最優(yōu)轉(zhuǎn)速旋翼直升機(jī)關(guān)鍵技術(shù)分析

徐明，李黔，李建波

1.中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001

2.南京航空航天大學(xué) 旋翼動力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 220016

從1939年美國西科斯基公司制造出第一架真正的直升機(jī)到今天，直升機(jī)技術(shù)已經(jīng)得到了長足的發(fā)展，直升機(jī)在運(yùn)輸、救護(hù)、旅游、巡邏、通信、偵察、對地攻擊等領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。作為20世紀(jì)航空技術(shù)極具特色的創(chuàng)造，直升機(jī)極大地拓寬了飛行器的應(yīng)用范圍，但隨著飛行任務(wù)的不斷拓展，常規(guī)直升機(jī)也暴露出了一些特有的局限性，尤其是航時較短。基于此原因，提出了最優(yōu)轉(zhuǎn)速旋翼（Optimum Speed Rotor，OSR）直升機(jī)概念。OSR直升機(jī)可以根據(jù)飛行狀態(tài)改變旋翼轉(zhuǎn)速，降低需用功率與耗油，從而提高航時性能。如果發(fā)展成長航時無人直升機(jī)，可用于執(zhí)行偵察監(jiān)視任務(wù)。與偵察衛(wèi)星相比，OSR直升機(jī)的成本較低，通常只是衛(wèi)星成本的幾十分之一[1]，并且在執(zhí)行任務(wù)過程中，可以根據(jù)作戰(zhàn)需要在指定區(qū)域進(jìn)行持續(xù)的監(jiān)視。另外飛行高度遠(yuǎn)低于衛(wèi)星，因此觀察地面目標(biāo)的分辨率較高；與長航時固定翼飛機(jī)相比，OSR直升機(jī)對起降條件要求不高，特別適合作為海軍艦載機(jī)執(zhí)行偵察與反潛等任務(wù)。因此，OSR直升機(jī)是未來直升機(jī)裝備平臺的一個重要發(fā)展方向[2]。

1 OSR直升機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

OSR直升機(jī)的典型代表就是美國波音公司的A160“蜂鳥”無人直升機(jī)[3，4]。表1給出了A160的主要參數(shù)。該直升機(jī)在2007年9月進(jìn)行了負(fù)載試驗(yàn)，在負(fù)載454kg的條件下，飛行高度達(dá)到了1524m，飛行時間達(dá)到了8h；在負(fù)載225kg條件下，飛行時間達(dá)到了12h；2008年，A160又進(jìn)行了一次飛行試驗(yàn)，連續(xù)飛行時間達(dá)到18.7h，并且著陸時余油還可飛行90min。A160無人直升機(jī)的成功試飛，為后續(xù)的OSR直升機(jī)研制奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。A160無人直升機(jī)由于系統(tǒng)故障，在2005年、2007年、2010年共發(fā)生過三次墜毀事故，這也標(biāo)志著OSR直升機(jī)的研制還面臨著一些關(guān)鍵技術(shù)需要解決，技術(shù)成熟度還有待提高。

表1 A160無人直升機(jī)主要參數(shù)Table 1 The parameters of A160

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 空機(jī)重量分配與減重技術(shù)

降低空機(jī)重量是直升機(jī)實(shí)現(xiàn)長航時飛行的必要條件之一。降低空機(jī)重量，可以增加燃油量或者有效載荷。降低直升機(jī)的空機(jī)重量，首先是降低結(jié)構(gòu)重量。因此如何優(yōu)化設(shè)計(jì)機(jī)身結(jié)構(gòu)，選取輕質(zhì)化結(jié)構(gòu)材料，在滿足必要的功能和強(qiáng)度前提下，使機(jī)身結(jié)構(gòu)重量最輕，是OSR直升機(jī)設(shè)計(jì)必須解決的技術(shù)問題；其次是要根據(jù)使用需求與特點(diǎn)，優(yōu)化系統(tǒng)與設(shè)備配置，以減輕重量。例如，OSR直升機(jī)具有超長的滯空時間，超出了人的生理承受極限，一般以無人飛行為主，因此可以取消機(jī)組人員及其配套設(shè)備。A160無人直升機(jī)的重量效率達(dá)到了65%，燃油重量達(dá)到了起飛重量的50%，相比之下，常規(guī)直升機(jī)的重量效率在50%左右，燃油量只占起飛重量的20%~30%，因此降低空機(jī)重量，增加燃油裝載量是A160直升機(jī)能夠完成18h飛行的基礎(chǔ)。

2.2 OSR技術(shù)

OSR技術(shù)[5]可以根據(jù)載荷及前飛速度的大小調(diào)整轉(zhuǎn)速，使得旋翼氣動效率最優(yōu)，達(dá)到提高槳葉升力系數(shù)、降低需用功率、燃油消耗與噪聲的目的。Karem 在專利文件中分析OSR技術(shù)的實(shí)際效果時發(fā)現(xiàn)：當(dāng)起飛重量為635kg（1400lb）時，采用OSR技術(shù)可以降低60%~70%的需用功率。A160無人直升機(jī)旋翼轉(zhuǎn)速最大變化50%，飛行時間延長了20%。

OSR直升機(jī)在飛行過程中隨著燃油的消耗，重量變化較大，因此可以采用OSR技術(shù)，根據(jù)飛行狀態(tài)的變化，合理地改變旋翼轉(zhuǎn)速，使旋翼效率達(dá)到最高狀態(tài)。但是OSR技術(shù)也會帶來新的問題，包括為了實(shí)現(xiàn)旋翼轉(zhuǎn)速的變化，需要對傳動系統(tǒng)或發(fā)動機(jī)的電調(diào)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)；另外由于旋翼轉(zhuǎn)速有一個變化范圍，可能會面臨旋翼共振等動力學(xué)問題。

2.2.1 多級減速比傳動系統(tǒng)

旋翼轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)技術(shù)是影響OSR直升機(jī)發(fā)展的重要關(guān)鍵技術(shù)。調(diào)節(jié)旋翼轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)旋翼轉(zhuǎn)速可控、可變的一種方法是采用具備多級或者無級傳動比減速器。但是多級或者無級傳動比減速器的重量比常規(guī)減速器高出很多，這將會嚴(yán)重影響OSR技術(shù)對直升機(jī)性能提升的效果。圖1為一種二級傳動比變速箱。

2.2.2 變轉(zhuǎn)速渦軸發(fā)動機(jī)

調(diào)節(jié)旋翼轉(zhuǎn)速的另外一個方式就是采用自由渦軸發(fā)動機(jī)，在保證發(fā)動機(jī)可靠、不影響飛行安全的前提下，通過控制自由轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)旋翼轉(zhuǎn)速的變化。但當(dāng)渦軸發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速偏離最佳工況點(diǎn)時，發(fā)動機(jī)的可用功率將會下降，耗油率將會上升，最終也會限制OSR直升機(jī)的性能，因此需要對發(fā)動機(jī)的電調(diào)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，拓寬發(fā)動機(jī)的工作轉(zhuǎn)速范圍，保證發(fā)動機(jī)在較大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都具有較好的性能輸出。

圖1 一種二級傳動比變速箱[6]Fig.1 A two-speed drive gearbox[6]

2.2.3 剛性旋翼設(shè)計(jì)及振動控制

OSR直升機(jī)為了彌補(bǔ)較低的旋翼轉(zhuǎn)速時帶來的操縱功效不足問題，以及為了減少槳葉揮舞角，延緩失速的產(chǎn)生，需提高旋翼槳葉揮舞和擺振方向上的支撐剛度，形成剛性旋翼。而這種設(shè)計(jì)將會導(dǎo)致傳遞到槳轂與機(jī)體上的力矩增大，使得機(jī)身承受了較大的交變載荷。另外，OSR直升機(jī)在不同的飛行狀態(tài)下會有不同的最優(yōu)旋翼轉(zhuǎn)速，從滿載負(fù)荷到空機(jī)飛行，從懸停小速度到大速度飛行，最優(yōu)轉(zhuǎn)速旋翼直升機(jī)的最優(yōu)旋翼轉(zhuǎn)速變化范圍較大，旋翼可能出現(xiàn)共振問題。因此，需要從旋翼動力學(xué)角度出發(fā)，開展旋翼氣彈穩(wěn)定性與振動載荷抑制研究，消除旋翼共振。

2.3 氣動設(shè)計(jì)技術(shù)

氣動設(shè)計(jì)包括兩個方面，一個是機(jī)身與槳轂的減阻設(shè)計(jì)，另一個就是旋翼槳葉氣動外形，提高旋翼氣動效率。機(jī)身和槳轂產(chǎn)生了整機(jī)50%以上的廢阻[7]，因此降低機(jī)身和槳轂廢阻是另一個降低油耗的有效途徑。A160無人直升機(jī)通過優(yōu)化機(jī)身內(nèi)部設(shè)備布置，減小機(jī)身橫截面積，使得機(jī)身外形區(qū)別于常規(guī)直升機(jī)機(jī)身，類似與固定翼的流線型機(jī)身[7]，很好地降低了機(jī)身廢阻。而槳轂減阻主要是通過降低槳轂位置，增加整流罩來實(shí)現(xiàn)。旋翼是直升機(jī)的升力面和操縱面，也是直升機(jī)的主要能量消耗部件，如何在保證必要的升力和良好的飛行穩(wěn)定性的同時，降低旋翼的能耗，是研制OSR直升機(jī)的重要關(guān)鍵技術(shù)。長航時直升機(jī)飛行時間長，飛行過程中重量變化較大，可以通過選取不同的狀態(tài)點(diǎn)，對旋翼槳葉翼型、扭轉(zhuǎn)角與弦長的展向分布進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以保證在不同的飛行狀態(tài)下，旋翼都具有較高的氣動效率，延長直升機(jī)飛行時間。

2.4 可靠性設(shè)計(jì)

可靠性設(shè)計(jì)是決定直升機(jī)效能的重要因素，也是影響最優(yōu)轉(zhuǎn)速旋翼直升機(jī)出勤率與生存率的一個重要指標(biāo)，在系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)中必須充分考慮到可靠性問題。OSR直升機(jī)的可靠性包括航電、遠(yuǎn)程控制與通信等系統(tǒng)的可靠性，而OSR直升機(jī)滯空時間較長，航程遠(yuǎn)，對這些系統(tǒng)都提出了較高的可靠性要求。另外考慮到機(jī)載設(shè)備的能源消耗，在設(shè)計(jì)過程中將會嚴(yán)格限制OSR直升機(jī)機(jī)載設(shè)備的余度，因此對OSR直升機(jī)設(shè)計(jì)而言，面臨著為了降低空機(jī)重量與能耗，在嚴(yán)格限制機(jī)載設(shè)備余度的情況下，對可靠性提出了很高要求的情況，而OSR直升機(jī)的可靠性設(shè)計(jì)就是在直升機(jī)性能、費(fèi)用、作戰(zhàn)效能等各方面之間綜合權(quán)衡，從而得到滿足使用要求的可靠性指標(biāo)。

2.5 總體綜合設(shè)計(jì)技術(shù)

長航時直升機(jī)可以理解為載油量大的低能耗直升機(jī)，增加載油量、降低能耗是直升機(jī)實(shí)現(xiàn)長航時飛行的重要前提，為了實(shí)現(xiàn)這一綜合指標(biāo)，需要在氣動、結(jié)構(gòu)、材料、可靠性等單項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行突破的同時，總體綜合設(shè)計(jì)技術(shù)也顯得尤為重要。首先是需要對OSR直升機(jī)的應(yīng)用需求和使用要求進(jìn)行定位，明確它的飛行性能、飛行品質(zhì)、機(jī)動性能，可靠性指標(biāo)為OSR直升機(jī)的總體參數(shù)選擇確定頂層的目標(biāo)，也為氣動與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定輸入[8]。其次是各個單項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)之間也會存在相互沖突的情況（如圖2所示），因此在應(yīng)用需求的頂層要求下，總體綜合設(shè)計(jì)技術(shù)需要協(xié)調(diào)重量控制與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求、可靠性要求，機(jī)艙內(nèi)部空間要求與機(jī)身減阻之間的關(guān)系，以及分析最優(yōu)轉(zhuǎn)速旋翼技術(shù)的效益等，確定最終的總體與分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

圖2 關(guān)鍵技術(shù)系統(tǒng)框圖Fig.2 Logic chart of key technology

3 關(guān)鍵技術(shù)重要度對比

為了進(jìn)一步分析各個關(guān)鍵技術(shù)對OSR直升機(jī)影響的重要度，本文以某型國產(chǎn)兩噸級直升機(jī)為分析對象，通過采用空機(jī)重量分配與減重技術(shù)、OSR技術(shù)、氣動適應(yīng)性設(shè)計(jì)、可靠性適應(yīng)性設(shè)計(jì)以及總體綜合設(shè)計(jì)技術(shù)，將其進(jìn)行OSR直升機(jī)的改裝，并且計(jì)算改裝后的航時，計(jì)算結(jié)果見表2。從表2中可以看出，該型直升機(jī)通過改裝之后，可以將航時從原來的3.7h提高到10~11h，其中降低空機(jī)重量，增加燃油量，采用OSR技術(shù)發(fā)揮主導(dǎo)作用，這兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)就可以增加航時6~7h，氣動設(shè)計(jì)與總體綜合設(shè)計(jì)對航時的提升幅度較小，而為了滿足OSR直升機(jī)的可靠性要求，勢必會增加機(jī)載設(shè)備的重量，進(jìn)而會折損航時0.7h。

表2 各關(guān)鍵技術(shù)對航時的影響Table 2 Influence of key technology on flight endurance

4 結(jié)束語

通過分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）控制空機(jī)重量對增加OSR直升機(jī)航時的影響最大，不僅可以增加燃油攜帶量，還能提升采用OSR技術(shù)的效果；而OSR技術(shù)則是影響整個直升機(jī)的關(guān)鍵核心，包括變轉(zhuǎn)速傳動（或變轉(zhuǎn)速動力）、剛性旋翼等技術(shù)還需要進(jìn)一步開展研究。

（2）OSR直升機(jī)是一個系統(tǒng)工程，不僅包括直升機(jī)平臺的結(jié)構(gòu)減重設(shè)計(jì)與總體氣動設(shè)計(jì)，同時也對動力系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制技術(shù)提出了很高的要求。目前A160無人直升機(jī)采用的普惠公司PW207渦軸發(fā)動機(jī)[9]，該發(fā)動機(jī)的耗油率僅為0.329kg/（kW·h），而國產(chǎn)同級別的渦軸8F的耗油率達(dá)到了0.385kg/（kW·h），較高的油耗會直接影響直升機(jī)的航時性能；而最優(yōu)轉(zhuǎn)速旋翼直升機(jī)長航時飛行帶來的超遠(yuǎn)距離通信與控制技術(shù)也是一個技術(shù)難點(diǎn)，相關(guān)技術(shù)成熟度有待進(jìn)一步提升。

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