西科斯基飛機(jī)公司共軸式直升機(jī)的發(fā)展

于 琦

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

0 引言

21 世紀(jì)初，真正實(shí)現(xiàn)了工程上的應(yīng)用，研制出具有里程碑意義的剛性共軸直升機(jī)。1971 年，制造出1 架ABC 旋翼原理驗(yàn)證機(jī)。2005 年，西斯基飛機(jī)公司啟動(dòng)X2技術(shù)驗(yàn)證機(jī)研制計(jì)劃，助力XH-59A 直升機(jī)技術(shù)，對(duì)1 架施韋策333 直升機(jī)進(jìn)行改裝，于2008 年完成首飛。2015年，西科斯基公司在X2 技術(shù)驗(yàn)證機(jī)的高速旋翼基礎(chǔ)上研制了一種新型高速直升機(jī)，并完成首飛。在X2 和S-97 的基礎(chǔ)上又成功研制了SB-1 共軸直升機(jī)，于2019 年完成首飛。為滿足未來直升機(jī)的發(fā)展要求，采用已成熟的技術(shù)，發(fā)展了未來偵察攻擊和未來遠(yuǎn)程攻擊直升機(jī)。2020 年，西科斯基公司在第一階段競中標(biāo)獲勝。西科斯基公司共軸直升機(jī)的演進(jìn)路線如圖1 所示。

圖1 西科斯基公司共軸直升機(jī)的演進(jìn)路線

1 X2 驗(yàn)證了美國共軸直升機(jī)的研發(fā)能力

1.1 研制歷程

X2 是美國西科斯基飛機(jī)公司研制的一種前行槳葉概念（ABC）旋翼技術(shù)驗(yàn)證機(jī)。在X2 基礎(chǔ)上，西科斯基研制了S-97 掠奪者（定位為未來武裝偵察/攻擊直升機(jī)）以及SB-1（西科斯基-波音聯(lián)合研制，參與了美國陸軍聯(lián)合多任務(wù)計(jì)劃/未來垂直升力計(jì)劃競標(biāo)）兩型復(fù)合式直升機(jī)。兩型機(jī)技術(shù)具有一定的繼承性，代表了世界的領(lǐng)先水平，也驗(yàn)證了美國共軸直升機(jī)的研發(fā)能力[1]。

2005 年6 月，西科斯基飛機(jī)公司宣布啟動(dòng)X2 技術(shù)驗(yàn)證機(jī)研制計(jì)劃。與常規(guī)直升機(jī)相比，X2 的飛行速度可提高60%。2006 年11 月，X2 開始進(jìn)行地面試驗(yàn)，并于2008 年8 月完成首飛。尾部帶有推進(jìn)螺旋槳的X2 于2009 年6 月實(shí)現(xiàn)首飛。2010 年9 月15 日，X2 飛行速度達(dá)到了預(yù)定的462.5km/h。X2 直升機(jī)如圖2 所示。

圖2 X2直升機(jī)

1.2 技術(shù)特點(diǎn)

X2 直升機(jī)廣泛采用復(fù)合材料，為使槳葉重量更輕，強(qiáng)度更高，機(jī)身作了優(yōu)化處理，外形采用低阻設(shè)計(jì)。此外，還特別設(shè)計(jì)了流線型的槳軸整流罩。X2 采用“前行槳葉概念”，無需轉(zhuǎn)變到飛行狀態(tài)，只需加大推進(jìn)螺旋槳的功率，便可實(shí)現(xiàn)高速前飛。X2 直升機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 X2結(jié)構(gòu)圖

2 S-69 奠定了美國共軸直升機(jī)的技術(shù)基礎(chǔ)

S-69 是美國西科斯基飛機(jī)公司負(fù)責(zé)研制和試飛的前行槳葉概念（Advancing Blade Concept，簡稱ABC）旋翼研究直升機(jī)。該機(jī)的公司編號(hào)為S-69，后續(xù)的X2、S-97、SB-1 等均以S-69 的技術(shù)作為基礎(chǔ)進(jìn)行研發(fā)[2]。

1971 年12 月，美國陸軍與西科斯基飛機(jī)公司簽訂研制合同。1973 年7 月26 日，原理驗(yàn)證機(jī)進(jìn)行了首次飛行。在1975 年7 月21 日以后的試飛中，經(jīng)過大量設(shè)計(jì)改進(jìn)的XH-59A 飛出了487km/h 的速度和7770m 的升限。XH-59A ABC 旋翼系統(tǒng)驗(yàn)證機(jī)上采用的一些技術(shù)對(duì)美國陸軍要求的LHX 輕型攻擊、偵察和通用直升機(jī)提供了解決辦法。因此，美國陸軍進(jìn)一步投資用于該驗(yàn)證機(jī)的發(fā)展。1982 年，西科斯基飛機(jī)公司對(duì)XH-59 驗(yàn)證機(jī)進(jìn)行了新的設(shè)計(jì)更改，并在XH-59A 的基礎(chǔ)上發(fā)展了新的ABC 旋翼系統(tǒng)研究機(jī)，這種新研究機(jī)的編號(hào)為XH-59B。S-69 直升機(jī)如圖4 所示[3]。

圖4 S-69 直升機(jī)

3 S-9 7 實(shí)現(xiàn)了美國共軸直升機(jī)的華麗轉(zhuǎn)身

3.1 研制歷程

S-97 是美國西科斯基公司在X2 技術(shù)驗(yàn)證機(jī)的基礎(chǔ)上，研制的一種新型高速直升機(jī)。S-97 突破了前行槳葉概念技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了從技術(shù)驗(yàn)證到工程應(yīng)用的華麗轉(zhuǎn)身，是該項(xiàng)技術(shù)在型號(hào)上的首次嘗試。2010 年10 月，項(xiàng)目正式啟動(dòng)。2011 年，開始研制。2013 年，S-97 項(xiàng)目完成了關(guān)鍵設(shè)計(jì)評(píng)審，項(xiàng)目所有合作廠家開始進(jìn)行部件制造。2013年9 月，公司開始S-97 原型機(jī)的總裝工作。2014 年6 月，西科斯基飛機(jī)公司成功完成S-97 高速旋翼機(jī)原型機(jī)的啟動(dòng)工作，其新型垂直起降設(shè)計(jì)大大改變了直升機(jī)的作戰(zhàn)方式，有望掀起新一輪直升機(jī)技術(shù)革命。2014 年，制成首飛原型機(jī)。S-97 高速直升機(jī)于2015 年5 月22 日進(jìn)行了里程碑性首飛，西科斯基飛機(jī)公司稱這種直升機(jī)可滿足美陸軍航空兵下一代輕型偵察/攻擊直升機(jī)的要求。S-97 直升機(jī)如圖5 所示[4]。

圖5 S-97直升機(jī)

3.2 技術(shù)特點(diǎn)

采用兩副反向旋轉(zhuǎn)的共軸旋翼，與單旋翼布局式直升機(jī)相比，其控制系統(tǒng)簡單，外形尺寸緊湊。同時(shí)，大量采用復(fù)合材料，突出了高效、敏捷和精確的操作品質(zhì)，采用電傳操縱。槳葉重量更輕，強(qiáng)度更高，機(jī)身也作了減重優(yōu)化處理，外形采用低阻設(shè)計(jì)。此外，還特別設(shè)計(jì)了流線型的槳軸整流罩。采用“前行槳葉概念A(yù)BC”，無需轉(zhuǎn)變到飛行狀態(tài)，只需加大推進(jìn)螺旋槳的功率，便可實(shí)現(xiàn)高速前飛。這種旋翼不但省去了旋翼系統(tǒng)的許多傳動(dòng)和平衡機(jī)構(gòu)，更加重要的是，它在飛行過程中，上下兩副旋翼的空氣動(dòng)力作用能夠相互平衡和補(bǔ)充，保持總的飛行升力不變。即使高速飛行過程中，也不用提高旋翼的轉(zhuǎn)速，只需要增大槳葉角提高旋轉(zhuǎn)的升力，可以有效避免飛行速度增大后，后行槳葉失速帶來的一系列性能、機(jī)動(dòng)能力和載荷等問題。采用現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)，將旋翼、推進(jìn)尾槳和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行綜合一體化設(shè)計(jì)，使新型共軸雙旋翼直升機(jī)的性能水平達(dá)到傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的兩倍。

4 SB-1 完成了美國共軸直升機(jī)的跨越發(fā)展

4.1 研制歷程

SB-1“無畏”復(fù)合式共軸直升機(jī)是西科斯基-波音團(tuán)隊(duì)為美國國防部“未來垂直起降”FVL 項(xiàng)目打造的競標(biāo)機(jī)型。西科斯基和波音于2013 年1 月組建SB-1 研制團(tuán)隊(duì)。2016 年3 月，西科斯基-波音團(tuán)隊(duì)聯(lián)合開發(fā)的高速直升機(jī)SB-1 原型機(jī)完成了最終設(shè)計(jì)評(píng)審。2018 年10 月8日，西科斯基SB-1“無畏”原型機(jī)的裝配工作基本完成。2018 年12 月底，西科斯基公司公開了SB-1 的真機(jī)照片。2019 年3 月21 日，在美國佛羅里達(dá)州西棕櫚海岸的飛行試驗(yàn)場上，SB-1“無畏”復(fù)合式共軸直升機(jī)完成首飛。其采用共軸雙旋翼，兩副剛性旋翼旋轉(zhuǎn)方向相反。為了提升前飛推力，安裝了1 個(gè)8 片槳葉的推進(jìn)螺旋槳， SB-1 的飛行速度和航程都能達(dá)到傳統(tǒng)直升機(jī)的兩倍。此外，周期變距的調(diào)整能實(shí)現(xiàn)推力最大化，即使在高速飛行狀態(tài)下，產(chǎn)生的噪聲也很小。與S-97 直升機(jī)相比，在繼承關(guān)鍵技術(shù)的同時(shí)，又實(shí)現(xiàn)了一次跨越。SB-1 直升機(jī)如圖6 所示[5]。

圖6 SB-1直升機(jī)

4.2 作戰(zhàn)能力

隨著武器攻擊能力的不斷上升，在戰(zhàn)場中面臨的生存考驗(yàn)日益嚴(yán)峻，直升機(jī)依靠低空飛行和被動(dòng)式防御裝甲也愈發(fā)困難，提升了飛行速度、強(qiáng)化隱身性能是未來戰(zhàn)爭中武裝直升機(jī)的發(fā)展方向，同時(shí)還需提升航程以應(yīng)對(duì)更復(fù)雜的作戰(zhàn)需要，SB-1 正是按此思路研發(fā)的高性能直升機(jī)。

SB-1 直升機(jī)的最大特點(diǎn)是速度快、航程遠(yuǎn)、作戰(zhàn)半徑大，列裝后可進(jìn)一步提升陸軍的攻擊能力、運(yùn)載能力和戰(zhàn)場機(jī)動(dòng)能力，充分體現(xiàn)了直升機(jī)靈活和迅捷的反應(yīng)能力。由于行動(dòng)范圍大大擴(kuò)大，轉(zhuǎn)移的速度就會(huì)更快，傳統(tǒng)直升機(jī)的速度一般在200 ～300km/h，而SB-1 已達(dá)到400 ～500km/h，轉(zhuǎn)移速度增加一倍，在加之作戰(zhàn)半徑增加一倍，加起來就會(huì)提高4 ～5 倍的作戰(zhàn)效能。此外，還具備非常出色的隱身能力，采用流線型的機(jī)身可以更好地折射雷達(dá)波，再對(duì)外表噴覆隱身涂料，雷達(dá)波對(duì)其掃描能力大幅度減弱，能夠很好完成“發(fā)現(xiàn)敵人而不被敵人發(fā)現(xiàn)”的偵察和作戰(zhàn)任務(wù)。SB-1 在海軍的艦載反潛和陸戰(zhàn)隊(duì)的兩棲登陸中，起到了不可替代的作用[6]。

4.3 技術(shù)特點(diǎn)

西科斯基和波音根據(jù)美國陸軍需求，研發(fā)出擁有多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新和歷史性突破的SB-1 直升機(jī)，在速度、航程、推進(jìn)螺旋槳、剛性旋翼、流線型機(jī)身等方面具有諸多亮點(diǎn)，西科斯基-波音的13.6 噸級(jí)SB-1 融合了共軸式剛性旋翼、集成推進(jìn)器、電傳操縱系統(tǒng)和主動(dòng)振動(dòng)抑制技術(shù)，是3 噸級(jí)X2 技術(shù)驗(yàn)證機(jī)和5 噸級(jí)S-97“突襲者”的衍生產(chǎn)品。SB-1 采用全復(fù)合材料機(jī)身，可在高溫-高原環(huán)境下搭載4 名機(jī)組成員和12 名全副武裝的士兵。

5 Raider X 延續(xù)了美國共軸直升的未來構(gòu)想

美國陸軍于2018 年10 月啟動(dòng)了“未來攻擊偵察飛行器（FARA）”的競標(biāo)，Raider X 作為項(xiàng)目之一參加了競標(biāo)。2019 年航展上，西科斯基公司展示了“RaiderX”共軸直升機(jī)。“RaiderX”融合了多年來在X2 直升機(jī)技術(shù)的開發(fā)、測試和升級(jí)中所吸收到的經(jīng)驗(yàn)，并為作戰(zhàn)人員提供了攻擊能力強(qiáng)的智能裝備，該直升機(jī)在未來戰(zhàn)場上具有出色的表現(xiàn)，尤其是空戰(zhàn)。2020 年3 月25 日，美國國防部宣布選擇西科斯基公司和貝爾公司的競標(biāo)方案進(jìn)入“未來攻擊偵察直升機(jī)”計(jì)劃的第二階段。在此階段，兩個(gè)入圍的競標(biāo)公司必須研制出原型機(jī)。按照計(jì)劃，美軍將選擇其中一方，在2028 年投入批量生產(chǎn)。Raider X 是一款共軸旋翼飛行器，具有共軸反向旋轉(zhuǎn)雙旋翼和1 個(gè)尾部推進(jìn)螺旋槳。如果其性能與X2 相似，則Raider X 的速度將超過250 節(jié)（463km/h），并能在9000 英呎（2743m）高空上運(yùn)行。它具有低速和高速機(jī)動(dòng)能力，擁有超過60°的傾斜角，并具有增強(qiáng)的低速懸停和加速功能。Raider X直升機(jī)如圖7 所示[7]。

圖7 RaiderX直升機(jī)

2017 年4 月10 日，西科斯基和波音公司公開了其FVL中型機(jī)競標(biāo)項(xiàng)目（FVL-M）的“攻擊型”。陸軍用FVL-M同時(shí)替代UH-60“黑鷹”運(yùn)輸直升機(jī)和AH-64“阿帕奇”武裝直升機(jī)。“攻擊型”與SB-1 共享發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)、推進(jìn)器和操縱系統(tǒng)、燃油箱、航電設(shè)備和電子設(shè)備等，增加了武器裝置。FVL-M 直升機(jī)概念圖如圖8 所示。

圖8 FVL-M直升機(jī)概念圖

6 結(jié)語

西科斯基于20 世紀(jì)50 年代最先開始ABC 旋翼的研制，并于1972 年制造出XH-59A 驗(yàn)證機(jī)，正式開始ABC旋翼的驗(yàn)證工作。經(jīng)過不斷的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，XH-59A 驗(yàn)證機(jī)創(chuàng)造了488km/h 的速度和7770m 升限的直升機(jī)飛行速度記錄，驗(yàn)證了ABC 旋翼的可行性。進(jìn)入21 世紀(jì)，世界各大直升機(jī)公司均開始共軸剛性ABC 旋翼的研制工作，西科斯基依然走在這項(xiàng)技術(shù)的最前沿。