性旋翼為代表的“25B”旋翼原理樣機(jī)研究工作。

這項(xiàng)任務(wù)是對(duì)直升機(jī)所整體技術(shù)能力的艱巨挑戰(zhàn)。然而，盡管艱難險(xiǎn)阻重重，按照參研人員的話說(shuō)是“幾乎掉了一層皮”，歷經(jīng)近十年的攻關(guān)，我國(guó)第一幅完全自主研制的先進(jìn)球柔性旋翼系統(tǒng)，擁有包括翼型、國(guó)產(chǎn)復(fù)合材料槳葉、鈦合金槳轂和彈性軸承、粘彈阻尼器等諸多創(chuàng)新在內(nèi)的旋翼原理樣機(jī)，于1999年12月底實(shí)現(xiàn)了首飛，并于2001年完成了在直11直升機(jī)上的飛行演示驗(yàn)證。

歐洲的A-129、EC155、NH-90、EH101和美國(guó)的S-92等具備代表意義的新研直升機(jī)，包括直-10對(duì)外合作的方案，全都采用球柔性旋翼系統(tǒng)。因此，這一成果不僅標(biāo)志著我國(guó)掌握了先進(jìn)球柔性旋翼技術(shù)，使我國(guó)跨入世界先進(jìn)旋翼技術(shù)的行列，而且與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)水平的差距縮短了近30年，榮獲國(guó)防科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。

有了完全立足國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)、材料、工藝與試驗(yàn)技術(shù)研制的“25B”旋翼原理樣機(jī)形成經(jīng)驗(yàn)和基礎(chǔ)，加上國(guó)際合作的技術(shù)沉淀，特別是對(duì)國(guó)外技術(shù)和工程經(jīng)驗(yàn)的消化吸收，極大增強(qiáng)了直升機(jī)所在新型號(hào)上自主研發(fā)球柔性旋翼系統(tǒng)的信心。在13噸級(jí)大型直升機(jī)直8平臺(tái)的升級(jí)換代和直10旋翼系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化項(xiàng)目中，研制的球柔性旋翼系統(tǒng)相繼獲得了成功。以此為基礎(chǔ)，采用球柔性旋翼系統(tǒng)的AC313、AC311等民用直升機(jī)也相繼取得適航證。球柔性旋翼具有的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)性好、單元體設(shè)計(jì)、重量輕等優(yōu)點(diǎn)再次得到了發(fā)揮，成為國(guó)產(chǎn)直升機(jī)的當(dāng)家花旦！

挑戰(zhàn)無(wú)鉸無(wú)軸承旋翼，二十年礪劍出鞘

通過(guò)幾代中航直升機(jī)人的不懈努力，直升機(jī)所已經(jīng)吃透了球柔性旋翼技術(shù)，并一直朝著發(fā)展更先進(jìn)的旋翼技術(shù)邁進(jìn)。特別是在“十二五”期間，無(wú)鉸/無(wú)軸承旋翼技術(shù)、主動(dòng)揮舞控制（ACF）智能旋翼技術(shù)、傾轉(zhuǎn)旋翼技術(shù)等取得了重大進(jìn)展。

在直升機(jī)領(lǐng)域，無(wú)軸承旋翼作為常規(guī)構(gòu)型直升機(jī)旋翼技術(shù)先進(jìn)水平的代表，散發(fā)著令直升機(jī)設(shè)計(jì)者癡迷的獨(dú)特魅力。無(wú)軸承旋翼通過(guò)復(fù)合材料柔性梁的彈性變形取代傳統(tǒng)旋翼槳轂的水平鉸、垂直鉸和軸向鉸，實(shí)現(xiàn)槳葉的揮舞、擺振和變距運(yùn)動(dòng)。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、零件數(shù)目少、重量輕，又具有操縱功效高、敏捷性好、可靠性高、維護(hù)簡(jiǎn)單、較低的全壽命周期成本等優(yōu)點(diǎn)，因此，無(wú)軸承旋翼正逐步成為先進(jìn)直升機(jī)，尤其是中小型武裝直升機(jī)的旋翼首選構(gòu)型。

相比國(guó)外，國(guó)內(nèi)在無(wú)軸承旋翼技術(shù)的研究方面起步較晚。“九五”期間，直升機(jī)所通過(guò)預(yù)研工作，初步進(jìn)行了無(wú)軸承尾槳變截面、大變形柔性梁元件的剛度特性研究。“十五”期間進(jìn)行了無(wú)軸承尾槳的全面技術(shù)攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)軸承尾槳的國(guó)產(chǎn)化研制，到“十一五”期間進(jìn)行了前期的無(wú)軸承旋翼技術(shù)的基礎(chǔ)研究，“十二五”期間正式開(kāi)展了全尺寸旋翼的研制和裝機(jī)驗(yàn)證。

在型號(hào)上，直-10尾槳采用了“剪刀”式無(wú)軸承結(jié)構(gòu)，兩對(duì)尾槳葉通過(guò)法蘭盤(pán)連接在一塊，再與尾軸相連。在對(duì)外合作、消化的基礎(chǔ)上，2010年實(shí)現(xiàn)了無(wú)軸承尾槳的國(guó)產(chǎn)化。盡管尾槳遠(yuǎn)不如旋翼復(fù)雜，國(guó)產(chǎn)化研制中也遇到了許多難題，但為無(wú)軸承旋翼技術(shù)的發(fā)展提供了有力的支持。

2015年5月，歷經(jīng)近10年的探索研究、攻堅(jiān)破難，我國(guó)第一幅無(wú)軸承旋翼實(shí)現(xiàn)裝直-11驗(yàn)證機(jī)首飛成功，標(biāo)志著直升機(jī)所在國(guó)家“863”項(xiàng)目----先進(jìn)直升機(jī)技術(shù)研究課題任務(wù)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，完成了無(wú)軸承旋翼的裝機(jī)考核，無(wú)軸承旋翼技術(shù)獲得創(chuàng)新突破。研制過(guò)程中，先后進(jìn)行了無(wú)軸承縮比模型的風(fēng)洞試驗(yàn)、全尺寸旋翼實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、旋翼塔試驗(yàn)、裝機(jī)地面試驗(yàn)等，實(shí)現(xiàn)裝機(jī)懸停飛行驗(yàn)證，為后續(xù)開(kāi)展飛行演示驗(yàn)證奠定了基礎(chǔ)。

在無(wú)軸承旋翼取得新突破的同時(shí)，無(wú)鉸旋翼技術(shù)也得到長(zhǎng)足發(fā)展。無(wú)鉸旋翼的特點(diǎn)是取消了揮舞鉸和擺振鉸，保留變距鉸，使得它相對(duì)于鉸接式旋翼來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，零件數(shù)目大為減少，重量輕，可靠性高，維護(hù)簡(jiǎn)單，具有很低的全壽命周期成本。新型無(wú)鉸旋翼同樣是第四代直升機(jī)旋翼系統(tǒng)的典型代表，同樣適合武裝直升機(jī)對(duì)高機(jī)動(dòng)性、高敏捷性的要求，為了突破新型無(wú)鉸旋翼關(guān)鍵技術(shù)，直升機(jī)所歷經(jīng)十年的技術(shù)積累，緊扣未來(lái)型號(hào)需求，建立了專業(yè)研發(fā)團(tuán)隊(duì)，著力發(fā)展先進(jìn)的新型無(wú)鉸旋翼技術(shù)。首先，對(duì)新型無(wú)鉸旋翼的總體方案設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入研究，初步摸清了如何確定新型無(wú)鉸旋翼的總體參數(shù)和動(dòng)力學(xué)特性參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)施了旋翼總體設(shè)計(jì)、動(dòng)力學(xué)特性分析和關(guān)鍵構(gòu)件設(shè)計(jì)。“十二五”期間，研發(fā)團(tuán)隊(duì)完成了無(wú)鉸旋翼原理樣機(jī)的槳轂和槳葉根段設(shè)計(jì)，開(kāi)展典型構(gòu)件試驗(yàn)驗(yàn)證，基本掌握了新型無(wú)鉸旋翼總體構(gòu)型設(shè)計(jì)技術(shù)，突破了新型無(wú)鉸旋翼的設(shè)計(jì)、制造和試驗(yàn)等關(guān)鍵技術(shù)，為未來(lái)新型號(hào)無(wú)鉸旋翼研制奠定了基礎(chǔ)。

新型無(wú)軸承和無(wú)鉸旋翼技術(shù)是常規(guī)直升機(jī)劃代的重要標(biāo)識(shí)，其關(guān)鍵技術(shù)的突破，使國(guó)產(chǎn)直升機(jī)旋翼技術(shù)朝著世界先進(jìn)水平又邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。同時(shí)，先進(jìn)旋翼技術(shù)的應(yīng)用又將進(jìn)一步提升型號(hào)技戰(zhàn)術(shù)性能和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，并直接拉動(dòng)國(guó)產(chǎn)直升機(jī)的快速發(fā)展。

發(fā)展新型先進(jìn)旋翼技術(shù)，大步走向未來(lái)

2016年3月，直升機(jī)所“基于ACF的智能旋翼懸停試驗(yàn)”宣告完成。這是國(guó)內(nèi)首次四米智能旋翼的主動(dòng)控制試驗(yàn)，也是國(guó)內(nèi)轉(zhuǎn)速最快、最接近真機(jī)使用情況的智能旋翼試驗(yàn)。通過(guò)此次試驗(yàn)，技術(shù)人員建立了多種控制條件下不同工況的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為摸清旋翼主動(dòng)控制與減振規(guī)律奠定了基礎(chǔ)，掌握了智能旋翼研究中的一整套研發(fā)流程和關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)孕育了推動(dòng)后續(xù)發(fā)展的新項(xiàng)目，為推進(jìn)第五代智能旋翼的發(fā)展奠定基礎(chǔ)，這意味著，直升機(jī)所科研人員已經(jīng)開(kāi)啟了實(shí)現(xiàn)我國(guó)直升機(jī)旋翼智能化、綠色化的新路，直升機(jī)旋翼全新的未來(lái)，即將來(lái)到。

課題組由直升機(jī)所“胡和平班組”抓總，試驗(yàn)設(shè)備安裝了旋翼操縱控制、動(dòng)力系統(tǒng)控制、旋翼測(cè)控系統(tǒng)，還增加了內(nèi)置旋翼槳葉驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與后緣小翼主動(dòng)控制機(jī)構(gòu)，解決了調(diào)試、同步觸發(fā)、控制等諸多難題。智能旋翼是傳統(tǒng)直升機(jī)旋翼同現(xiàn)代控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，其旋翼槳葉能夠識(shí)別外界信息，槳葉可根據(jù)獲得的信息自行調(diào)整自身狀態(tài)，從而使旋翼能夠減振、降噪，如此一來(lái)，直升機(jī)的舒適性將大幅度提升。目前，歐洲空直公司研發(fā)的新一代智能旋翼系統(tǒng)“Blue Pulse”已經(jīng)完成了在H145上的裝機(jī)驗(yàn)證，并將應(yīng)用于H160直升機(jī)上。“胡和平班組”的研發(fā)成果顯示，直升機(jī)所正迎頭趕上世界的最新發(fā)展潮流。

此外，直升機(jī)所還在旋翼防除冰、自動(dòng)折疊等技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重大突破，打破了歐美技術(shù)壟斷。以高速飛行為標(biāo)志、作為五代直升機(jī)特征的共軸剛性雙旋翼首次懸停試驗(yàn)獲得成功，新構(gòu)型旋翼技術(shù)發(fā)展方興未艾。

在十一屆珠海航展上，直升機(jī)所以超前的思維，創(chuàng)新展示了磁懸浮旋翼飛行器和“短尾隼”橫列式高速直升機(jī)原理驗(yàn)證機(jī)2款新概念旋翼機(jī)。這些新構(gòu)型的直升機(jī)承載著研發(fā)人員突破直升機(jī)瓶頸的設(shè)想，他們希望能研制出一種航空器，既有直升機(jī)獨(dú)特的各種近地面機(jī)動(dòng)能力，又具有常規(guī)固定翼飛機(jī)的高速度、大航程。也許不用多久，科幻大片中的那些酷炫飛行器就將從你的全世界飛過(guò)。

（作者單位：中航工業(yè)直升機(jī)所）