基于任務需求的高速旋翼機多方案對比研究

楊玉騰 李治權 冷俊杰

摘 要：高速旋翼機能夠滿足我國復雜地理環境對航空裝備提出的特定任務需求，是未來飛行器重點研究方向之一。為探究在特定任務下不同高速旋翼機構型的性能特點和任務能力，本文圍繞我國高原、遠洋任務需求，提出滿足大速度、遠航程、強機動等要求的雙傾轉旋翼、四傾轉旋翼構型概念方案。基于任務需求指標建立總體參數估算模型、飛行性能計算模型和任務效能評估模型，從懸停效率、巡航性能、投送能力、機動能力等多個維度對不同構型方案進行對比分析，為未來高速旋翼機研究提供參考。

關鍵詞：高速旋翼機； 任務需求； 總體設計； 飛行性能； 任務效能

中圖分類號：V275+.1 文獻標識碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2023.05.002

直升機具備垂直起降、空中懸停、機動靈活等優點，是現代航空裝備體系中不可或缺的組成部分。經過多年的發展，常規直升機平臺技術已日趨成熟，飛行性能的提升空間越來越小。隨著飛行環境日益復雜，為提高直升機的任務能力和生存能力，對其性能水平尤其是飛行速度提出了更高要求[1-2]。高速旋翼機除了具有常規直升機垂直起降、機動靈活等優點外，還具有速度快、航程遠等突出優勢，能夠更好地滿足未來任務場景對旋翼機提出的性能和能力要求，使航空裝備的整體任務能力，尤其是靈活投送、遠程運輸和應急救援保障能力得到顯著提升[3]。

另外，我國國境線漫長、高原山地眾多、河流海域遼闊，同時具有廣袤的森林草原，這些鮮明的地理特征對我國航空裝備發展提出了特定的任務需求[4]，高原救援、遠程運輸、海上搜救等任務成為后續航空裝備發展的關鍵考慮因素。高速旋翼機可作為我國未來航空裝備體系中高速裝備的重要補充，在高原、海上等復雜環境下，承擔包括突擊運輸、后勤補給、應急救援在內的多種任務。因此，推動直升機高速化發展，突破高速旋翼機技術，對我國航空裝備體系建設具有重要意義。

自20世紀50年代開始，國外一直在進行高速新構型旋翼機技術研究，并涌現了大量高速旋翼機型號和概念方案，如XV-1、XV-3、XV-15、V-22、V-280、AW609、V-44等。其中，V-22“魚鷹”傾轉旋翼機最大巡航速度可達508km/h，航程最高可達3892km；四傾轉旋翼機V-44在具備原有傾轉旋翼機飛行性能的基礎上，具有更強的裝載能力[5]。

目前國內針對高速新構型旋翼機技術已開展過相關研究，但大多數研究仍停留在設計、計算等工作上，尚未開展過技術驗證機研制和飛行試驗等相關工作，技術成熟度較低，與國外差距較大。

為促進我國高速旋翼機技術的快速發展，探究在我國特殊地理環境下，不同高速旋翼機構型的性能特點和任務能力，本文基于任務需求，對不同構型的高速旋翼機方案進行飛行性能和任務效能分析研究。

1 總體方案設計

1.1 任務需求分析

我國有2/3的地區是高原、次高原、山地地形[4]，高海拔地區空氣稀薄、大氣壓低、天氣復雜多變，對人員及裝備都會產生嚴重影響[6]。此外，高原地區機場數量不足使得固定翼飛機的運輸、救援能力受到嚴重制約。具備垂直起降能力的高速旋翼機能夠不受機場限制，將人員、物資等快速運送到指定地點，顯著提高運輸效率和救援能力。因此，高原任務能力是高速旋翼機構型設計階段的重要考慮因素。

隨著海上任務向立體化、多層次發展，提升航空裝備體系海上任務能力的需求也愈加緊迫[7]。現有常規直升機無法做到廣域高速搜救，常規固定翼飛機的近海面懸停和低速機動能力弱。高速旋翼機具有行動敏捷、機動性強、受天氣海況影響小、搜尋范圍大等優點，可用于執行海上運輸和海上救援任務，為船艦、航母、島礁等提供快速的應急物資遠程運輸保障，以及在軍事行動或民用活動中，為墜機人員、遇險船員等實施快速救援。

基于對高速旋翼機的基本特征和任務需求分析，本文構建了高原救援、高原運輸、海上運輸、貼海搜救4個任務場景，并針對每個任務場景，分別對高速旋翼機提出關鍵指標需求。其中，裝載能力需求主要參考我國現有的救援及運輸任務，搭載人員按每人90kg重量（質量）計算，搭載的物資及裝備按實際救援設備重量及有可能搭載的物資裝備進行設計。各任務場景的具體描述如下。

高原救援（任務1）：高速旋翼機搭載5.6t有效載荷（2名駕駛人員，2名機務人員，4名醫療人員，10名傷員，救援物資及搭載設備3.98t）及1t燃油，在4500m高度下飛向200km外的任務區快速、高效地開展救援。

高原運輸（任務2）：高速旋翼機搭載2.6t有效載荷（2名駕駛人員，2名機務人員，2名運輸人員，運輸物資及裝備2.06t）及4t燃油，在4500m高度下以400～500km/h的速度飛向1300km外的任務區，利用大速度、遠航程等技術優勢實現遠距機動投送。

海上運輸（任務3）：高速旋翼機搭載9.6t有效載荷（2名駕駛人員，2名機務人員，6名運輸人員，運輸物資及裝備8.7t）及3t燃油，在1000m高度下以400～500km/h的速度飛向720km外的任務區，在較短時間內實現島礁機動投送和航母補給等。

貼海搜救（任務4）：高速旋翼機搭載4.6t有效載荷（2名駕駛人員，2名機務人員，3名醫療人員，8名傷員，救援物資及搭載設備3.25t）及8t燃油，在1000m高度下，完成覆蓋周邊近900km范圍內的貼海搜救任務（航程不少于2000km）。各任務場景的需求指標匯總見表1。

1.2 構型參數設計

目前，國際在役、在研的高速遠程運輸飛行器構型的近地（海）任務能力弱，在我國特有的高原環境下近地機動、垂直起降能力差，無法滿足特定任務需求。因此，亟須開展適用于我國高原及海上任務的高速旋翼機構型方案設計。

高速旋翼機構型主要有共軸剛性旋翼構型和傾轉旋翼構型兩種，這些構型形式各有其特定的性能優勢和局限[8]。共軸高速直升機具備良好的機動性和垂直起降能力，主要用于攻擊和偵察，但是航程和飛行速度（400km/h左右）具有一定局限性，且不適用于中型以上直升機；傾轉旋翼機在運輸方面的性能尤為突出，巡航效率、經濟性、巡航高度、航程、振動噪聲水平等相對較好，具有更高的飛行速度（超過500km/h）和實用升限，同時具有更大的有效載荷、航程以及更快的響應速度，適用于高原及海上運輸投送、應急救援等任務場景[9]。因此，結合本文提出的任務場景需求，選取傾轉旋翼構型為研究對象。

傾轉旋翼構型主要有雙傾轉旋翼和四傾轉旋翼兩種。雙傾轉旋翼機巡航效率高、航程遠，相比于四傾轉旋翼機，其結構簡單、技術成熟，但是機動性較差，主要用于兩棲登陸運輸；四傾轉旋翼機具備較強的載重能力，同噸位下全機尺寸更緊湊，近地機動性和生存能力也更強，飛行速度和航程比現役的雙傾轉旋翼機或在研的共軸高速直升機更優，能夠更好地滿足未來使用場景對直升機性能和能力的要求。為進一步分析傾轉旋翼構型的性能特點，根據提出的任務場景和需求指標，基于直升機總體設計相關文獻提出的總體參數設計流程[10]，對傾轉旋翼構型開展總體方案設計，同時設計在相同功率下滿足4500m懸停高度的單旋翼帶尾槳常規直升機構型方案作為參照，設計結果見表2。

2 飛行性能分析

四傾轉旋翼機相比于雙傾轉旋翼機增加了一副旋翼/機翼系統，所以空機重量相對較大，但是增加旋翼可提高設計重量，從而增加任務載重，因此，四傾轉旋翼機可能具備更大的高原載重潛能。為進一步探究傾轉旋翼構型的性能特點，對構型方案進行飛行性能分析。

2.1 主要性能參數

懸停性能主要包括無地效懸停升限和有地效懸停升限兩種。任務需求中對高速旋翼機懸停性能做出了明確要求，即能夠搭載所需的任務載荷在要求的懸停高度處懸停。具體計算流程如圖1所示。

旋翼機的爬升性能主要是指旋翼機在前飛時的斜向爬升速度。理論分析和飛行經驗表明，飛行器以經濟速度平飛時，需用功率最小，剩余功率最大，此時可獲得最大爬升率。

固定翼飛行器的飛行速度主要受發動機可用功率和機體阻力的限制。定義在飛機飛行過程中，可用功率等于需用功率時的速度為前飛最大速度，同時也需要根據其他限制條件對其進行修正。

升限是指給定飛行器重量和發動機狀態，飛行器能保持等速水平直線飛行的最大高度，也就是最大爬升率為零時的飛行高度。在計算實用升限時，一般選取亞聲速飛行最大爬升率為0.5m/s時對應的飛行高度。

2.2 性能計算分析

分別計算四傾轉旋翼機、雙傾轉旋翼機和單旋翼常規直升機在4種任務場景下的飛行性能，結果見表3～表6。

由結果可知，傾轉旋翼構型方案均滿足4個任務場景提出的飛行速度、航程、懸停高度等要求，且巡航速度和航程明顯高于常規構型直升機。單旋翼常規直升機的巡航速度為249km/h，而傾轉旋翼構型的巡航速度可達到450km/h，速度提升明顯。航程方面，常規直升機受速度和載重限制，航程遠不能滿足任務需求，因此，在進行后續任務效能評估時，單旋翼構型采用分段飛行方式完成任務；而傾轉旋翼構型在巡航階段采用固定翼模式飛行，巡航效率和航程得到大幅提高，能快速、高效地完成運輸投送、后勤補給、廣域搜救等任務。

相比于雙傾轉構型方案，四傾轉構型在運輸能力和運輸效率方面都存在明顯優勢。四傾轉旋翼構型通過增加旋翼數量，擴大了槳盤面積，雖然使得空機重量增加，但也提高了裝載能力，使其能夠在單架次運輸中裝載更多的任務載荷，或者裝載更多的燃油來增加航程；且四傾轉構型的最大平飛速度高于雙傾轉構型，飛行速度范圍更大，運輸效率更高。

3 任務效能分析

旋翼機任務效能是指旋翼機完成任務的能力和效果。對高速旋翼機的任務效能進行評估，可為高速旋翼機未來發展規劃提供決策支持。本文基于設計的任務場景，使旋翼機帶載荷飛行，抽取飛行過程中的相關指標進行效能評估分析。

3.1 效能評估模型

高原救援、遠程運輸、海上搜救等任務，主要關注旋翼機的飛行速度、巡航能力、反應速度等，因此，抽取空中投送能力指標和空中機動能力指標作為任務效能評估指標。

空中投送能力是指通過空中投送裝備投送人員、裝備、物資的能力，指標包括單位時間投送量、反應速度、投送對象適應性、投送環境適應性、投送速度、投送距離、單次投送量、可持續投送次數等；空中機動能力是指一定時間內改變飛行狀態的能力，指標包括任務半徑、轉場航程、最大平飛馬赫數、巡航速度、實用升限、航時、空中環境適應能力、空中受油能力等。

由于上述確立的高速旋翼機任務效能評估指標標準和尺度不一，尚無法直接綜合起來評估任務效能，需對上述效能評估指標進行歸一化處理。

3.2 效能仿真分析

概念設計階段暫不考慮機載設備，僅針對平臺效能進行評估。基于高速旋翼機飛行性能計算結果，分別對高原救援、高原運輸、海上運輸、貼海搜救等任務場景下的高速旋翼機空中投送效能、空中機動效能和總體效能進行評估。

效能評估指標極值設置見表7。效能仿真結果見表8～表11（表中數值表示構型的任務效能，是無量綱量）。不同構型的任務效能對比如圖2（圖中縱坐標表示任務效能，是無量綱量）所示。

由仿真結果可知，相比于單旋翼常規構型，傾轉旋翼構型的任務效能提升明顯，尤其是空中機動效能。無論是雙傾轉旋翼機還是四傾轉旋翼機，在4個任務場景下的總體任務效能較單旋翼構型提升幅度均在39%以上。其中，由于飛行速度的提升，傾轉旋翼構型的空中機動效能提升尤為明顯，增幅均在90%以上。

在4個任務場景中，四傾轉構型的任務效能均為最優。與單旋翼常規構型相比，四傾轉構型在4個應用場景下的總體效能提升分別為64.63%（高原救援）、114.95%（高原運輸）、49.54%（海上運輸）、145.33%（貼海搜救）。尤其是空中機動能力方面，與單旋翼相比優勢明顯，機動效能提升幅度在120%～220%之間。

與雙傾轉構型方案相比，四傾轉構型的任務效能有較明顯的優勢，尤其是高原任務效能和空中投送能力方面。四傾轉方案在4個應用場景中的總體任務效能與雙傾轉相比分別提升了18.09%、16.89%、6.16%、12.65%。其中，高原場景的任務效能提升尤為明顯（任務1、2），均在15%以上；此外，四傾轉構型的空中投送能力也尤為突出，與雙傾轉構型相比，其空中投送效能的提升幅度分別為24.13%、19.18%、4.8%、15.03%，具有較明顯的提升。

4 結論

本文提出的高速旋翼機優化組合了常規直升機垂直起降、空中懸停作業、近地靈活機動等功能，以及固定翼飛機飛行速度快、航程遠等功能，實現了高速、遠程、強近地機動等功能特性。計算結果表明速度和航程都超越了現役飛得最快、最遠的V-22雙傾轉旋翼機，近地機動能力達到甚至超越了常規直升機和共軸復合推力高速直升機等新概念飛行器，可滿足我國未來復雜地形對高速旋翼機提出的任務需求。

為滿足我國未來航空裝備發展需求，高速旋翼機將是未來旋翼機重點研究方向之一。四傾轉旋翼構型具有速度快、航程遠、機動能力強等優點，在高原、海上環境執行運輸投送、應急救援等任務具有明顯優勢，可與其他構型的高速直升機搭配使用，形成我國高速直升機裝備體系。

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Comparative Study on Multi-Plan of High-speed Rotorcraft Based on Mission Requirements

Yang Yuteng， Li Zhiquan， Leng Junjie

Chinese Aeronautical Establishment， Beijing 100029， China

Abstract： High-speed rotorcraft can meet the specific mission requirements of aviation equipment in China’s complex geographical environment， and is one of the key research directions of future aircraft. In order to explore the performance characteristics and mission capabilities of different types of high-speed rotor mechanisms under specific tasks， this paper focuses on the problem of insufficient equipment required by China’s plateau and maritime missions， proposes the concept scheme of dual-tilt rotor and quad-tilt rotor configurations to meet the requirements of high speed， long range and good maneuverability. The overall parameter estimation model， flight performance calculation model and mission effectiveness evaluation model are established based on mission requirements indicators. The comparison and analysis on different configuration schemes are carried out from the aspects of hovering efficiency， cruising performance，projection capabilities， maneuverability and other dimensions， thus providing reference for the future research of high-speed rotorcraft.

Key Words： high-speed rotorcraft； mission requirements； overall design； flight performance； mission effectiveness