適用于極區環境的直升機研制關鍵技術與未來發展

艾劍波 徐 璐 楊艷歌 王俊敬 張昕宇 雷詠春

（中國直升機設計研究所 景德鎮 333001）

0 引言

當前，極地已成為全球治理的新焦點、資源開發的新產地，具有重大經濟和科技價值[1]：一是北極航道連通兩洋（大西洋和太平洋），相較傳統海上運輸航線的航程縮短40%以上，可構建起新的海上運輸通道，打通“冰上絲綢之路”[2]；二是通過參與制定南極治理規則，可在全球海洋開發等新機制議題設置中占據主動地位[3]；三是兩極地區蘊藏的自然資源十分豐厚，北極地區煤炭儲量約占全球的1/4，南極地區可燃冰、鐵礦等礦產資源儲量位居世界第一，為國家未來能源的可持續發展和資源利用提供巨大潛力；四是極地特殊的地理位置，是開展科研活動的理想試驗場，利用極地環境可進一步加強對全球氣候變化、地質和生物等領域探索，為我國認識極地、經略極地提供堅實科技基礎[4]。

中國正逐步開展對極區的科考工作，目前使用直升機主要用于極區的貨物和人員運輸等任務。相比于國內，直升機在極區使用時需重點關注復雜地理氣象、極端低溫和外部保障條件差等極區環境，以及與之相適應的關鍵技術。

1 南北極環境特點

北極地區是指北緯66°33′67″以北的廣大區域,地理緯度較高，包括極區北冰洋、邊緣陸地海岸帶及島嶼、北極苔原和最外側的泰加林帶。北極地區氣溫低，冬季平均氣溫介于-40～ -20 ℃，夏季平均氣溫為-8 ℃，在北冰洋極點附近漂流站測到的最低氣溫是-59 ℃。北極近海陸地區域雨水較多，降水量最高可達2 500 mm（主要集中在夏季），且降水量隨全球變暖正逐年增加。

南極地區主要指南極洲，是地球上最寒冷的大陸。氣溫比北極地區更低，目前實測最低溫度為-88.3 ℃。南極地區風速大，從高到低、從內陸高原到沿海邊緣區逐步增大，在中山站、長城站等邊緣區有強大的下降風，長城站年平均風速超過 10 m/s的大風天數約200 d。南極大陸內陸地區的降水都是以固體形式（通常以冰晶或雪的形式）出現且積雪較多。直升機起降時，旋翼下洗流會造成揚雪現象，同時由于積雪會覆蓋地標形貌，因此肉眼無法準確判斷積雪下的野外起降地形。

南北極均存在極夜、極晝現象，且氣溫很低，不適宜人類生存，因此直升機在極區環境使用時的外部保障條件較差[5]。

2 國內外直升機在極區環境使用情況

2.1 國內外直升機的極地環境適應性情況

經調研，目前國外已在極地服役或者正在為極地任務而研制的直升機有米-8AMTSH-VA、卡 -32、海豚、米-28、阿帕奇、AS350B、貝爾412、米-26T2VA、卡-29、CH-101、MCH-101和AS355等型號。

國外的極地直升機具備較為優異的極地適應能力，例如：米-8AMTSH-VA直升機為北極環境專門研制，能在低溫、極夜、無參考地形、無線電信號微弱和距離基地遙遠等條件下工作，使用溫度低達-60 ℃；米-28的發動機能在-40 ℃環境下直接啟動，直升機能在-55 ℃環境下正常飛行。國外直升機極地環境適應能力通過各項關鍵技術的應用實現，如：通過裝配輔助動力設備，在地面工作時能保證機載設備起飛前的準備以及煤油加熱器、傳動系統、動力裝置減速器預熱系統、機載餐食加熱設備和燒水器等設備的工作；裝載艙通過標準隔熱系統與附加隔熱系統設備的結合以及保溫窗簾的安裝，降低熱量損失；通過配備專門的保護罩，用于防雪和防風，并且在起飛準備時提高組件預熱效率；通過配備新型飛行和導航設備，改進直升機操縱的數字式自動駕駛儀、定位的衛星定位系統和搜索遇險人員的無線電定向儀等；通過裝備雙套衛星系統、內置地圖生成器和捷聯慣導系統，以便在衛星信號消失時確定直升機的坐標；通過配備機載無線電臺，以便在低能見度條件下監測其他飛行器的位置。

國內可應用于極地環境的直升機主要有直-9、AC311、AC313等，其使用溫度為-40℃，可以基本滿足目前南北極夏季科考需求，但由于這些直升機極地環境適應能力較弱，在極地可實現的任務和功能還不全面，仍需通過設計改進以提升其極地適應性能和應用價值。國內外直升機的低溫工作環境適應性能力對比如下頁表1所示。

表1 國內外直升機低溫工作環境適應性對比

2.2 國內外直升機極地使用經驗

俄羅斯的直升機在極地有一年四季的使用經驗。米-8AMTSH-VA極地直升機為北極戰略價值獲取提供支撐；卡-29直升機用于為偏遠地區運輸必要物資、運送人員及在極地執行巡邏任務；卡-32直升機用于執行搜索救援、運輸、設備安裝中的吊車作業、巡邏執勤等任務，此外還用于進行冰上偵察，維護海上鉆井平臺，實施船舶卸貨等；米-26T2V北極版用于在北極地區執行運輸任務；卡-29在北極服役于軍事基地，用于巡邏、軍事演習等活動，并運送人員貨物；AS350B和貝爾412支持80 km范圍內的科學調查和偵察著陸；AS355在南極與破冰船配合使用，完成多項任務。

國內的直升機在極地的使用經驗主要局限于南北極夏季科考，直-9直升機主要用于人員運輸和小型貨物運輸；進口的卡-32直升機主要用于大型貨物運輸；進口的海豚直升機主要用于冰情、水道探查、人員運送、新站選址、科考和應急保障等任務；無人直升機主要用于氣候探測等工作。

3 直升機在極區環境使用場景及能力需求

根據極地開展科學考察的主要任務需求，直升機在極地環境可搭載在水面艦船上，配合科考人員完成空中運輸保障、科考探測空中支援和空中搜索救援等任務活動。

3.1 典型使用場景及能力需求

3.1.1 極地科考空中運輸保障

直升機隨極地科考船執行極地科考空中運輸保障任務。直升機從科考船起飛，將船上的科考人員和物資運輸到沿岸的科考站點（如圖1所示）。沿岸風速較大，該場景需直升機具備較強的抗風能力和運輸能力；此外，惡劣的結冰環境也要求直升機需具備高精度結冰探測能力和較強的防冰防雨能力。

圖1 直升機空中運輸場景示意

3.1.2 極地科考探測空中支援

直升機從中山站起飛，經泰山站燃油補給后飛抵昆侖站，隨后以昆侖站為補給保障據點，在其周邊200 km范圍內搭載科研人員及科學探測設備，進行若干次空中科考飛行，收集傳感器探測數據或進行冰塊、巖石和大氣等科研采樣（如下頁圖2所示）。昆侖站所處地區氣溫低，直升機需具備較強的低溫工作能力和加溫保溫能力；野外起降時雪下地形地貌難以識別且不可控，需具備特殊地域起降能力；野外起降時會造成揚雪環境，需具備適應揚雪環境的雷達光電探測技術；昆侖站周邊是大范圍的無人區，且遠離科考船上千公里，因此直升機還需具備較強的自主保障能力。

圖2 直升機科考探測空中支援場景示意

3.1.3 極地空中搜索救援

直升機對極地被困船只進行搜索定位，對被困船只上的人員開展營救作業（如圖3所示）。由于被困艦船上可能不具備直升機起降條件，需要采取海冰起降的方式轉移被困人員，因此直升機需具備冰地起降能力。

圖3 直升機空中搜索救援場景示意

4 適用于極區環境的直升機研制關鍵技術

根據我國直升機在極區環境的使用場景和能力需求，通過分析極區各種復雜極端地理氣象環境并適當參考國外極地直升機的環境適應性特點，結合國內直升機技術發展水平和極地適應能力短板，本文提出直升機極地總體技術、直升機極地復雜地理氣象環境適應性技術、直升機極地復雜環境下自給保障與防護救生技術等技術領域的關鍵技術。

4.1 直升機極地總體技術

根據國內外直升機在極區的運輸和野外作業等能力需求，以及歐美先進航空企業對直升機平臺總體能力的設計手段，針對直升機隨極地科考船執行極地科考空中運輸保障任務需求，需開展直升機動力與傳動系統功率提升技術、直升機平臺運載能力與重量效益提升技術、直升機平臺抗風能力提升技術等關鍵技術研究，提升直升機平臺運輸效能與抗風能力等總體能力。

4.2 直升機極地復雜地理氣象環境適應技術

4.2.1 適用于極區環境的綜合導航技術

針對直升機在昆侖站、北極點等高緯度區域的任務需求，為使直升機能適應高緯度區域的地理環境，需發展極地綜合導航技術，解決慣性導航系統在極地使用時受到因極地重力和地球自轉逐漸重合而導致羅經效應逐漸減弱對慣導對準的影響，以及極地地區受冰雪變化造成的重力場劇烈變化對導航精度的影響，使導航系統能在極區環境達到與中低緯度地區相當的對準能力和導航精度。

4.2.2 極地冰雪等特殊地域起降技術

針對直升機在內陸環境科考探測的空中支援任務需求，需開展直升機雪地冰面帶雪橇式防滑裝置的起落架技術研究，突破傳統直升機無法在極地特殊地域起降或起降困難的難題，提高直升機多地形多路況的起降適應能力；還需突破起落架雪地冰面運動非線性動力學關鍵技術，建立完備的地面動力學模型，通過起降機構參數敏感性分析，通過合適的防滑增穩裝置設計，提升直升機在冰雪地面上起降過程的穩定性與安全性。

針對極地空中搜索救援需求，需開展機載探冰技術研究，通過識別海冰與海水的分界面，探測海冰的冰層厚度，提升直升機在海冰上起降的安全性。

4.2.3 極地復雜海洋環境下高精度結冰探測技術

針對直升機在沿海執行極地科考空中運輸保障時面臨的惡劣結冰環境，需開展高精度結冰探測技術研究，利用光學遮擋原理，實現直升機在極地海洋環境下的高精度結冰探測。

4.2.4 防冰防雨技術

針對直升機在沿海執行極地科考空中運輸保障時面臨的降雨環境，需研制一款可以協同優化疏水及光學性能的類金剛石疏水薄膜，研制一種可以協同優化疏水及光學性能的氟烷基硅氧烷類疏水劑，解決直升機在極區降雨環境中飛行時駕駛艙的視野能力受限的問題；針對結冰環境，需研制一種防除冰涂層，其無需提供額外能量，只需通過延遲結冰和降低冰層與涂層之間的結合力，同時憑借涂層穩定的表面性能來實現防除冰目的。

4.2.5 雷達光電探測技術

針對直升機在極地雪地中執行科考探測空中支援和搜索救援的任務需求，需開展極地雪天條件下光電與毫米波雷達融合探測機理與應用研究，突破極地環境中光電設備探測、毫米波設備的環境適應性改進、綜合探測感知、數據融合處理和目標檢測識別等關鍵技術，提升直升機在揚雪環境、白化天氣下的飛行安全性。

4.2.6 極地無人直升機復雜環境穩定增強控制技術

針對極地經緯度畸變、惡劣環境起降（如低溫、大風、雪地、能見度低）等極區環境的不利因素，通過研究高精度、強魯棒性的極地制導與控制技術，拓展無人直升機的功能包線，提升無人直升機在極區環境下的生存能力和任務完成能力。

4.2.7 動力與傳動系統低溫使用包線拓展技術

在極地低溫環境下，發動機同輔助動力裝置（auxiliary power unit,APU）壓氣機和渦輪的匹配，以及滑油系統、燃油系統等的工作條件和工作狀態均與正常溫度條件下有較大區別。根據國外極地使用渦軸發動機的設計經驗，需針對性開展低溫用密封件研制、發動機性能匹配優化、燃燒室優化改進、低溫滑油和低溫燃油使用驗證、APU起動性能研究和便攜式APU加溫設備研制等工作，解決低溫環境下動力系統在野外無保障條件下的自啟動問題。

4.2.8 傳動系統潤滑系統及動部件匹配性技術

針對傳動系統在低溫下的使用問題，需開展滿足極地低溫條件下使用的傳動系統滑油/潤滑脂選用匹配性技術，滿足極地低溫條件下使用的橡膠材料及動密封技術、潤滑系統低溫性能分析及滑油泵/ 滑油濾等成附件的低溫適應性設計技術、傳動系統極地低溫環境下齒輪和軸承公差間隙配合優化技術、黏性阻尼器-56 ℃低溫動剛度和機械性能設計技術等技術研究，解決傳動系統在低溫環境下的使用問題。

4.2.9 極地低溫環境下艙內加溫保溫技術

目前國內直升機的加溫系統一般按環境溫度-30 ℃進行設計，在極地的環境中，直升機的使用溫度低至-56 ℃，座艙內的熱量散失大，而且作為熱源的發動機引氣溫度也會降低，因此結合艙內人員的防寒服的保溫性能，為保證駕駛艙和乘員有舒適的工作和乘坐環境，需要將座艙內的溫度提升到5 ℃左右。為此，需要從以下方面開展相關研究工作：在直升機上尋找其他可用的熱源，為座艙加溫提供熱量；研制更加高效的加溫系統，在熱源熱量有限的情況下，盡量提高進入座艙的空氣溫度；研制具有保溫功能的內飾，減少座艙內熱量的散失。

4.2.10 關鍵材料極地內陸低溫耐久性能研究和考核方法技術

直升機在極地昆侖站等內陸環境服役時，面臨長時間極端低溫環境，以及極夜與無機庫的雙重考驗，直升機的非金屬材料將會面臨遠比國內更為嚴苛的考驗。因此，需針對極地持續、長時間的極端低溫環境，構建一套典型非金屬材料的低溫耐久性考核試驗方法，并對影響飛行安全和人員安全的起落架與旋翼等處的關鍵材料開展持續、長時間的極端低溫環境試驗驗證，研究其性能衰減情況，判斷是否能滿足極地使用要求，并研究改進方案。

4.3 直升機極地復雜環境下自給保障與防護救生技術

4.3.1 極地復雜環境下直升機使用及維護保障模式 技術

基于直升機的極地任務想定，開展使用保障場景需求分析，構建直升機使用保障場景，并據此開展使用保障任務和流程分析，形成直升機初步保障方案，構建多目標約束條件下的保障效能評價體系，以滿足極地使用為目標，提出最優的保障方案設置建議，并規劃各保障場景下的具體使用維修項目工作。

4.3.2 極端低溫下直升機保障能力拓展技術

低溫條件下直升機停放時，通過保障設備進行溫度保持以保證正常起動，是直升機在極地環境正常使用的關鍵前提。通過對保障設備低溫典型故障的分析和輕質保溫布罩、小型化高功率加溫設備原理樣件的探索研制試驗，給出保障設備極地使用改進意見，摸索出低溫環境下起動加溫保障設備加溫特性。

4.3.3 適用于極區環境的直升機防護救生技術

針對極區環境下直升機飛行員在超低氣溫、低水溫、強冷風、高濕度、高海拔和強磁場等極地環境下執行飛行任務的安全性影響，立足兩極地區的安全防護與救生需求，需突破直升機飛行員極地防護救生技術，解決直升機飛行員面臨極地任務的防護救生需求問題，提升任務效能，為執行極地飛行任務所需的防護救生裝備研制奠定基礎。

5 適用于極區環境的直升機未來發展方向

直升機起降機動靈活，并具備特有的低空性能，利用直升機進行極地保障物資的轉運可以完成其他轉運方式無法到達的區域。我國在南北極科學考察中直升機的成熟運用，有效支撐了科考項目的實施，并積累了豐富的極地航空器運行經驗，為我國極地考察走向“航空時代”打下了堅實的基礎[5]。

為更好地執行極區任務、充分應對極地極端復雜的地理氣象環境和任務需求，需立足直升機極地總體技術、極地復雜地理氣象環境適應性技術，以及極地復雜環境下的自給保障與防護救生技術等方面全方位提升直升機極區服役能力，避免短板效應。同時需知，適用于極區環境的直升機發展方向不是一成不變的，需結合任務前瞻需求，對標極區環境未來變化和深化認知不斷調整，才能提出準確的技術提升重點和未來發展方向。

6 結語

通過對南北極環境特點以及國內外直升機在極區環境情況與科考任務需求的分析，為使我國直升機更好地在極區執行極地科考空中運輸保障、極地科考探測空中支援和極地空中搜索救援任務，明確了我國應重點攻克極區環境綜合導航、冰雪地起降、防冰防雨、低溫使用、艙內加溫保溫、自主保障、防護救生和關鍵材料等方面的關鍵技術，使我國直升機在未來能更好地適應極區復雜地理氣象環境，并具備優異的極地無人區自給保障能力和防護救生能力。