基于文獻計量的高速直升機技術監測分析

范文靜

（中國直升機設計研究所，江西景德鎮 333000）

0. 引言

直升機是利用旋翼提供升力、推進力和操縱力的飛行器，以其具有垂直起降、定點懸停以及能夠進行全方位的快速機動等獨特優點而備受矚目，并已經在現代戰爭和人們日常生活中得到了廣泛應用。由于傳統單旋翼帶尾槳式直升機旋翼氣動構型的限制以及前飛時旋翼產生的大部分力仍要作升力來抵消自身重力，使得常規構型直升機的飛行速度和載重量遠遠低于固定翼飛機。常規構型直升機的前飛速度最高不超過350km/h[1]，極大地制約了直升機的應用和發展。世界各國一直在探索突破直升機速度限制的新構型和新概念，經歷幾十年的發展已經取得了矚目的研究成果，發展出S-97，RACER等以400km/h以上前行速度為典型特征的高速直升機[2]。高速直升機技術已經成為新一代直升機裝備和產品的技術制高點，世界各國在相應領域的技術競爭也到達了白熱化階段。

對目前國外高速直升機技術信息進行技術監測，有助于了解國外高速直升機相關技術的發展動向，為我國高速直升機技術的發展提供重要參考。技術監測是一種有效的情報分析方法。技術監測是對過去、現在和未來的科學、技術、經濟和社會發展所進行的系統研究，以科學技術信息、數據分析為基礎，以數據挖掘、信息萃取、知識發現、信息可視化技術等信息科學前沿技術為手段，綜合集成各方面專家的戰略性智力，對科學技術活動進行動態監視、測量、分析及評估的方法[3]。技術監測是一個不斷發展的交叉學科領域，是在20世紀90年代的技術預測、技術評價、技術選擇、文獻計量學、科學計量學等理論方法和信息科學的基礎上發展而來的，可以為技術管理及決策提供動態、準確的科學技術發展狀態，從而把握技術機會，降低風險，提高效率。

信息計量學方法是技術監測中一種方便實現的方法，現在大量的技術信息是以電子文本的形式存在的，如專利、科技論文、科技報告等。利用這些電子文本的外在屬性，如標題、作者、所屬機構、出版時間等，采用文獻計量學、科學計量學和內容分析方法進行技術分析，即可獲得一些有價值情報，發現研究領域潛在技術熱點、技術前沿和技術機會，評估自身在領域內技術地位，預測可能的技術開發路徑[4]。

本文通過文獻計量法，對國外高速直升機技術進行技術監測分析，了解技術發展動向，為我國發展高速直升機技術提供參考。

1. 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

本文的數據來自谷歌學術搜素，谷歌學術搜索是一款在國際學術界占有較高威望、收藏豐富、權威性較高的國際網絡搜索引擎。收錄來自學術著作機構、專業性社團、各高等院校及其他學術組織的文章、論文、圖書和摘要等，專注領域偏向學術類，可以幫助用戶在學術領域中確定相關性較強的研究。

1.2 研究方法

本文使用文獻計量法進行分析研究。首先梳理出高速直升機的相關技術，以相關主題詞在谷歌學術搜索中檢索文獻。檢索的時間范圍為2000—2020年，其中每3年為一個年度區間，然后統計各相關技術文獻數量，匯總后進行監測分析，從而獲得相關技術的發展動向。

2. 技術發展分析

高速直升機按照飛行和操縱原理可以分為3類，即復合式、傾轉式和復合式。復合式高速直升機是在常規直升機基礎上，通過配置推進和升力裝置來增加飛行速度的直升機。復合式高速直升機兼具固定翼和直升機的優點，在低空性能和近地面機動能力不低于常規構型直升機的同時實現了較高的前飛速度。傾轉式高速直升機以“魚鷹”V-22直升機為代表，通過旋翼與螺旋槳之間的轉換，實現直升機模式的懸停、低速飛行和垂直飛行，螺旋槳飛機模式的高速前飛，兼顧低速與高速飛行[5]。停轉式高速直升機以直升機模式垂直起降，當達到一定速度后，旋翼停止轉動或收縮，變為飛機模式高速飛行。本文通過大量數據檢索、信息分類處理等工作對國外高速直升機相關技術進行全面的監測，從獲取的文獻監測數據中，獲取國際高速直升機技術發展動向。

2.1 文獻數據描述

根據查閱的高速直升機相關文獻，高速直升機大致分為復合式、傾轉式和停轉式3類。對于復合式直升機，早期的設計者們沒有對復合式高速直升機做出嚴格的定義，在常規直升機的基礎上附加升力和推力裝置的任意形式的直升機都被認為是復合式高速直升機。以吳希明[6]為代表的一些研究人員按旋翼類型將復合式直升機分為常規旋翼和ABC共軸式旋翼2種，南京航空航天大學的部分研究人員[7-8]按照復合方式將復合式高速直升機細分為推力復合式、升力復合式和完全復合式；傾轉式直升機分為傾轉旋翼和傾轉機翼；停轉式分為停轉旋翼和收縮旋翼。本文采用的是第二種分類方式，技術分類如圖1所示。

圖1 高速直升機分類

對高速直升機相關技術進行技術監測分析，首先在谷歌學術高級搜索中對一級和二級子技術相應的英文主題詞進行檢索，時間范圍從2000—2020年。共計檢索到文獻結果5271篇，與復合式高速直升機相關的文獻1927篇，其中與推力復合式相關的文獻556篇，與升力復合式相關的文獻627篇，與完全復合式相關的文獻744篇。與傾轉式高速直升機相關的文獻為3031篇，其中與傾轉旋翼和傾轉機翼相關的文獻分別為328篇和2703篇。與停轉式高速直升機相關的文獻為213篇，其中與停轉旋翼式相關的文獻237篇，與收縮旋翼式相關的文獻76篇。

搜索2000—2020年每3年間國外高速直升機相關技術研究的文獻數量，對它們進行對比，得到國外高速直升機在2000—2020年間變化趨勢圖，如圖2所示。

圖2 2000—2020年國外高速直升機相關技術文獻數量變化趨勢圖

由圖2可知，在這21年間，文獻數量呈逐漸增加趨勢，且在2003—2005年和2015—2017年間有較大增幅，增加趨勢明顯。

2.2 技術監測分析

通過谷歌學術搜索得到國外高速直升機技術相關文獻的數量，對高速直升機的復合式、傾轉式和停轉式3種技術進行監測分析，聚焦技術發展動向。

2.2.1 技術總體發展動向分析

在對復合式、傾轉式和停轉式高速直升機相關技術在2000—2020年間的相關文獻進行檢索后，得到相應的文獻數量占比圖和變化趨勢圖，如圖3和圖4所示。

圖3 2000—2020年國外高速直升機相關技術問文獻數量占比圖

圖4 3種高速直升機技術2000—2020年相關文獻數量變化趨勢圖

通過圖3可以發現研究熱點主要集中在傾轉式和復合式高速直升機技術上，研究的文獻占比達到94.1%，而對停轉式高速直升機研究的文獻占比僅有5.9%由圖4可知，在2000—2020年，傾轉式高速直升機技術的相關文獻數量呈明顯增長趨勢，復合式高速直升機技術相關文獻數量整體上呈快速增長趨勢。而停轉式高速直升機技術的相關文獻數量變化較為緩慢，在2003—2005年前較上個年份區間有較大變化，而后基本維持在50篇左右。結合圖3的分析，可知在高速直升機的3種類型中，傾轉式和復合式技術在過去21年中是研究熱點，發展顯著，而停轉式技術發展較為緩慢。

2.2.2 復合式高速直升機發展動向分析

復合式高速直升機相關技術主要包括推力復合式、升力復合式和完全復合式3種類型，搜索這3種技術在2000—2020年相關文獻數量，得到相應的文獻數量占比圖和變化趨勢圖，分別如圖5和圖6所示。

圖5 3種復合式高速直升機技術2000—2020年相關文獻占比圖

圖6 3種復合式高速直升機技術2000—2020年相關文獻數量變化趨勢圖

由圖5可知，推力式、升力式和完全式3種復合式高速直升機技術在2000—2020年文獻數量占比分別為28.9%、32.5%和38.6%，推力復合式文獻數量相對少一些，完全復合式文獻數量占比最多。由圖6可知，3種技術文獻數量在2000—2020年基本呈遞增趨勢，且增幅大致相同。

綜上所述，國外對于復合式高速直升機3種技術的研究在過去21年都保持有相當的熱度，與實際情況較為吻合。升力復合式構型解決了直升機因升力不夠而飛行速度受限的問題，但在飛行速度超過一定值時，旋翼所需的誘導功率急劇上升等因素，限制了直升機飛行速度進一步提高。推力復合式構型通過增加輔助推力裝置實現直升機高速飛行，但推力裝置在直升機懸停和低速巡航模式時不發揮作用，增加了直升機重量。完全復合式構型既增加輔助升力和輔助推力裝置，在提高直升機速度方面比前兩者效率更高，但也結合了二者的缺點。因此對于復合式高速直升機3種技術的研究在同步進行，研制出了X2、X3、S-97等多種復合式高速直升機。

2.2.3 傾轉式高速直升機技術發展動向分析

傾轉式高速直升機主要分為傾轉機翼和傾轉旋翼2種，2000—2020年間傾轉機翼和傾轉旋翼技術的相關文獻數量分別為328篇和2703篇，占比分別為10.8%和89.2%，2種技術相關文獻數量的變化趨勢如圖7所示。

圖7 傾轉機翼和傾轉旋翼技術2000—2020年間相關文獻數量變化趨勢圖

由圖7可知，傾轉機翼的相關文獻數量在2000—2014年間維持在每個區間30篇左右的水平，沒有明顯變化趨勢，而在2015—2020年增加到每個區間100篇左右，有較為明顯的增長。傾轉旋翼相關文獻在2000—2020年間則有明顯的增長趨勢，從2000—2002年的234篇增加到2018—2020年的500篇，有較大增幅。

綜合來看，在傾轉高速直升機方面，國外在近21年主要研究熱點是傾轉旋翼方向，且發展趨勢良好，而傾轉機翼研究文獻數量較少，但近些年也有加快發展的趨勢。這點符合實際情況，隨著V-22傾轉旋翼機進入使用，標志著傾轉旋翼技術發展成熟，并衍生出目前的V-280、“ERICA”等傾轉旋翼方案。而典型傾轉機翼類高速直升機是上世紀60年代的X-22傾轉翼飛機，后續則較少出現該類型高速直升機。

2.2.4 停轉式高速直升機

停轉式高速直升機主要分為停轉旋翼和收縮旋翼，2000—2020年停轉旋翼和收縮旋翼的相關文獻數量分別為237篇和76篇，占比分別為75.7%和24.3%，2種技術相關文獻數量的變化趨勢如圖8所示。

由圖8可知，停轉旋翼相關文獻數量在2003—2005年間相較于上個區間有較大增幅，但隨后進入波動狀態，沒有明顯變化趨勢。收縮旋翼相關文獻數量在2000—2020年變化趨勢與停轉旋翼大致相同，但整體數量較少。

圖8 停轉旋翼和收縮旋翼技術2000—2020年間相關文獻數量變化趨勢圖

由上述結果可以看出，國外停轉式高速直升機的研究熱點主要集中在停轉旋翼上，停轉旋翼構型有一副既可以高速旋轉作為旋翼，又可以鎖定作為固定翼的主旋翼，實例機型有S-72、X-50A等。收縮旋翼構型是利用帶有曲度的盤翼作為高速飛行的升力面，翼盤上裝有若干能伸出和收縮的槳葉，用來垂直起降和懸停，但由于盤翼的氣動性能有限，實現起來比較困難，因此相關研究較少。

3. 結論

通過對國外高速直升機相關技術開展基于文獻計量的技術監測分析，獲得了國外高速直升機4個方面的發展動向：（1）復合式和傾轉式高速直升機是當前高速直升機發展的熱點；（2）復合式高速直升機中的3種構型都是當前發展的重點；（3）傾轉式高速直升機當前主要發展方向是傾轉旋翼式構型；（4）停轉式高速直升機當前發展較為緩慢，其中停轉旋翼構型是較主流的研究方向。

目前世界上比較成功的高速直升機構型主要是傾轉旋翼和共軸剛性旋翼復合式2種，這2種構型具有不同的技術特點和優勢，適用于不同的任務模式，如美國的V-280、SB-1、歐洲的X3等。該點與本文的技術監測結果一致，表明對國外高速直升機技術的監測結果具有一定的實用性。高速直升機是直升機領域新的制高點，我國早在2012年，就開始立項研究共軸雙旋翼高速直升機，“十三五”期間也有對高速直升機的研究項目，雖然與歐美國家的技術相比還有不小的差距，但同時也是我國趕超世界先進水平的一個好的切入點。未來可以進一步優化本文中基于文獻計量的技術監測分析方法，監測國外高速直升機細分領域的先進技術，為我國高速直升機技術發展提供更加全面準確的情報信息，為我國高速直升機發展貢獻力量。