摘要：本文從當前直升機技術發(fā)展面臨的軍民需求牽引以及新技術推動出發(fā)，重點針對直升機綠色、隱身、高速設計技術，以及直升機的智能化、電氣化變革等幾個方面對直升機技術現(xiàn)狀進行分析，并對未來直升機技術發(fā)展進行展望。

關鍵詞：直升機；綠色；隱身；高速；智能化；電氣化

中圖分類號：V211.52文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.01.002

直升機具有垂直起降、空中懸停、前后左右飛行、近地機動能力強的典型特征，在軍用和民用領域發(fā)揮著重要作用。軍用直升機可執(zhí)行兵力機動、后勤保障、低空突防、偵察巡邏等多種軍事任務，是現(xiàn)代化戰(zhàn)爭不可或缺的空中環(huán)節(jié)。在民用方面，直升機是城市低空通航的重要交通工具，并涉及醫(yī)療救護、緊急救援、公安執(zhí)法、農林作業(yè)、旅游觀光等多個領域。直升機已經成為我國軍民領域的重要飛行器裝備，對我國國防現(xiàn)代化建設和社會經濟建設具有重要作用。針對直升機技術現(xiàn)狀以及未來發(fā)展進行研判，對我國直升機技術和行業(yè)發(fā)展具有一定的參考意義。

從20世紀30年代世界上第一架直升機試飛成功以來，直升機技術大體經歷了四代的發(fā)展階段，每一代技術發(fā)展均實現(xiàn)了直升機飛行速度大幅度提升以及振動和噪聲水平的顯著下降[1]，速度提升、減振、降噪一直是直升機技術發(fā)展的主旋律。同時，當前軍民需求以及新技術應用對直升機技術發(fā)展起著重要的牽引和推動作用?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭的時效性和突襲性要求軍用直升機在持續(xù)提升速度、機動能力的同時，還需具備良好的隱身特性[2]，先進軍用直升機的典型代表美國的RAH-66在設計時便采用了大量隱身設計技術。舒適、安全、環(huán)保、經濟的設計理念要求民用直升機具有綠色（低噪聲、低振動、低排放）的典型特征，空直公司的H160民用直升機綜合考慮性能、噪聲、振動等多個設計目標，成為現(xiàn)代民用直升機設計的成功典范（見圖1）。近些年，隨著人工智能、電驅動技術的發(fā)展和應用，智能化直升機、電驅動直升機等逐漸成為熱門研究領域。因此，可以看出，高速、綠色、隱身設計是當前軍、民用直升機技術的迫切需求，同時智能、電驅動正成為直升機技術重要研究方向。本文重點針對直升機綠色、隱身、高速設計等技術現(xiàn)狀，直升機面臨的智能化、電氣化變革，以及未來直升機技術發(fā)展展望等方面進行解讀和闡述。

1直升機綠色、隱身、高速設計技術發(fā)展現(xiàn)狀

圍繞綠色直升機發(fā)展需要，直升機設計走向氣動、噪聲、結構等多學科優(yōu)化，同時多種主/被動控制技術的應用進一步降低了直升機振動噪聲水平。通過雷達、紅外、聲等綜合隱身設計提升直升機生存力和作戰(zhàn)效能是軍用直升機適應未來復雜戰(zhàn)場環(huán)境的必然選擇。針對飛行速度進一步提升的迫切需求，新構型高速直升機成為研究熱點。

1.1直升機設計朝氣動/噪聲/結構等多學科綜合方向發(fā)展

旋翼是直升機的關鍵和特色部件，旋翼氣動設計水平直接決定了直升機的性能及噪聲特性。目前，旋翼設計向氣動、噪聲與結構動力學多學科融合的方向發(fā)展，在提升直升機氣動效率的同時實現(xiàn)噪聲、振動水平的降低[3]。

以空客H160直升機為例，該直升機的標志性革新為應用了新型Blue EdgeTM旋翼（見圖2）的研究成果。Blue EdgeTM采用大前突后掠氣動設計方案，旋翼氣動設計綜合考慮了降低槳-渦干擾（BVI）噪聲、提升高速前飛升阻比、維持懸停性能等多個設計目標，實現(xiàn)前飛升阻比提升10%以上，噪聲降低6EPNdB[4-5]。在H160旋翼氣動設計時充分考慮結構耦合特性，通過槳葉動力學優(yōu)化實現(xiàn)了結構載荷和振動載荷的大幅下降[6]。

1.2主/被動控制技術逐漸發(fā)展為直升機減振降噪的重要手段

圍繞噪聲、振動的產生和傳播采用主動或被動控制技術，是實現(xiàn)降低直升機減振降噪的重要手段。

旋翼系統(tǒng)是直升機振動和噪聲的主要來源，通過在旋翼上施加被動或主動控制手段，改變旋翼氣動和載荷特性，可以從源頭上降低直升機噪聲及振動。旋翼上采取的被動式減振及降噪措施包括槳轂動力吸振、槳尖降噪優(yōu)化設計等。旋翼采取的主動控制技術包括高階諧波控制（HHC）、單片槳葉控制（IBC）（見圖3）和后緣襟翼控制（ACF）（見圖4）等多種方式，通過合理的主動控制參數(shù)輸入（幅值、頻率、相位等），可以實現(xiàn)直升機噪聲降低6～8dB，振動載荷降低75%以上[7-8]。

在旋翼主減速器與機體隔振方面，相關控制技術已經應用到多個直升機設計之中，如液彈隔振、反共振隔振（ARIS）、結構響應主動控制（ACSR）等均實現(xiàn)了有效的振動控制。ACSR系統(tǒng)由機身上安裝的傳感器、安裝于機身與主減速器連接處的液壓式作動器和控制器組成。歐美等國先后在EH101、CH-47、UH-60、S-92等多個直升機型號上成功進行了ACSR飛行試驗。試驗結果表明控制點處的振動水平降低了80%，而整個機艙的平均振動水平也有 60%的降低，并且對不同飛行狀態(tài)具有較好的適應能力。美國西科斯基公司在其研發(fā)的高速直升機技術驗證機X2上，為抑制高速飛行時嚴重的機體振動，將ACSR系統(tǒng)設置為該機必需裝備（見圖5）。

1.3綜合隱身能力成為決定現(xiàn)代軍用直升機生存力的關鍵因素

優(yōu)良的隱身特性可以大幅度提升直升機突擊作戰(zhàn)能力，以及復雜戰(zhàn)場中的生存能力，直接影響直升機作戰(zhàn)效能。直升機隱身技術包括針對雷達、紅外等不同探測和制導手段的隱身設計，同時降低低空飛行時的遠場噪聲也是直升機隱身設計的重要內容。

直升機雷達隱身設計主要在于降低雷達截面積（RCS）。直升機RCS主要取決于直升機的氣動外形、機體材料及涂層。直升機外形隱身通過氣動/隱身一體化設計等實現(xiàn)RCS的大幅下降[9-10]。RAH-66直升機采用菱形多面體的機身外形設計方案，大幅降低了雷達波回波信號（見圖6）。機體材料方面，RAH-66直升機旋翼、機身結構、整流罩等廣泛采用對電磁波具有透射作用的復合材料，機上復合材料占直升機總重量（質量）50%，有效降低了雷達截面積。

直升機紅外隱身通過抑制發(fā)動機紅外特征信號實現(xiàn)輻射水平的有效降低。美國從“阿帕奇”直升機開始裝備紅外抑制器，阻擋發(fā)動機尾噴口的紅外輻射，同時吸進大量冷空氣降低排氣溫度，有效降低了紅外探測和追蹤水平[11]。RAH-66直升機在設計時采用發(fā)動機尾噴口融合于尾斜梁向下排氣的結構，發(fā)動機排氣會被主旋翼產生的下洗流吹散，進一步降低了其紅外特征信號。

直升機聲隱身重點在于降低旋翼和尾槳產生的遠場噪聲。之前介紹的直升機降噪設計與噪聲控制是實現(xiàn)聲隱身設計的重要內容。同時，在直升機執(zhí)行任務時通過飛行軌跡的優(yōu)化降低聲探測水平也是實現(xiàn)聲學隱身的有效手段（見圖7）。

1.4構型創(chuàng)新是直升機突破速度限制實現(xiàn)高速飛行的主要途徑

常規(guī)直升機在高速飛行時存在前行側強壓縮性、后行側動態(tài)失速、大反流區(qū)等氣動特點，限制了飛行速度的進一步提升，發(fā)展新構型高速直升機成為當前直升機速度進一步提升的解決措施。目前，采用共軸剛性旋翼、雙復合推力以及傾轉旋翼構型的高速直升機技術得到了快速發(fā)展，正在向產品型號轉化。

共軸剛性旋翼高速直升機采用上、下反轉的共軸旋翼結合推力槳構型，通過剛性旋翼升力偏置減弱高速飛行的后行側動態(tài)失速特性[12]，并通過推力槳克服機身廢阻，實現(xiàn)高速前飛。美國西科斯基公司在20世紀70年代就已開始進行共軸剛性旋翼高速直升機技術研究，并研制XH-59A技術驗證機，實現(xiàn)了440km/h的平飛速度。從2000年開始，西科斯基進一步開展X2高速直升機技術驗證機研究計劃，在X2設計中采用雙鈍頭翼型、槳葉正負扭轉、槳轂間整流罩、高性能推力槳等氣動設計提升了氣動效率，應用振動主動控制技術降低了振動水平[13]。在X2基礎上，進一步研制了S-97、SB>1共軸剛性旋翼高速直升機驗證機[14]（見圖8）。

傾轉旋翼機通過旋翼系統(tǒng)在垂直與水平位置之間的傾轉，實現(xiàn)垂直起降和高速前飛，V-22傾轉旋翼機是目前唯一實現(xiàn)工程應用的高速旋翼航空器構型。貝爾直升機公司在2013年進一步推出了V-280傾轉旋翼機（見圖9）。與V-22相比，V-280對總體構型進行了多處改進，采用了發(fā)動機固定、旋翼傾轉的設計和V形尾翼方案，于2019年實現(xiàn)了555km/h的高速飛行[15]。

雙復合推力高速直升機在去掉常規(guī)直升機尾槳的基礎上加裝雙推力槳和水平短翼。兩側的推力槳提供向前推力，并可平衡旋翼的反扭矩。機身短翼在高速飛行時可提供額外的升力，對旋翼進行卸載。2007年歐洲直升機公司進行X3雙復合推力高速直升機驗證機研制，X3最大飛行速度可達472km/h[16]。歐洲空客直升機公司在X3基礎上進一步開始RACER雙復合推力高速直升機，并針對性開展了推力槳氣動設計、旋翼與推力槳氣動干擾、雙復合推力構型傳動設計等相關的技術研究[17-18]（見圖10和圖11）。

2直升機面臨智能化及電氣化變革

近些年來，大數(shù)據(jù)、人工智能、燃料電池、油電混動等技術進步和應用對直升機智能化、電驅動技術發(fā)展起到極大推動作用。

2.1人工智能推動直升機智能化發(fā)展

隨著智能算法改進以及計算條件和計算能力的提升，人工智能技術得到了飛速發(fā)展。人工智能技術在直升機上的應用，推動了直升機智能人機交互、無人自主控制、智能維護保障等智能化技術的發(fā)展。

在直升機智能人機交互方面，美國在20世紀末已經開始直升機輔助駕駛助手（RPA）研究計劃。通過在駕駛艙中加裝PRA系統(tǒng)，加強戰(zhàn)場態(tài)勢感知和識別，并為飛行員攻擊、偵察和作戰(zhàn)任務提供智能輔助決策，可以大幅減小操控負擔，提高任務效率。同時，通過語音控制、手勢控制甚至腦電控制等實現(xiàn)直升機的人機智能交互，提升直升機駕駛的敏捷性和舒適性（見圖12）。

直升機自主飛行控制通過對環(huán)境態(tài)勢的在線感知、信息處理和控制重構，實現(xiàn)在不確定復雜飛行環(huán)境下的在線航跡規(guī)劃、智能自主飛行與著陸等。目前直升機自主飛行控制仍處于研究發(fā)展階段，美國MQ-8B無人直升機可實現(xiàn)在艦船上無人干涉的自動起飛及降落[19]（見圖13）。

直升機智能維護保障結合大數(shù)據(jù)、專家系統(tǒng)推理以及直升機HUMS系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對直升機健康情況進行評估，提前發(fā)現(xiàn)直升機系統(tǒng)可能存在的問題，以及潛在的維修需求。2017年空客直升機公司推出FlyScan方案，利用人工智能對HUMS數(shù)據(jù)進行采掘，實現(xiàn)對直升機故障的綜合智能分析。西科斯基與美國PHI公司開發(fā)了一款實時HUMS系統(tǒng)，它能向飛行員提供潛在故障的預警，快速實施維修，該系統(tǒng)已在S-92直升機上測試使用。

2.2電驅動技術進步促進直升機電氣化發(fā)展

電推進直升機采用電動機替代燃油發(fā)動機，儲能單元以電池代替燃油，簡化了復雜的傳動系統(tǒng)，具有無排放、低噪聲、低振動的特點，可滿足未來城市空運的綠色環(huán)保需求，是近些年來直升機技術研究的熱門領域。依托于燃料電池、電機技術的成熟和進步，直升機電氣化在近年來不斷取得重要突破。在貝爾429直升機的基礎上，貝爾進行了改裝電驅動分布式反扭矩系統(tǒng)（EDAT）測試（見圖14），該系統(tǒng)取消了復雜的機械傳動尾槳，改用分布式電驅動涵道尾槳平衡反扭矩。每個尾槳都由單獨的電機驅動，即使部分尾槳失效，剩余尾槳也能提供一定的反扭矩。相比傳統(tǒng)尾槳，EDAT的復雜性低、效率高，并且具有安全裕度。

同時，直升機多電設計采用電能替代直升機上傳統(tǒng)的液壓、氣壓等動力裝置，如用電力作動器取代液壓作動器，用電動泵取代滑油泵和燃油泵，用電動壓氣機取代氣壓動力驅動的空調壓氣機等，具有結構簡單、重量輕、安全性好、便于維護等優(yōu)點。

3未來直升機技術發(fā)展展望

綠色、高速、智能是未來直升機的重要特征，也引領著直升機技術發(fā)展的重要方向。隨著新技術的革新，預估未來直升機將實現(xiàn)人工智能及電動技術的集中應用，基于新概念實現(xiàn)速度大幅度提升，同時結合自主及協(xié)同控制向模塊化旋翼飛行器等技術方向發(fā)展。

3.1人工智能及電動技術的集中應用

美國貝爾公司提出了未來直升機概念方案FCX-001（見圖15），大量應用智能變形旋翼（見圖16）、混合動力系統(tǒng)、分布式電機、二次能源管理、長壽命機體材料以及人工智能（AI）計算機輔助系統(tǒng)等技術，是一種更安全、更智能、更高效的直升機方案。其中，智能變形旋翼綜合大數(shù)據(jù)、機器學習、智能材料等技術主動變化外形，可以在不同飛行環(huán)境和狀態(tài)均保持良好的性能水平。

3.2新概念實現(xiàn)飛行速度大幅度提升

美國DARPA啟動了“垂直起降試驗飛行器”（VXP）項目，旨在為新一代高速、高效垂直起降飛行器提供選型方案，其持續(xù)飛行速度指標要求提升至556～741km/h。目前歐洲、美國等多個直升機研發(fā)機構針對未來高速直升機構型開展了大量的探索研究。如歐洲空客的VAHANA、美國NASA的GL10等采用分布式傾轉多旋翼構型，和電驅動技術有機結合（見圖17），是未來高速旋翼航空器發(fā)展的重要選擇[20]。

3.3模塊化組合多旋翼飛行器得到發(fā)展

旋翼是垂直起降飛行的高效氣動部件，然而單幅旋翼由于物理限制，在幾何尺寸上已不能無限增大，從而限制了載重能力的提升。近年來，隨著飛控及MEMS技術的發(fā)展，模塊化、分布式設計思想為多旋翼飛行器提供了新的發(fā)展思路。同時，結合人工智能技術，實現(xiàn)模塊化自組合多旋翼飛行器和無人集群旋翼飛行器之間的智能切換，將在軍民領域發(fā)揮重要作用。模塊化多旋翼飛行器如圖18所示。

4結束語

國內直升機技術和世界直升機先進水平相比仍存在不足之處，如自主創(chuàng)新能力不強、新技術轉化應用不夠等，一些減振降噪的瓶頸技術尚未得到根本性解決，這在一定程度上抑制了國內直升機技術能力的提升。因而，亟須立足國內技術現(xiàn)狀和不足，并緊密結合直升機技術發(fā)展趨勢，推動國內直升機技術的進步和型號的發(fā)展。

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（責任編輯陳東曉）

作者簡介

鄧景輝（1965-）男，博士，研究員，中國直升機設計研究所總設計師、航空工業(yè)飛行器總體專業(yè)首席技術專家。主要研究方向：直升機設計。

Tel：0798-8465880

E-mail：dengjhz@yahoo.com.cn

Development and Prospect of Helicopter Technology

Deng Jinghui*

China Helicopter Research and Development Institute，Jingdezhen 333001，China

Abstract： The helicopter technology development is fully affected by military and civil usage requirements and the newly developing technologies. Focus on green， stealth， high speed， intelligentization and electrification， the state-ofart of helicopter technology is analyzed， and the future developing prospect of helicopter technology is predicted.

Key Words： helicopter； green； stealth； high speed； intelligentization； electrification