共軸剛性旋翼構型高速直升機發展研究

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2023年9月13日 10:31

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摘要

共軸剛性旋翼帶推力槳構型在保留常規直升機優異近地面機動能力的基礎上,可實現速度與航程提升一倍,是下一代軍用直升機的主要構型。本文從直升機構型發展需求出發,系統梳理了共軸剛性旋翼的概念原理、技術攻關和型號預發展過程,并以美軍未來高速直升機型號發展和直升機技術發展趨勢,提煉并概括了以高速直升機裝備為代表的下一代軍用直升機的典型技術特征,對高速直升機的發展提出一些建議。

直升機具有垂直起降、空中懸停以及優良的近地面機動性能，在軍、民用領域發揮著不可替代的重要作用。然而，受旋翼工作原理的約束，當前飛速度疊加旋翼轉速接近聲速時，旋翼前行側會產生激波、后行側動態失速，因此，一般直升機的平飛速度很難超越300km/h，限制了直升機在軍、民用領域的應用拓展。在保留常規直升機獨特的垂直起降、低空懸停以及機動能力的基礎上，突破旋翼工作原理對速度的限制，實現高速飛行，一直是美歐等航空強國持續追求的目標。以美國西科斯基公司S-97、SB>1為代表的高速直升機，通過共軸剛性旋翼帶推力槳構型實現旋翼工作模式的優化，在保留常規直升機優異近地面機動能力的基礎上，平飛速度提高至450km/h以上，航程大于1200km，是下一代軍用直升機的主要構型。本文將系統地梳理共軸剛性旋翼的概念原理，分析國外共軸剛性旋翼帶推力槳構型的高速直升機的關鍵技術攻關歷程，以及當前的型號預發展情況，在此基礎上，通過對美軍未來高速直升機型號與技術發展趨勢的分析，提煉并概括下一代軍用直升機的典型技術特征，并對國內高速直升機的發展提出建議。

共軸剛性旋翼概念

共軸剛性旋翼是國內對前行槳葉概念（ ABC ）的別稱，源自文藝復興時期達 · 芬奇的 “ 旋翼機 ” 假想圖，但是由于它對旋翼結構的要求遠遠超出了當時的技術水平，直到 20 世紀 60 年代，西科斯基公司采用鈦合金制造旋翼槳葉以探索共軸剛性旋翼技術，才正式開啟了西科斯基公司長達近 60 年的共軸剛性旋翼構型高速直升機的研發之路。

常規直升機旋翼受到前行槳葉激波限制（見圖 1 ）和后行槳葉失速限制（見圖 2 ），飛行速度最大只能到 300km/h 左右。而共軸剛性旋翼構型高速直升機打破了常規直升機旋翼的工作原理（見表 1 ），采用前行槳葉概念和共軸雙旋翼構型，只通過旋翼前行側提供升力，后行側不提供升力，充分利用了旋翼前行側動壓大的優勢，避免了后行側失速對飛行速度的限制；同時，在高速飛行時，降低旋翼轉速以減弱前行槳葉激波的限制，并采用輔助推進裝置 ( 推力槳 ) 提供足夠的前進力。該構型直升機結構緊湊，保留并提升了常規直升機低空機動能力，可實現大幅度的速度提升。

二戰后，美國經濟和科技高速發展，試飛了多種復合式高速直升機，并有明確的計劃牽引和競爭決策機制。在該背景下， 1964 年起，美國西科斯基公司對前行槳葉概念旋翼進行了大量的探索性研究和技術攻關，包括旋翼氣動設計、剛性旋翼結構設計、動力學設計、飛行操縱與控制、縮比模型風洞試驗等，并于 1970 年在 NASA-AMES 40ft×80ft 風洞中進行了全尺寸共軸剛性旋翼風洞試驗驗證，這標志著前行槳葉概念旋翼的理論分析和試驗研究達到了頂點，并初步驗證前行槳葉概念旋翼系統的技術可行性和性能潛力。 1972 年，在美國陸軍的資助下，西科斯基公司開始研制 XH-59A 技術驗證機，并且在 1973—1981 年間，完成了大約 170h 的試驗飛行。 XH-59A 在試飛中，最大飛行速度達到了 487.5km/h ，并表現出了卓越的操縱品質，剛性旋翼提供了較大的操縱功效，機動能力顯著提升，充分驗證了前行槳葉概念的可行性。陸軍在對 XH-59 A 的評價報告中指出 “ 共軸剛性旋翼具有應用于陸軍戰術直升機上的出色潛力，經試驗驗證的敏捷性、穩定性和提升后的飛行速度可以增強戰術飛行人員的作戰能力，并在現代戰場上取得勝利 ” 。

共軸剛性旋翼構型高速直升機發展研究的圖1

圖1 常規直升機旋翼的飛行速度限制

共軸剛性旋翼構型高速直升機發展研究的圖2

圖2 常規旋翼和共軸剛性旋翼的技術原理對比

表1 共軸剛性旋翼技術創新點

共軸剛性旋翼構型高速直升機發展研究的圖3

盡管 XH-59A 的研制與試飛取得了令人印象深刻的成就，但由于其本身是一個概念驗證機，研制經費和周期均有限，在設計過程中進行了多次折中， XH-59A 存在幾個重要的設計缺陷 : （ 1 ）由于旋翼系統和推進器分別采用各自的動力系統和傳動系統，導致整機空重比低；（ 2 ）由于旋翼振動載荷較大，并且采用的是三片槳葉構型，導致機身振動水平過高；（ 3 ）由于整副旋翼阻力過大，導致整機升阻比不高。為克服這些缺點， 1982 年，西科斯基公司對 XH-59A 進行大范圍的改進，形成了 XH-59B 構型方案，而后，西科斯基公司將開發和試飛 XH-59B 的建議遞交到了陸軍，但西科斯基公司拒絕分擔成本（部分原因是公司資源過度緊張），因為當時正同時開發 UH-60“ 黑鷹 ” 、 SH-60“ 海鷹 ” 、 CH-53E“ 超級種馬 ” 和民用型 S-76 ，最后導致陸軍未授予合同，因此 XH-59B 就此終止，這也標志著共軸剛性旋翼技術探索階段的結束。

共軸剛性旋翼構型高速直升機發展研究的圖4

圖3 美國XH-59A高速直升機

共軸剛性旋翼技術的深入發展

雖然結束 XH-59 型高速直升機技術驗證機項目，但西科斯基并未放棄共軸剛性旋翼構型，并一直在作相應的技術儲備。直至 2004 年，西科斯基公司借助于自身 20 多年常規直升機技術發展成果，又開始了新一輪的共軸剛性旋翼構型高速直升機技術研究，并于 2005 年初公開宣布了 X2 技術驗證機計劃。西科斯基公司借鑒了 XH-59A 研制和試飛經驗，并針對 XH-59A 仍然存在的設計缺陷進行了有針對性的改進設計，并實施于 X2 技術驗證機，攻克了多項共軸剛性旋翼構型高速直升機關鍵技術：（ 1 ）尾部加裝推力槳以代替 XH-59 的噴氣式發動機，并采用單臺 LHTEC T800-LHT-801 發動機為共軸剛性旋翼和推力槳提供動力，簡化的動力和傳動系統，降低了空機重量（質量），從而提升了全機的空重比；此外，采用全復合材料進行槳葉研制，也在一定程度上降低了旋翼系統和空機的重量。（ 2 ）對 UH-60M 和 S-92A 型機上使用的振動主動控制系統進行改進，并應用于 X2 技術驗證機，以大幅降低其振動水平；同時，將槳葉片數由 XH-59A 的三片（單副旋翼）改為 4 片，也在一定程度上降低了 X2 的振動水平。（ 3 ）重新設計了效率更高的共軸剛性旋翼槳葉和推力槳，并采用現代計算流體力學（ CFD ）工具設計了低阻的槳轂整流罩，大幅提升了旋翼系統的氣動效率。（ 4 ）采用新型的電傳飛控系統，大幅降低了飛行員的工作負荷。

X2 技術驗證機最大設計平飛速度 490km/h ，巡航速度 460km/h ，并于 2010 年實現了 463km/h 的巡航飛行，振動水平降至 0.1g 以下，操縱功效達到普通直升機的三倍，槳轂阻力降低至 50% 以下。從西科斯基公布的 X2 技術驗證機的試飛結果來看， X2 的研制獲得了極大的成功，充分驗證了共軸剛性旋翼構型高速直升機各項關鍵技術、技術可行性和優異的性能潛力，也給了西科斯基公司后續研發這種構型高速直升機極大的信心。

共軸剛性旋翼構型高速直升機發展研究的圖5

圖4 美國X2技術驗證機

共軸剛性旋翼構型高速直升機的型號預發展

2003 年以后，美軍針對軍用直升機開展了專項調研，得出了 4 點結論：（ 1 ）現役最先進的 “ 阿帕奇 ”AH-64 和 “ 黑鷹 ”UH-60 多次被擊落，曝露出軍用直升機速度慢、生存力不高的缺陷；（ 2 ）高頻使用導致現役直升機加速老化，運行和維護費用激增；（ 3 ）現役直升機在航程、速度、有效載荷、可靠性等多達 55 個缺陷方面必須提升和改善；（ 4 ）長期沒有新研直升機型號導致美國直升機行業基礎日益退化。針對以上現實缺陷， 2008 年美國國會旋翼飛行器核心小組要求制定未來旋翼飛行器戰略發展計劃。在此背景下，未來垂直起降飛行器（ future vertical lift,FVL ）項目被提出，并于 2009 年經美國國防部批準實施。該項目由美國陸軍領銜負責，海軍、空軍、特殊作戰指揮部、海軍陸戰隊和海岸警衛隊等軍兵種參與。 FVL 項目以旋翼飛行器的發展為主，主要著眼于美國軍方和工業部門垂直起降能力和技術的發展，提出充分利用現有資源研發出滿足實戰需求的旋翼飛行器構型，為美國軍方提供更優的旋翼飛行器解決方案，并通過 FVL 項目，充分研究、驗證高速旋翼飛行器的各項關鍵技術，確保美國旋翼飛行器技術領先并持續發展。

FVL 項目計劃在未來 50 多年里替換 6100 多架面臨老齡化的旋翼飛行器，并為此提出了 “ 系統家族 ” 的概念，強調通用、開放和系列化，涉及輕型、中型和重型直升機研發。輕型將用于替代 “ 基奧瓦勇士 ”OH-58 直升機；中型將用來替代陸軍的 “ 黑鷹 ”UH-60 、 “ 阿帕奇 ”AH-64 和海軍的 “ 海鷹 ”SH-60 等直升機，大約 4100 架；重型主要用于替代 “ 支奴干 ”CH-47 直升機。由于 FVL 項目由美軍多軍兵種共同參與，參與方對裝備需求有顯著差異，為此項目團隊于 2015 年引入了 “ 任務能力集 ” （ Cap Set ）概念，通過能力集的不同組合構建不同的作戰需求，并牽引不同的平臺研發。

共軸剛性旋翼構型高速直升機發展研究的圖6

圖5 FVL系列化發展規劃

美國陸軍為降低 FVL 項目中型號研制的風險和成本，在 2010 年提出了聯合多用途旋翼飛行器 FVL-JMR 子項目，擬通過研發多種構型旋翼飛行器技術驗證機，來驗證各項平臺與任務系統的先進技術，以滿足更高速度、生存性和可靠性，更大航程和有效載荷的共性需求，支撐后續不同噸位和用途的旋翼飛行器型號裝備研發，并為 FVL 項目的型號任務需求、指標要求等提供決策指導。

在 FVL-JMR 項目的牽引下，美國西科斯基 - 波音團隊以 13t 級的共軸剛性旋翼構型高速直升機 SB>1“ 無畏 ” 參與 JMR 項目的競標，并順利成為進入到飛行驗證階段的兩型高速旋翼飛行器之一。雖然在此之前，西科斯基公司已有了 XH-59A 、 X-2 兩型技術驗證機的研制經驗，但為進一步降低大重量的 SB>1 的技術風險，西科斯基在 SB>1 之前，還研制了一型 5t 級技術驗證機 S-97“ 侵襲者 ” 。 S-97 配備了單臺 YT706-GE-700R 渦軸發動機，于 2015 年首飛，并在 2018 年 10 月，逐步將飛行速度擴展到 370km/h ，最大飛行速度有望突破 463km/h ，但近期的試飛結果尚未公布。而 SB>1 也于 2019 年 3 月實現首飛，并在 6 月的拓展飛行試驗中達到 380km/h ，下一步將繼續拓展飛行包線，其設計巡航速度約為 425km/h ，最大飛行速度約為 460km/h 。

根據 S-97 、 SB>1 的試飛進展，共軸剛性旋翼構型高速直升機優異的近地面機動能力和高速飛行能力，高度契合 FVL 項目和美軍的作戰需求，在 FVL 項目的競標中都展現出較為明顯的優勢，有望分別贏得 FVL 項目中輕型攻擊偵察直升機（ FARA ）和中型遠程攻擊飛行器（ FLRAA ）研制合同，并于 2030 年前后裝備部隊， 2035 年形成作戰能力。

共軸剛性旋翼構型高速直升機發展研究的圖7

圖6 美國S-97技術驗證機

共軸剛性旋翼構型高速直升機發展研究的圖8

圖7 美國SB>1技術驗證機

典型技術特征

在過去的 30 年中，各軍事強國間的直升機裝備性能逐漸趨于平衡，基于保持持續軍事優勢的需要，美國先后發布了 “ 未來攻擊偵察飛行器 ” （ FARA ）與 “ 未來遠程攻擊直升機 ” （ FLRAA ）信息征詢書，明確了高速直升機作為下一代直升機裝備的主體地位，也為下一代直升機裝備給出了基本的概念圖像。

(1）機載平臺高速化

最大飛行速度可達到 450 ～ 600km/h ，突破常規直升機速度限制。為實現高速化目標，高速直升機必須采用非常規構型，包括共軸、傾轉等，以規避目前常規直升機存在的旋翼限制；采用具備變轉速調節能力的先進渦軸發動機與傳動系統，保證高速飛行所需的功率輸出，以及持續飛行時的低油耗；采用高效旋翼系統及全復材機體結構，以保證高氣動效率與重量效率。

(2）機載系統綜合化

采用綜合模塊化系統開放式架構，通過高性能模塊化的硬件、靈活可移植的應用軟件和統一高速互聯網絡，實現機載系統軟硬件基于任務能力的靈活擴展、處理資源的共享、系統功能的智能重構，解決在未來作戰環境下，機載平臺作為一個信息節點，獲取、處理、傳輸大量的平臺內外海量多源信息需求與平臺可用空間等有限資源的矛盾，具有 “ 云航電 ” 特征，實現任務系統 “ 即插即用 ” 。

(3）飛行控制趨于自主化

基于高性能綜合任務處理單元與高速互聯網絡，下一代直升機裝備具備與無人機和無人蜂群協同控制與作戰能力，實現戰場數據共享，飛行控制、態勢感知和智能決策相互協同。同時具備有人 / 無人雙模式飛行能力，即有人駕駛與無人駕駛自主飛行雙模式選擇，可實現人與機共同配合完成飛行與作戰任務，擴展的無人飛行管理系統提供輔助決策作用，提供飛行、任務引導等信息供飛行員完成任務，減輕飛行員操縱負荷的同時，可對直升機飛行狀態、空域管理、外部信息等進行監控，提高直升機自主化能力。

(4）人機交互智能化

采用大屏多點觸摸顯示、三維音響告警、語音控制等先進的人機交互方式，通過大屏顯示器、綜合頭盔顯示器、綜合控制手柄等構件、高效智能的人機界面接口，并通過多通道控制，實現飛行引導指示、武器攻擊指示、戰場態勢顯示、威脅與告警及對直升機系統的各類控制與交互，有效增強飛行員對態勢的感知程度，并減輕操作負荷，滿足貼地飛行、空地和空空作戰、與無人機協同作戰過程中，高負荷操作的任務需求。另外，電傳操縱或光傳操縱技術成為基本配置，全面提升直升機的飛行品質，保證駕駛員具有優良的操縱體驗。

(5）武器系統模塊化

采用模塊化內埋武器和外掛武器互換設計技術，通過武器系統貫標實現對空空、空地武器的全面兼容，實現外掛物 “ 即插即用 ” 和武器裝備快速裝機，改變傳統構型中由于接口規格多樣需配備專用接口單元的缺陷，以更好地適應未來新型武器不同的需求。同時，可攜帶常規武器與新概念武器，支持系統的高性能、高生存性、可升級性和可負擔性，實現作戰能力的跨越式提升。