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中國第五代直升機缺乏研發規劃 整體處於無序狀態
華夏經緯網   2013-09-12 14:39:19   
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  自1939年西科斯基公司推出第一架實用的直升機VS-300以來,隨著直升機氣動、旋翼、材料、航電、飛控、發動機等技術取得長足的進步,帶來直升機整體性能的提升。目前直升機的飛行速度可達到300千米/時,空重比0.5,振動水準降至0.05g,內部噪聲低於85db,使用壽命可達數千小時。當前直升機研發在注重基本功能性能的同時,其競爭力主要體現在保障性、經濟性、舒適性等綜合性能上,如中法聯合研製的直15/EC175直升機對市場的宣傳詞“寬敞、舒適、安全”是現代直升機研發理念的最佳體現。

  直升機的獨特功能體現其在航空器中的優勢,但自上世紀70年代,直升機在飛行性能、噪聲控制等方面並沒有突破性的進展,現代直升機仍存在三個不可回避的缺點:一是速度低、二是噪聲大、三是振動大。如果這些問題得到解決,直升機將是完美的飛行器。造成這些問題的原因是直升機構型決定的,旋翼是直升機的唯一升力面,同時又是操縱面,其設計已接近物理學極限,旋翼槳盤面必然會出現升力不對稱的現象,即直升機飛行時前行槳葉和後行槳葉的氣動狀態是不一樣的,出現後行槳葉失速、前行槳葉馬赫阻力以及回流區,這種現象導致直升機不能高速飛行和並產生較大振動和噪聲。此外,直升機發動機排放物引起環境污染也是一個需關注的問題。

  從目前技術狀況看,要同時解決這些問題,技術難度很大,只能分別去解決。對解決速度低的問題,目前有一些新構型直升機的發展,稱之為高速直升機。對降低噪聲和發動機排放物污染,這類直升機稱之為綠色直升機。振動問題由於結構動力學分析技術和主動控制技術的發展已基本得到解決。

  隨著直升機的廣泛應用,用戶及公眾對直升機的使用會提出更高的要求,因此提高速度、降低污染成為直升機專家必須解決的問題。在可以預見的未來,直升機的市場競爭必然由“用戶滿意”進入“用戶和公眾滿意”時代。

  高速直升機

  高速直升機是指保留直升機的飛行特徵,且巡航速度達400∼500千米/時的直升機。目前直升機的巡航速度一般在200∼300千米/時,顯然,與目前的直升機相比,其運輸效率及機動性有非常大的提升。

  作為直升機技術的領頭羊,美國自上世紀五六十年代就開始對高速直升機進行探索,歐直、俄羅斯直升機公司近期也在積極跟進,典型的研究項目有:

  貝爾533高性能研究直升機,1962年,在YUH-1B基礎上,在機身增裝空氣動力整流罩,採用代彎度的垂尾給尾槳卸載,採用傾斜的旋翼軸。在機身兩側安裝小的後掠機翼、安裝2台渦輪噴氣發動機。經過3階段的試飛,1969年5月,平飛速度達到509千米/時。

  洛克希德186高性能剛性旋翼研究直升機,軍方編號為XH-51A,1962年,該機減阻設計方面採用了外蒙皮埋頭鉚接,機身採用埋頭密封鉚接。旋翼軸前傾6度,全收放起落架。該機左側安裝一台渦輪噴氣發動機,機身兩側安裝懸臂式單翼。1967年6月,平飛速度達到487千米/時。

  西科斯基S-69ABC旋翼機研究機,1964年西科斯基公司公司開始研究ABC旋翼系統,它是由2副共軸反向旋轉的剛性旋翼組成,利用前行槳葉的氣動升力,消除後行槳葉的失速,提高旋翼系統的升阻比和高速飛行性能。同時取消尾槳系統。在尾部安裝推進時螺旋槳。通過不停的改進,1982年,平飛速度達到445千米/時。

  西科斯基S-72旋翼系統研究機,1973年,該機為單旋翼帶尾槳式佈局,裝有輔助機翼和固定翼飛機那樣的尾面,2台渦軸發動機在機身上部,機身兩側裝有2台輔助渦輪風扇發動機,後三點起落架。後採用新設計的X翼代替傳統旋翼,該驗證機按直升機的方式進行起飛和懸停,然後轉變為固定翼機飛行,1985年,平飛速度達到463千米/時。

  皮亞塞基X-49“速度鷹”新概念驗證機,以西科斯基的H-60機體為基礎加裝推力涵道螺旋槳,機身兩側增加機翼,翼面上同時裝有襟副翼。2007年實現首飛,期望平飛速度超過370千米/時。

  俄羅斯米-X1、卡-92新概念驗證機,2008年,俄羅斯直升機公司公佈了高速直升機方案,卡-92是一種剛性共軸旋翼帶尾部推進共軸螺旋槳構型的技術驗證機,米-X1由一副旋翼和一副安裝在尾部的推力向量螺旋槳的技術驗證機。但未見最新的進展報道。

  以上對高速直升機的研究成果大部分因操縱、振動、重量效率、使用效費比等問題,沒有走向實用,但其單項技術在現代直升機設計中得到了廣泛的應用,提升了常規直升機的技術水準,為高速直升機的進一步發展打下了良好的基礎。

  走向實用的高速直升機

  隨著直升機技術和電腦控制技術的發展,對以前探索高速直升機存在的一些難題逐步有了解決的途徑。目前看到的可能走向工程實用的高速直升機有美國西科斯基公司的X2,歐直公司的X3。

  以XH-59A ABC旋翼驗證機為基礎,2005年,西科斯基公司開始宣佈進行X2項目的研製,研製了2架技術驗證機。該機採用共軸反向旋轉旋翼系統,尾部安裝由傳動系統驅動的推進器,並採用電傳操縱技術和振動主動控制技術解決操穩和振動問題。西科斯基公司分四個階段完成了X2的飛行測試,第一階段,在沒有推進器的情況下,飛行速度達到40節;第二階段,在驗證機上安裝6片槳葉的尾推進器,飛行速度達到106節;第三階段,對槳轂、起落架、上座艙等加裝整流罩,降低阻力,飛行速度大180節,第四階段,2010年9月15日,飛行速度達到250節(463千米/時),發動機功率還有20%的儲備。

  2010年10月20日,西科斯基公司宣佈應用X2技術,自籌經費研製2架S-97“襲擊者”原型機,進行設計、生產和飛行試驗,競爭美陸軍的武裝空中偵察機項目(AAS),該機將容納6名乘員,並可攜帶武器,目標巡航速度220節。預計2018年完成研製工作。

  2008年1月,歐直公司開始X3高速長航程混合直升機技術驗證機的試驗工作。該機使用了“海豚”AS365N3 的機體,EC155的5片旋翼系統,EC175的主減,RTM322發動機,在機身兩側的短翼末端安裝一對5葉螺旋槳,並由主減速器通過傳動系統驅動,以平衡反扭矩並提供前飛推力。旋翼和螺旋槳的動力可以分離。機身短翼能夠提供升力為旋翼卸載。2010年9月6日首飛;2010年11月9日,飛行速度達到180節;2011年5月12日,飛行速度達到232節(430千米/時),使用了不到80%的可用功率。2012年6月,X3到美國進行了巡展和飛行表演,並開始向用戶推介。

  歐直公司聲稱公司的目標不是要提高速度,而是要提高投產使用能力,認為達到高速要求將需要付出很大的成本代價。對生產型的高速符合是直升機來說,歐直給出與傳統的直升機相比,使用成本和購機成本不得超過25%和20%的上限。歐直公司期望在2020年這種直升機將投入使用。

  V-22是傾轉旋翼機,外形與常規的固定翼飛機差不多,有機翼和尾翼,還有升降舵、方向舵和襟翼。旋翼和發動機組件安裝在機翼兩端,該組件可在水準和垂直的位置之間轉動90度,可以以直升機和固定翼兩種方式飛行。從嚴格的定義上看,V-22以固定翼方式實現高速飛行,不屬於直升機的範疇,因此不是高速直升機

  20世紀50年代,美國貝爾公司開始傾轉旋翼機技術的探索,主要驗證機包括:

  XV-3,原理驗證機,共製造了2架,1架墜毀,主要用於傾轉旋翼技術原理可行性驗證。

  XV-15,方案驗證機,共製造了2架,1架用於過渡狀態評估,另一架主要用於飛行包線擴展試驗和操縱品質評估,並評估軍民用的可能性與需求。

  V-22,工程研製機,共製造10架原型機,主要用於功能和任務能力驗證,1983年4月開始研製試驗,1999年完成美國海軍陸戰隊的評定,

  V-22傾轉旋翼機以直升機方式飛行時,最大飛行速度185千米/時,以固定翼機方式飛行,最大飛行速度509千米/時。目前已交付美國海軍和空軍超過200架。

  在V-22技術基礎上,阿古斯塔·韋斯特蘭公司和貝爾公司于1996年聯合研製民用傾轉旋翼機BA609,2011年貝爾公司撤出該項目,項目改名為AW609,2003年首飛,預計2016年取證。2012年,阿韋公司宣稱完成了85%的飛行包線試驗,並且收到了70架訂單。

  中國直升機應對之策

  可以預測,美國、歐洲先進直升機公司研製的高速直升機將在2020左右逐步投入市場使用,世界上直升機將進入第五代發展時期。特別對民用直升機,歐美等國將來極有可能推出新的適航規章,要求新研的民用直升機貫徹新的適航標準。如果我們在高速、綠色直升機方面不能有所作為,可能會造成代際差距。2020年後,中國直升機產業將會面臨發展的重大技術門檻。

  我國對高速直升機技術的研究工作,目前仍處於探索階段。以中國直升機設計研究所為代表的相關院所,和有關大學都在關注下一代直升機的發展,並積極選擇各自感興趣的方向開展研究。但由於沒有國家層面的研究規劃,整體上處於無序狀態,這種狀況對我國直升機發展是極其不利的。

  高速直升機技術發展涉及直升機、發動機、新材料、電子控制、新能源等行業的眾多學科,因此,需要統籌相關行業並借鑒歐美的研究發展經驗,從國家層面對高速直升機進行整體規劃,確定研究目標和研究內容、制定研究實施計劃,在國家政策上予以支援,落實研究經費和管理措施。

  從研究途徑看,一方面,通過國家有關部門協調各行業優勢力量,組織國家隊,立足自主研究,合力攻關、提高技術發展能力,這是最根本的途徑;另一方面要加強與國際直升機屆的交流,跟蹤國際上的研究進展情況,鼓勵國內直升機及發動機行業與國際先進公司及相關組織的合作,建立開放的研究體制。

  中國是發展中的大國,也是直升機的使用大國,中國直升機現處於發展的關鍵時期,對高速、綠色直升機技術的專項研究已刻不容緩,只有採取切實的行動,才能實現中國直升機的持續發展。(中國航空報)

 

責任編輯:胡光曲

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