南京航空航天大學(xué)直升機(jī)旋翼動(dòng)力學(xué)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 朱清華 張呈林

直升機(jī)是以旋翼為主要升力和前進(jìn)供力裝置的航空器，由于它特有的低空低速高機(jī)動(dòng)及高效懸停的特性，已在軍事和民用領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。近年來，因?yàn)樵诰植繎?zhàn)爭(zhēng)及自然災(zāi)害救援搶險(xiǎn)中的出色表現(xiàn)和獨(dú)特性能,直升機(jī)再度成為航空研究和發(fā)展的熱點(diǎn)，再加上各種相關(guān)新技術(shù)的飛速發(fā)展，為多種具有垂直起降及懸停飛行特征的新概念直升機(jī)的研究、發(fā)展和變革提供了有利條件。下一代直升機(jī)在軍用領(lǐng)域要求飛行速度更快、機(jī)動(dòng)性能更好、生存能力更強(qiáng)、航電武器更先進(jìn)，適應(yīng)全天候惡劣環(huán)境作戰(zhàn)；在民用領(lǐng)域要求全壽命周期成本低、安全可靠、低噪聲、低振動(dòng)、低污染。

各代直升機(jī)技術(shù)特點(diǎn)

1 直升機(jī)劃代

從公元前的中國(guó)古代發(fā)明——竹蜻蜓，到15世紀(jì)意大利人達(dá)·芬奇的直升機(jī)草圖，都為現(xiàn)代直升機(jī)的發(fā)明提供了啟示，指出了正確的思維方向。18世紀(jì)，俄國(guó)人羅蒙洛夫進(jìn)行了第一次直升機(jī)旋翼模型試驗(yàn)；1907年，法國(guó)人科爾尼采用縱列式雙旋翼布局原始直升機(jī)完成了動(dòng)力飛行器第一次載人垂直離地飛行；1911年，俄國(guó)人尤里耶夫發(fā)明了自動(dòng)傾斜器，徹底解決了直升機(jī)的操縱問題；1923年，西班牙人西爾瓦解決揮舞問題并發(fā)明鉸接式旋翼；1926年，英國(guó)人格勞渥發(fā)表旋翼機(jī)基礎(chǔ)理論；1937年，德國(guó)?？?烏爾夫公司改進(jìn)推出的橫列式雙旋翼直升機(jī)FW61是人類第一種真正可以操縱的直升機(jī)；1939年，美籍俄國(guó)人西科斯基成功地讓世界上第一架具有真正實(shí)用意義的直升機(jī)——VS-300升空，這種單旋翼帶尾槳式直升機(jī)得到大量生產(chǎn)及應(yīng)用；1946年，美國(guó)人貝爾制造的Bell-47獲得美國(guó)政府第一次頒發(fā)的直升機(jī)適航證……這些個(gè)人及組織的嘗試和開拓為直升機(jī)的發(fā)展開辟了道路，也奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，從此，直升機(jī)的發(fā)展進(jìn)入到實(shí)用階段。

目前國(guó)際上還沒有統(tǒng)一的直升機(jī)劃代分類標(biāo)準(zhǔn)，但直升機(jī)主流研發(fā)機(jī)構(gòu)認(rèn)可的通用做法是根據(jù)直升機(jī)主要技術(shù)特征（如旋翼槳葉材料、發(fā)動(dòng)機(jī)類別、振噪水平等）進(jìn)行劃分。到目前為止，在技術(shù)特征上可劃分出四代直升機(jī)，如表1所示。

表1 直升機(jī)技術(shù)特征劃代比較

直升機(jī)技術(shù)經(jīng)歷了四代發(fā)展,目前已經(jīng)邁向第五代（但還沒有形成明確的共性技術(shù)特征）。從第一代直升機(jī)到第四代直升機(jī)，每一代新直升機(jī)的問世，都是直升機(jī)重要關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新的結(jié)果。

2 各代直升機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)特點(diǎn)

實(shí)用型直升機(jī)出現(xiàn)后，作為直升機(jī)時(shí)代的開端，第一代直升機(jī)因?yàn)榧夹g(shù)還不成熟，圍繞功能設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)正常的安全飛行是當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)技術(shù)的主要研究?jī)?nèi)容，故各專業(yè)設(shè)計(jì)方法基本還沒有成形。因固定翼飛機(jī)起步早，發(fā)展也比直升機(jī)迅速而成熟，故早期直升機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)基本是套用固定翼飛機(jī)同種或相似的方法、技術(shù)，在涉及旋翼系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，則借鑒了自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)相關(guān)方法和技術(shù)。自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)早在20年代初就得到了發(fā)展，比直升機(jī)起步早了約15年，它的旋翼技術(shù)為直升機(jī)的發(fā)展鋪平了道路。

20世紀(jì)60年代初，第二代直升機(jī)開始發(fā)展，設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)從功能設(shè)計(jì)開始轉(zhuǎn)向性能設(shè)計(jì)，發(fā)動(dòng)機(jī)、旋翼槳葉、機(jī)體結(jié)構(gòu)等方面都開始有針對(duì)性設(shè)計(jì)，并提出專用氣動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。第二代直升機(jī)在各領(lǐng)域的使用，尤其是美軍在越南戰(zhàn)場(chǎng)上大規(guī)模使用直升機(jī)，以及專用武裝直升機(jī)的出現(xiàn)，讓直升機(jī)產(chǎn)業(yè)走向了輝煌。軍民多方廣闊的需求讓直升機(jī)技術(shù)得到了更多人、物、財(cái)?shù)耐度?，各專業(yè)設(shè)計(jì)技術(shù)開始有了大的發(fā)展。隨著直升機(jī)型號(hào)類別及數(shù)量的逐步增加，積累了豐富的研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、使用維護(hù)經(jīng)驗(yàn)的直升機(jī)專業(yè)研發(fā)機(jī)構(gòu)和商業(yè)公司開始分門別類建立起直升機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)，并全面研究了直升機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)和方法。針對(duì)概念設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)及詳細(xì)設(shè)計(jì)等階段和直升機(jī)各系統(tǒng)、各學(xué)科設(shè)計(jì)工作，基本形成了可用的專用方法，但還沒有形成整體的系統(tǒng)方法。在研制過程中采用這些設(shè)計(jì)技術(shù)雖然最終能夠完成第二代直升機(jī)的設(shè)計(jì)工作，但因?yàn)橐蕾囉诮y(tǒng)計(jì)分析或參考樣機(jī)，設(shè)計(jì)結(jié)果與設(shè)計(jì)者個(gè)人的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)水平有很大關(guān)系，且設(shè)計(jì)過程周期長(zhǎng)、效率低，所以此時(shí)設(shè)計(jì)技術(shù)不僅效率很低，而且也難形成完整的合理設(shè)計(jì)方案，在直升機(jī)研制的后續(xù)工作中對(duì)前期方案還需不斷做出修正調(diào)整。

伴隨著系統(tǒng)工程方法論和計(jì)算機(jī)技術(shù)及優(yōu)化理論的迅速發(fā)展，基于優(yōu)化技術(shù)的設(shè)計(jì)技術(shù)及方法在第三代直升機(jī)研制中得到廣泛應(yīng)用，對(duì)直升機(jī)型號(hào)的發(fā)展起到積極的推動(dòng)作用。此時(shí)的設(shè)計(jì)技術(shù)主要特點(diǎn)是有了明確的設(shè)計(jì)目標(biāo)，通過系統(tǒng)尋優(yōu)、迭代計(jì)算完成的面向設(shè)計(jì)的方法。研究機(jī)構(gòu)還引入并行工程技術(shù)，將直升機(jī)頂層設(shè)計(jì)和局部設(shè)計(jì)以優(yōu)化方式結(jié)合起來，探索開展直升機(jī)多層次優(yōu)化設(shè)計(jì)。在頂層，對(duì)直升機(jī)構(gòu)型、總體參數(shù)及主要尺寸進(jìn)行優(yōu)化選擇；在局部?jī)?yōu)化部分，對(duì)直升機(jī)的關(guān)鍵特性和關(guān)鍵部件性能進(jìn)行優(yōu)化；在部件設(shè)計(jì)中，又包含了旋翼槳葉翼型優(yōu)化、直升機(jī)性能優(yōu)化、氣動(dòng)彈性穩(wěn)定性優(yōu)化和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等內(nèi)容。優(yōu)化設(shè)計(jì)使傳統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方法發(fā)生了根本性變革，即把經(jīng)驗(yàn)的、感性的、類比的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法轉(zhuǎn)變?yōu)榭茖W(xué)、邏輯、立足于計(jì)算分析的設(shè)計(jì)方法。

多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化是優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)近年來的最新發(fā)展。20世紀(jì)80年代以來，在飛行器研制中逐步推行并行工程的管理方法，多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化是并行工程管理思想在飛行器設(shè)計(jì)中的實(shí)際應(yīng)用。多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化用于解決直升機(jī)設(shè)計(jì)中各學(xué)科專業(yè)之間的相互耦合、計(jì)算以及信息組織的復(fù)雜性等問題，通過協(xié)調(diào)各學(xué)科專業(yè)之間的矛盾和沖突，利用各學(xué)科專業(yè)之間的相互作用和協(xié)調(diào)效應(yīng)，集成有關(guān)設(shè)計(jì)和計(jì)算分析工具，將直升機(jī)設(shè)計(jì)從傳統(tǒng)方法的孤立、串行的過程，轉(zhuǎn)化為并行和協(xié)同的過程，將各學(xué)科專業(yè)、系統(tǒng)部件的設(shè)計(jì)優(yōu)化和直升機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化并行開展。在第三代和第四代直升機(jī)設(shè)計(jì)中，多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)得到了普遍應(yīng)用。

從20世紀(jì)末開始，伴隨計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)理論和方法的發(fā)展及與優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用，針對(duì)第四代直升機(jī)研制戰(zhàn)技要求，直升機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)采用面向全壽命周期使用的設(shè)計(jì)理念，融合協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)、大規(guī)模并行計(jì)算、多學(xué)科設(shè)計(jì)等方法于一體，使直升機(jī)設(shè)計(jì)過程逐步向自動(dòng)化、集成化、智能化方向發(fā)展，從而提高了工程設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率，將直升機(jī)總體設(shè)計(jì)技術(shù)提高到一個(gè)新的水平。

現(xiàn)代直升機(jī)技術(shù)特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)

現(xiàn)代直升機(jī)市場(chǎng)是三代和四代機(jī)共存、五代機(jī)驗(yàn)證謀發(fā)展時(shí)期，現(xiàn)代直升機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)基本是以圍繞第四代直升機(jī)研發(fā)為主的技術(shù)。隨著第四代直升機(jī)和新構(gòu)型直升機(jī)的發(fā)展與使用，現(xiàn)代直升機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)日益體現(xiàn)出系統(tǒng)工程思想和并行工程思想耦合的特點(diǎn)?，F(xiàn)代直升機(jī)設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)綜合，喬治亞理工學(xué)院的綜合產(chǎn)品/過程研發(fā)模型（IPPD）就是一個(gè)典型的直升機(jī)設(shè)計(jì)綜合模型，涵蓋了從概念設(shè)計(jì)到制造工藝的整個(gè)過程，綜合了各主要學(xué)科的計(jì)算分析。

現(xiàn)代直升機(jī)設(shè)計(jì)要求越來越高，也越來越多。這些要求不僅包括飛行性能、結(jié)構(gòu)重量，還包括飛行力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、隱身能力、可靠性、維修性、保障性、經(jīng)濟(jì)性等。這些不同方面的設(shè)計(jì)要求通常相互影響、相互耦合，使得直升機(jī)設(shè)計(jì)涉及的學(xué)科越來越多，分工越來越細(xì)，而研制過程目標(biāo)日趨復(fù)雜不僅使設(shè)計(jì)周期越來越長(zhǎng)，而且使研制成本也越來越高。非經(jīng)典、非定常、非線性的各學(xué)科專業(yè)技術(shù)被全面成熟地應(yīng)用，特別是CFD、有限元法的成熟及相關(guān)商業(yè)軟件，如FLUENT、ANSYS、ABAQUS的成功，加之三維實(shí)體造型、電子樣機(jī)工具軟件（如CATIA、UG、Solidworks），已經(jīng)令直升機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)有了眾多“支持技術(shù)”。在專業(yè)學(xué)科及理論方法快速發(fā)展的同時(shí)，眾多可應(yīng)用到直升機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的“支持技術(shù)”被采用并融合。新一代或下一代直升機(jī)所涵蓋的工程學(xué)科會(huì)更多，各個(gè)學(xué)科的分析模型和方法水平不均、發(fā)展不同，且學(xué)科間耦合影響復(fù)雜，涉及到的人員和組織機(jī)構(gòu)越來越多，使用的分析工具和設(shè)計(jì)平臺(tái)各不相同。如何隨著建模計(jì)算技術(shù)、輔助設(shè)計(jì)技術(shù)、優(yōu)化分析技術(shù)等“設(shè)計(jì)支持”技術(shù)的豐富、完善及提升而不斷去陳推新，如何融合集成這些利器，解決信息交換、協(xié)調(diào)和集成及管理問題，使之在各學(xué)科各綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)中相互兼容、高速調(diào)用，發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)解決設(shè)計(jì)問題，實(shí)現(xiàn)總體/氣動(dòng)/動(dòng)力學(xué)/控制/隱身/成本/效能等多學(xué)科集成一體化綜合設(shè)計(jì)是直升機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

下一代直升機(jī)發(fā)展趨勢(shì)及特征

1 下一代直升機(jī)發(fā)展趨勢(shì)

下一代直升機(jī)在各分項(xiàng)上的發(fā)展趨勢(shì)主要有：（1）數(shù)字化綜合設(shè)計(jì)/制造/試驗(yàn)一體化技術(shù)全面推廣應(yīng)用；（2）傾轉(zhuǎn)旋翼技術(shù)日趨成熟，市場(chǎng)前景廣闊；（3）旋翼技術(shù)仍是直升機(jī)發(fā)展的主旋律；（4）復(fù)合材料大量應(yīng)用，智能材料前景誘人；（5）航空電子向數(shù)字化、集成化、綜合化、智能化方向發(fā)展；（6）飛行操縱系統(tǒng)從電傳向光傳操縱系統(tǒng)過渡；（7）減振降噪及安全性越來越受到重視。

研發(fā)先進(jìn)直升機(jī)已成為歐美直升機(jī)公司的共同方向，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面。

（1）不斷發(fā)展和應(yīng)用新技術(shù)，提升現(xiàn)有直升機(jī)飛行性能和綜合效能。

近期美國(guó)陸軍提出的“先進(jìn)攻擊直升機(jī)”研究計(jì)劃要求先進(jìn)攻擊直升機(jī)需具備以下典型技術(shù)特征：全天候作戰(zhàn)能力、高機(jī)動(dòng)貼地飛行能力、高生存性抗彈擊能力、高性能大速度飛行能力、高生存性抗墜毀能力、高維修性與后勤保障能力等。為了滿足這一需求，歐美等在已有單旋翼構(gòu)型直升機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)上，重點(diǎn)發(fā)展了先進(jìn)旋翼氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)技術(shù)、先進(jìn)無軸承槳轂設(shè)計(jì)技術(shù)、旋翼動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性主動(dòng)控制技術(shù)、高帶寬全權(quán)限飛行控制、直升機(jī)健康狀態(tài)與使用監(jiān)測(cè)等技術(shù)。

為了設(shè)計(jì)出高性能旋翼，目前國(guó)際上正在發(fā)展高效高精度的旋翼空氣動(dòng)力數(shù)值模擬方法，以支撐高性能、低噪聲旋翼槳葉氣動(dòng)外形和特型槳尖設(shè)計(jì)技術(shù)。例如，美國(guó)AH-64阿帕奇攻擊直升機(jī)進(jìn)行改進(jìn)升級(jí)時(shí)，除了增強(qiáng)其航電和武器火控系統(tǒng)外，為了提高飛行性能，首輪設(shè)計(jì)改進(jìn)就將旋翼矩形槳尖改成了后掠槳尖，使得旋翼氣動(dòng)性能得到明顯提高。歐洲直升機(jī)公司研制的“虎”式直升機(jī)，為了提高機(jī)動(dòng)性能采用了先進(jìn)的無鉸旋翼，操縱功效高，允許快速機(jī)動(dòng)，在沒有增穩(wěn)系統(tǒng)的情況下仍具有良好的操縱性。無鉸旋翼設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)基礎(chǔ)理論研究提出了更高要求，歐美在旋翼氣動(dòng)彈性耦合及動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性研究方面，正在發(fā)展包含旋翼多體動(dòng)力學(xué)氣彈耦合穩(wěn)定性建模分析方法，以及旋翼/機(jī)體耦合動(dòng)力穩(wěn)定性的主動(dòng)控制等方法，同時(shí)，加快了旋翼振動(dòng)載荷識(shí)別理論與應(yīng)用研究，將該技術(shù)轉(zhuǎn)化為直升機(jī)旋翼故障診斷與預(yù)測(cè)技術(shù)，目的在于提高直升機(jī)的安全性，減少使用維護(hù)費(fèi)用，增加直升機(jī)的出勤率。

AW 609傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)

先進(jìn)攻擊直升機(jī)強(qiáng)調(diào)大機(jī)動(dòng)，機(jī)動(dòng)過程中姿態(tài)變化幅度大，槳葉氣動(dòng)載荷的非定常、非線性特性，旋翼尾跡的動(dòng)態(tài)畸變效應(yīng)，槳葉的彈性變形以及發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性等已成為不可忽略的因素，因此美國(guó)目前正在發(fā)展包含非定常、非線性、可進(jìn)行時(shí)間推進(jìn)的旋翼自由尾跡的大機(jī)動(dòng)飛行動(dòng)力學(xué)模型，發(fā)展直升機(jī)機(jī)動(dòng)飛行過程中的旋翼尾跡動(dòng)力學(xué)分析方法，并與飛行控制技術(shù)緊密結(jié)合，不斷提高攻擊直升機(jī)的飛行品質(zhì)，降低飛行員的飛行操縱負(fù)荷，從而使飛行員更多地關(guān)注需要執(zhí)行的攻擊任務(wù)。

2015年3月在美國(guó)奧蘭多舉行的國(guó)際直升機(jī)展上，全新的完全使用復(fù)合材料的H160直升機(jī)作為首架以空客直升機(jī)標(biāo)識(shí)的直升機(jī)正式發(fā)布了。H160的研發(fā)始于2013年，該機(jī)整合了空客直升機(jī)68項(xiàng)專利技術(shù)，這款直升機(jī)在性能提升、經(jīng)濟(jì)效益、乘客舒適度和環(huán)境影響等方面，已為中型直升機(jī)市場(chǎng)設(shè)立出新標(biāo)準(zhǔn)。

很顯然，在構(gòu)型成熟后，直升機(jī)發(fā)展的方向已放在了系統(tǒng)或局部裝置的創(chuàng)新改進(jìn)上，每一次創(chuàng)新改進(jìn)設(shè)計(jì)都對(duì)整個(gè)直升機(jī)進(jìn)行了完善和提升，使直升機(jī)更快、更好、更安全舒適，且便宜、適用性更廣。

（2）持續(xù)研究新概念、新構(gòu)型旋翼飛行器及其相關(guān)技術(shù)，推動(dòng)直升機(jī)的跨越式發(fā)展。

當(dāng)今世界各國(guó)越來越希望直升機(jī)不僅擁有自身的懸停、垂直起降性能，而且能兼具固定翼飛機(jī)大速度前飛的能力，高速直升機(jī)概念就大大促進(jìn)了新型旋翼飛行器的發(fā)展。為實(shí)現(xiàn)直升機(jī)高速化，總體設(shè)計(jì)推出了4類可行性方案：傾轉(zhuǎn)旋翼類、共軸剛性雙旋翼類、尾部涵道矢量推進(jìn)復(fù)合類和雙螺旋槳旋翼機(jī)翼復(fù)合類。圍繞這4類方案，世界各國(guó)直升機(jī)研發(fā)機(jī)構(gòu)也開展了相關(guān)總體設(shè)計(jì)技術(shù)研究和樣機(jī)研制工作，并陸續(xù)推出了V-22傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)、X2共軸剛性ABC雙旋翼直升機(jī)、X-49A涵道矢量尾推直升機(jī)和X3雙螺旋槳復(fù)合式直升機(jī)等典型代表機(jī)型。其中以傾轉(zhuǎn)旋翼和共軸剛性雙旋翼兩類高速型直升機(jī)技術(shù)研究最廣泛，也最有成效。新概念、新構(gòu)型直升機(jī)不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜、氣彈耦合嚴(yán)重，而且工作模式也與常規(guī)直升機(jī)大不相同，氣動(dòng)干擾更嚴(yán)重，操縱也更復(fù)雜，這些特點(diǎn)促使直升機(jī)總體設(shè)計(jì)必須增加新的內(nèi)容，發(fā)展新的方法及技術(shù)手段。

以已成裝備的傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)為例，美國(guó)就曾為此新型直升機(jī)設(shè)計(jì)融入了新的技術(shù)和方法。首先通過改進(jìn)Johnson傾轉(zhuǎn)旋翼九自由度氣彈分析模型開發(fā)了CAMRAD，CAMRADⅡ設(shè)計(jì)軟件將多體建模方法、動(dòng)態(tài)自由尾跡以及非定常氣動(dòng)力模型全面引入，使之可進(jìn)行傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)復(fù)雜的氣動(dòng)及氣彈動(dòng)力學(xué)綜合分析。UMARC是美國(guó)馬里蘭大學(xué)開發(fā)的旋翼飛行器氣彈綜合分析軟件，UMARC/G則是UMARC軟件關(guān)于傾轉(zhuǎn)旋翼分析的版本，可針對(duì)直升機(jī)模式、傾轉(zhuǎn)過渡模式及飛機(jī)模式下傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的氣彈穩(wěn)定性進(jìn)行理論分析。這些直升機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)或擴(kuò)展，融入到型號(hào)設(shè)計(jì)中便形成了可為傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)研發(fā)服務(wù)的實(shí)用手段。

直升機(jī)每種構(gòu)型都有自身的優(yōu)越性和局限性，當(dāng)原有構(gòu)型直升機(jī)性能或功能滿足不了用戶需求，則必須采用新構(gòu)型甚至新概念技術(shù)直升機(jī)，這必然會(huì)推動(dòng)現(xiàn)有直升機(jī)進(jìn)行跨越式提升。

2 下一代直升機(jī)技術(shù)特征

世界主要直升機(jī)廠商業(yè)已推出或計(jì)劃推出其下一代直升機(jī)，如空客公司已推出的6t級(jí)H160和圍繞X3構(gòu)型的新型直升機(jī)、西科斯基公司已推出的S-97共軸剛性雙旋翼直升機(jī)、貝爾公司將出的Bell-525超中型直升機(jī)、阿古斯塔-韋斯特蘭公司已推出的AW609傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)和即將推出的AW-169直升機(jī)。下一代直升機(jī)技術(shù)特征主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）動(dòng)力裝置：采用高性能渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，相比第四代直升機(jī)所用發(fā)動(dòng)機(jī)，油耗降低25%，而功率提高50%，且壽命延長(zhǎng)20%，生產(chǎn)和維護(hù)成本降低30%。

（2）旋翼系統(tǒng)：先進(jìn)復(fù)合材料槳葉，多種專用翼型優(yōu)化配置（變弦長(zhǎng)），弧形低噪尾槳，復(fù)合熱塑性科技應(yīng)用的無軸承主槳轂，氣動(dòng)效率高（翼型升阻比12，旋翼懸停效率大于0.8）。

（3）全機(jī)振動(dòng)噪聲水平：配有實(shí)時(shí)噪音和振動(dòng)控制系統(tǒng)的新構(gòu)型直升機(jī)最大平飛速度超過450km/h（傳統(tǒng)構(gòu)型巡航飛行速度為300km/h），振動(dòng)水平低于0.05g，噪聲小于90dB。

（4）結(jié)構(gòu)重量：機(jī)身結(jié)構(gòu)采用復(fù)合材料達(dá)80%，重量效率可達(dá)65%以上。

（5）其他：具有在主減速器沒有潤(rùn)滑油的情況下繼續(xù)飛行50min的能力；具備大航程和優(yōu)秀的惡劣天氣適應(yīng)能力，可在吹雪和降雪條件下飛行；使用多功能人機(jī)工效型電傳操縱系統(tǒng)，并邁向?qū)嶋H應(yīng)用，改善了抗潮濕和耐高溫性能的光傳操縱系統(tǒng)；逐步采用“模塊生產(chǎn)線”概念生產(chǎn)方式；采用保證機(jī)組人員持續(xù)監(jiān)控的相關(guān)技術(shù)，配有使用情況高級(jí)監(jiān)視系統(tǒng)和集中了發(fā)動(dòng)機(jī)和旋翼信息的綜合儀表顯示系統(tǒng)，安裝數(shù)字四通道自動(dòng)控制系統(tǒng)和撞地告警系統(tǒng)，甚至還包括3D綜合視覺、2D數(shù)字導(dǎo)航管理顯示、遇險(xiǎn)時(shí)自動(dòng)任務(wù)重規(guī)劃、4D自動(dòng)駕駛引導(dǎo)模塊等。

下一代直升機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展

技術(shù)進(jìn)步推動(dòng)了直升機(jī)型號(hào)的成熟和應(yīng)用, 而直升機(jī)型號(hào)的應(yīng)用反過來又對(duì)直升機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展提出了更高要求。要發(fā)展推出下一代直升機(jī)，必須發(fā)展相關(guān)的設(shè)計(jì)技術(shù)。

1 總體氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)

近年來，基于模型的復(fù)雜系統(tǒng)工程管理思想為直升機(jī)總體設(shè)計(jì)注入新的理念；與直升機(jī)相關(guān)的各學(xué)科專業(yè)的理論和分析模型發(fā)展也很快，新的學(xué)科不斷出現(xiàn)，計(jì)算精度、置信度和復(fù)雜度越來越高，相互之間的耦合關(guān)聯(lián)越來越緊密。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)、有限元分析等數(shù)值計(jì)算技術(shù)，各種優(yōu)化計(jì)算技術(shù)、數(shù)字設(shè)計(jì)技術(shù)等以及各種商用軟件，為直升機(jī)總體設(shè)計(jì)提供了更好的基礎(chǔ)。下一代直升機(jī)總體設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)如下特點(diǎn)：

（1）充分利用多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化、全過程設(shè)計(jì)綜合、分階段分層次進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)和評(píng)估，充分采用各種理論物理模型、數(shù)值計(jì)算技術(shù)、數(shù)字設(shè)計(jì)技術(shù)、優(yōu)化計(jì)算技術(shù)以及各種成熟商用軟件作為設(shè)計(jì)工具和手段，完善直升機(jī)總體設(shè)計(jì)手段，提高總體設(shè)計(jì)效率。

（2）為適應(yīng)新構(gòu)型直升機(jī)發(fā)展的需要，直升機(jī)總體設(shè)計(jì)必須不斷擴(kuò)大分析模型，拓展考慮因素的范圍。

（3）總體設(shè)計(jì)將持續(xù)不斷地吸收直升機(jī)各學(xué)科技術(shù)的最新成果，使直升機(jī)總體設(shè)計(jì)模型能更準(zhǔn)確地描述和反映直升機(jī)的特性。

旋翼氣動(dòng)特性分析是進(jìn)行直升機(jī)旋翼及全機(jī)布局設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和前提。美國(guó)NASA、西科斯基、馬里蘭大學(xué)及歐洲ONERA等主要直升機(jī)研究機(jī)構(gòu)發(fā)展了基于CFD技術(shù)的高精度旋翼氣動(dòng)分析軟件，如OVERFLOWD、TURNS、ROT22等，并隨之建立了大規(guī)模的并行計(jì)算中心。針對(duì)下一代直升機(jī)特點(diǎn)，研究機(jī)構(gòu)正在發(fā)展旋翼CFD/CSD耦合方法和全機(jī)氣動(dòng)特性以及旋翼氣動(dòng)噪聲研究，以將高精度旋翼氣動(dòng)特性分析技術(shù)成功地應(yīng)用于非定常氣動(dòng)特性分析及旋翼氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)中。

2 飛行動(dòng)力學(xué)與控制技術(shù)

以美國(guó)NASA和西科斯基公司為代表的研究機(jī)構(gòu)采用先進(jìn)的非定常旋翼氣動(dòng)及機(jī)動(dòng)飛行力學(xué)方法建立了ARMCOP、GENHEL等通用直升機(jī)飛行動(dòng)力學(xué)模型，成功應(yīng)用于新型號(hào)直升機(jī)飛控系統(tǒng)及飛行品質(zhì)的設(shè)計(jì)，并通過飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格驗(yàn)證。目前國(guó)外已形成以模型飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的CIFER建模方法、CONDUIT控制優(yōu)化和飛行品質(zhì)評(píng)估方法，建立了綜合的軟件使能控制和開放控制平臺(tái)，設(shè)計(jì)下一代直升機(jī)時(shí)在此基礎(chǔ)上考慮電傳操縱系統(tǒng)特點(diǎn)，應(yīng)用新的建模理論和控制方法綜合分析和研究直升機(jī)機(jī)動(dòng)飛行能力。

3 直升機(jī)動(dòng)力學(xué)減振降噪技術(shù)

直升機(jī)振動(dòng)和噪聲控制是一項(xiàng)多學(xué)科交叉的綜合技術(shù)研究工作，涉及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、智能材料與結(jié)構(gòu)、空氣動(dòng)力學(xué)、控制理論、優(yōu)化理論等相關(guān)學(xué)科。直升機(jī)最主要的振動(dòng)和噪聲源是旋轉(zhuǎn)的旋翼，由于針對(duì)旋翼開展直升機(jī)的振動(dòng)和噪聲控制的技術(shù)難度大，現(xiàn)役直升機(jī)主要依靠吸振器、隔振裝置和槳葉氣動(dòng)外形優(yōu)化等設(shè)計(jì)措施來降低旋翼傳遞至機(jī)體的振動(dòng)和旋翼的噪聲水平。

目前，被動(dòng)振動(dòng)抑制技術(shù)的減振降噪能力已經(jīng)達(dá)到瓶頸，下一代直升機(jī)中采取主動(dòng)控制手段是發(fā)展所需。雖然結(jié)構(gòu)響應(yīng)主動(dòng)控制（ACSR）技術(shù)已應(yīng)用于EH101和NH90等第四代直升機(jī)，并在不斷的發(fā)展完善中，但隨著智能驅(qū)動(dòng)材料性能的提高，在槳葉上開展旋翼的振動(dòng)和噪聲控制成為可能，使智能旋翼控制技術(shù)成為直升機(jī)減振降噪的新發(fā)展趨勢(shì)，在下一代直升機(jī)中采用主動(dòng)控制襟翼槳葉（ACF）和主動(dòng)扭轉(zhuǎn)槳葉（ATR）最具有發(fā)展前途。美國(guó)和德國(guó)分別基于主動(dòng)控制襟翼（ACF）技術(shù)在MD900和BK117開展了全尺寸旋翼試驗(yàn)和裝機(jī)試飛驗(yàn)證研究。BK117試飛結(jié)果顯示，利用ACF控制技術(shù)，槳轂通過頻率振動(dòng)載荷減小了90%，駕駛員位置處振動(dòng)在0.05g以下；MD900的BVI噪聲控制效果最大可降低9dB，證明了智能旋翼在降低旋翼振動(dòng)和噪聲水平的有效性?，F(xiàn)階段歐美在智能旋翼的研究熱點(diǎn)是，一方面為提高工程實(shí)用性，主要集中于高效的小型智能驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)研究；另一方面由于旋翼的振動(dòng)和噪聲控制律不同，技術(shù)研究主要集中于如何開展旋翼振動(dòng)和噪聲的綜合控制技術(shù)研究。

4 機(jī)載系統(tǒng)綜合一體化設(shè)計(jì)技術(shù)

伴隨電子信息技術(shù)的發(fā)展，下一代直升機(jī)會(huì)注重研究、發(fā)展直升機(jī)平臺(tái)與機(jī)載系統(tǒng)設(shè)備（包括電子、武器、飛行控制等）的綜合一體化和集成化。隨著微電子技術(shù)、光學(xué)計(jì)算機(jī)、分子計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)載綜合電子系統(tǒng)從總線系統(tǒng)向功能更多、速度更快、精度更高、適應(yīng)性更強(qiáng)、可靠性更好的“寶石柱”、“寶石臺(tái)”系統(tǒng)發(fā)展，機(jī)載電子信息設(shè)備所占全機(jī)比例高達(dá)40%以上，未來這一比例還會(huì)進(jìn)一步提高。下一代直升機(jī)設(shè)計(jì)中發(fā)展了機(jī)載電子綜合系統(tǒng)，做到系統(tǒng)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、通用化，并采用先進(jìn)數(shù)據(jù)總線控制運(yùn)行，網(wǎng)絡(luò)集成，解決好戰(zhàn)術(shù)、任務(wù)、管理一體化信息集成管理技術(shù)。下一代直升機(jī)需要采用先進(jìn)的綜顯系統(tǒng)、聲控技術(shù)和集成技術(shù)，開發(fā)集成化的人機(jī)工效型駕駛艙，以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識(shí)別和任務(wù)/系統(tǒng)管理的高度自動(dòng)化，使任務(wù)功能增加1～2倍，并減少飛行員的操控負(fù)荷，使機(jī)組人員的工作量減少1/2以上。

AW-169直升機(jī)

5 復(fù)合式高速旋翼飛行器設(shè)計(jì)技術(shù)

直升機(jī)受傳統(tǒng)旋翼的限制，飛行速度較低、航程較短。近年來，美、俄、歐等研究機(jī)構(gòu)正突破傳統(tǒng)旋翼原理的舊框框，加緊研制飛行速度更快、機(jī)動(dòng)性更好、活=動(dòng)半徑更大的新概念直升機(jī)，其中最具代表且已成裝備的是美國(guó)的V-22“魚鷹”傾轉(zhuǎn)旋翼飛機(jī)。從目前世界各國(guó)研制的新概念直升機(jī)技術(shù)方案看，比較典型的還有“前行槳葉”旋翼（亦稱“ABC”旋翼）和X型旋翼。雖然一些技術(shù)難題還有待攻克，但其原理的先進(jìn)性是不可否定的。一旦時(shí)機(jī)成熟，ABC旋翼和X旋翼的研制將會(huì)有所突破，而時(shí)機(jī)就取決于這些新構(gòu)型、新概念旋翼飛行器設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展。目前這些技術(shù)還只在傳統(tǒng)直升機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展，并未獨(dú)立成實(shí)用技術(shù)，所以還在探索中。

結(jié)束語(yǔ)

直升機(jī)型號(hào)和技術(shù)的發(fā)展是相輔相成、不斷創(chuàng)新的過程，通過積淀現(xiàn)代直升機(jī)設(shè)計(jì)和使用的理念、思路和方法，必然會(huì)改進(jìn)完善和發(fā)展下一代直升機(jī)及其設(shè)計(jì)技術(shù)。當(dāng)前，直升機(jī)既呈現(xiàn)出傳統(tǒng)構(gòu)型樣式外形越來越統(tǒng)一、模塊化態(tài)勢(shì)，又呈現(xiàn)出新構(gòu)型層出不窮、多樣多功能化趨勢(shì)，同時(shí)市場(chǎng)對(duì)重型直升機(jī)、高速直升機(jī)、高原直升機(jī)、電動(dòng)直升機(jī)的需求又引發(fā)了新技術(shù)發(fā)展，所有這些矛盾而又和諧的表象折射出直升機(jī)及其設(shè)計(jì)技術(shù)的縱、橫雙向發(fā)展——縱向方面是在改進(jìn)中發(fā)展，在繼承中創(chuàng)新，橫向領(lǐng)域則是諸子百家、各展所需。背后體現(xiàn)的是各直升機(jī)技術(shù)強(qiáng)國(guó)基本都在淘汰一代、應(yīng)用一代、預(yù)研一代、探索一代直升機(jī)。下一代直升機(jī)必然飛得更快、更靈活、更安全、更先進(jìn)，在設(shè)計(jì)技術(shù)的支持下也必然低成本、低噪聲、低振動(dòng)、低污染。