[科普中国]-重型直升机

重型运输直升机的问世可追溯到20世纪60年代，所谓重型运输直升机是指起飞重量大于20吨的运输直升机。由于重型运输直升机有较快的速度，运载能力大，能通过内载或外部吊挂方式载运重型施工设备或大型武器装备，且无需机场起降，是一种较好的兵员和军事装备的运载工具，在历次重大自然灾害中都发挥了巨大作用，因此普遍受到世界各国的重视，发展非常迅速。

现代多次局部战争表明，运输直升机在战争中的广泛使用，导致传统的作战模式和战术发生了重大变革，在诸军兵种协同作战中具有重要地位，同时也加快了快速反应部队的建设。在海湾战争中，美军一次出动的300多架直升机中，主要是CH-47,”黑鹰”等运输直升机，在武装直升机的保护下实施纵深突击机降作战。机降中很快将三个空中突击营的2000人、50辆军车和榴弹炮、大批燃料和弹药运到伊军纵深80千米的位置。紧接着美军大批运输直升机连续空运12小时，向这一地区运送了数以千吨物资，开辟了一个面积150平方千米的前进基地。这可以说是现代战争大规模运用运输直升机成功机降的典范。

另外，重型运输直升机在重大抢险救灾中对受困人员或伤员撤离，救援人员或物资运输，大型设备吊运等方面能发挥巨大且独特的作用，大大提高了抢险救灾效率。例如2004年的印度洋海啸抢险和2008年我国汉川地震唐家山堰塞湖抢险，重型运输直升机都立下了汗马功劳。1

重型直升机的作用无可替代，但研制起来有很多难点，如气动、机械等方面。理论上，重型直升机可采用多种构型，但实际上主要用单旋翼、纵列式双旋翼和倾转旋翼三种。

重型直升机最常见的构型还是单旋翼带尾桨。旋翼提供升力、推进力和操纵力；尾桨用于平衡旋翼的扭矩和航向操纵，对主旋翼轴的力臂通常稍大于主旋翼半径。单旋翼构造简单，只需一套旋翼操纵系统和一套传动系统，技术较成熟，桨盘载荷低。缺点是旋翼和主减速器尺寸大，直升机重心范围小，飞行高度低，存放空间大，尾桨易撞到障碍物或地面人员引起事故，尾桨在主旋翼和机身尾涡引起的不利气动环境下工作，降低了其气动效率并增大了尾桨载荷与振动等。而且尾桨在对抗主旋翼扭矩时也要消耗百分之几的发动机功率。

重型直升机采用单旋翼，相对纵列式及倾转旋翼，技术难度最小，与中小型直升机也没有本质区别，只是由于尺寸的增大，设计制造中有所不同。1

这种构型其前后旋翼反转，扭矩是平衡的，不需要占用功率的尾桨。但两副旋翼间的气动干扰损耗了差不多与单旋翼直升机的尾桨同量的功率。

悬停时，纵列式直升机由于其较大的俯仰阻尼和较大的操纵功效，纵向操纵品质要优于单桨式直升机。但另一方面，由于它较低的偏航阻尼和较大的偏航和滚转惯性，横向操纵品质又差于单桨式直升机。前飞时，纵列式直升机有较大的迎角不稳定性。另外两副旋翼之间的干扰会影响纵列式直升机的操纵品质。

庞大的机身是纵列式的特性，因为它有两副旋翼要安装在机身上。由于需利用差动拉力来平衡直升机的俯仰，所以纵列式直升机还有纵向重心范围大的特点。后旋翼在前旋翼的尾涡中工作，振动、交变载荷、噪声和功率损失就来源于此。不稳定的机身气动力矩以及偏航操纵功效低都对直升机的操纵品质不利，后旋翼支架使结构重量增加。

纵列式重型直升机的技术难点有很多。如总体设计、各升力面气动布局、总体参数优化等。气动干扰技术更复杂，包括旋翼/旋翼、旋翼/短翼、旋翼/机身等气动干扰分析，机内减振降噪技术等。电传/光传飞控技术及飞行控制律等也很复杂。1

倾转旋翼构型与常规直升机构型相比，有几个优点。首先是速度快。直升机旋翼旋转时桨尖处的切线速度一般为200米/秒，那么当飞行速度为360千米/时，即100米/秒时，旋翼前行桨叶处于900处桨叶的桨尖相对气流速度就会达到300米/秒，接近声速340.2米/秒，这时再增加速度就很容易产生激波失速了。而此时后行桨叶在270°桨尖处相对气流的速度只有100米/秒，桨根部分还会出现气流从桨叶后缘流向前缘的反流区，从而使桨叶产生的升力减少。为使升力保持与前行桨叶相同，需要增加后行桨叶的桨距，但桨距过大会出现气流分离。因此常规直升机最大速度超过360千米/时、巡航速度超过300千米/时的很少，而V-22倾转旋翼机巡航速度509千米/时，最大速度650千米/时。

其次是噪声和振动小。倾转旋翼机因巡航时一般以固定翼飞机的方式飞行，因此噪声比直升机小得多。比如在150米高度悬停时，其噪声只有80分贝，仅相当于30米外卡车的噪声。由于倾转旋翼布置在远离机身的机翼尖端，且直径较小，因此其座舱的振动比一般直升机要低得多。

另一优势是航程远。如V-22作战距离大于1 850千米，若加满两个转场油箱，航程可达3 890千米。如进行空中加油可从美国本土直飞欧洲，而直升机的航程很少超过1 000千米。

载重量大也是一优势。V-22悬停重量已达21 800千克。贝尔直升机公司计划研制的下一代四旋翼倾转旋翼机V-44可装载80-100名士兵或10-20吨货物。

倾转旋翼机巡航飞行时，因机翼可产生升力，旋翼转速较低，基本相当于两副螺旋桨，所以耗油率比直升机低。

综合考虑倾转旋翼机耗油量少、速度快、航程大、载重大等优点，其运输的成本仅为直升机的1/2。

倾转旋翼机因既有旋翼又有机翼，旋翼还要在垂直和水平位置间反复倾转，因此它的结构、气动、控制等技术比一般飞机和直升机复杂得多，两者的难点它都有，还有自己特有的问题。

第一是旋翼和机翼间气动干扰。涉及到旋翼-机翼、旋翼-旋翼、旋翼-机身、旋翼-尾部等方面，其中以垂直飞行和悬停时旋翼-机翼的气动干扰最重要。它主要表现在两方面：一是机翼由于旋翼的尾流冲击引起下洗载荷，二是机翼对旋翼的气动性能产生影响，两者都对倾转旋翼机的有效载荷有较大影响。要搞清楚这种气动干扰，需建立旋翼尾流与机翼结合的模型，确定旋翼尾流中的诱导速度，还需要更先进的算法及实验技术。

第二是旋翼倾转过程中的气动问题。倾转旋翼机垂直飞行和悬停时的气动特性与横列式直升机相似，巡航飞行时与涡桨飞机类似，这两种状态的气动特性都有类似经验可借鉴。但旋翼倾转过程中的气动特性是其独有的，是复杂的非定常气动问题。

旋翼倾转过程中气动特性的确定，要建立正确的数学模型和选择适合的算法都很难。建立数学模型，首先要解决旋翼桨叶翼型的非定常动态气动特性，即翼型气动力随迎角变化的动态响应问题。其次是旋翼的非定常诱导速度的确定，即诱导速度随旋翼气动力变化的动态响应。虽然国内外建立了各种各样的数学模型，但都不成熟。对旋翼倾转过程的非定常气动力、扭矩、表面压力及诱导速度等任一物理量的测定也都相当困难。

第三是倾转旋翼机的结构设计问题。旋翼在直升机模式飞行时要产生升力，在以飞机模式飞行时又要产生推进力，协调这两种飞行状态，使旋翼达到一个较理想的设计是关键。因此倾转旋翼系统的桨叶形状、翼型、扭转度等与常规的旋翼系统都有较大差异。另外，由于在机翼两翼尖处要装旋翼系统和发动机舱，并且旋翼轴相对机翼要倾转，这就对机翼强度和稳定性提出了很高的设计要求，同时还要考虑以飞机模式飞行时桨叶挥舞可能引起的安全问题及旋翼-机翼的气动干扰问题，因此对机翼的设计也是一个技术难题。

第四是倾转旋翼机的动力学问题。倾转旋翼机的桨叶挥舞/摆振耦合、桨叶之间通过桨毂的相互运动、动力耦合等都无法用传统的直升机旋翼动力学方法分析。倾转旋翼机运动和振动部件多，不仅把螺旋桨飞机和横列式直升机的振动问题集于一身，还带来它们的振动耦合。另外，飞行模式较多和旋翼转速变化较大引起倾转旋翼机的振动模态特别多。这些振动模态会与机身、机翼或其它部件的固有频率相接近，或在某些飞行条件下，一些振源的振动模态，正好与旋翼机的某些固有频率接近，引起共振。通过动力学分析来预估这些振动模态，并通过控制旋翼转速、飞行速度、飞行状态等来避免引起共振是非常困难的。

第五是倾转旋翼机飞行力学与控制问题。由于倾转旋翼机应用范围和飞行领域比常规直升机广泛得多，因而它的飞行力学模型也复杂得多。倾转过程中，旋翼轴的方向和旋翼转速发生较大变化，导致旋翼机的升力、推力及力矩也发生较大变化，在非定常非线性气动因素的影响下，传统的直升机飞行力学分析方法会失效，需建立新的分析模型和方法。此外，倾转旋翼机飞行状态在很大范围内变化，为确保飞行员在正常负荷下工作，需要研制自动操纵系统。这需要对飞行控制规律作深入研究并验证。自动操纵控制技术已成为研制倾转旋翼机的关键之一。2

目前，国际上只有俄罗斯、美国两个国家生产重型直升机。国外典型的现役重型直升机主要有俄罗斯的米-26、美国的CH -53系列和CH -47系列。

米-26“光环”直升机是由米里莫斯科直升机股份公司研制，为当今世界上最大的单旋翼直升机，1971年开始研制，1978年2月21日首飞。发展有米-26、米-26A、米-26T、米-26 M等11种型别。共生产300架左右，出口到20多个国家。

该机采用单旋翼带尾桨构型，最大起飞重量56000 kg，主要使命任务为兵员运送、医疗救护、电子对抗、大型设备运输、空中加油、客运、消防和地质探测等，其装载能力为：最大有效载重27800 kg，内载和外吊最大重量20000 kg，可运载80名士兵或60名担架伤员和4 -S名医护人员。3

CH -47“支奴干”系列直升机是经典的现役重型运输直升机，1956年开始研制，1961年9月21日首飞，已服役40多年，已发展有CH-47A , CH -47B,CH-47C,CH-47 D等16种型别。现有18个国家和地区使用，美国共有746架，其中479架升级为CH -47D，计划服役至2030年。

该机采用纵列双旋翼布局，最大起飞重量24494 kg，主要任务使命为后勤支援、搜索救援、特种作战运输等，其装载能力为：最大有效载重12944kg，最大吊挂载重12700 kg；可运载33 -55名全副武装的士兵或24副担架和2名护士。3

S -80( CH -53E)系列直升机是美国西科斯基飞机公司研制的3发重型多用途直升机，为西方国家中尺寸和载重量最大的直升机，1971年开始研制，1974年3月1日首飞。共发展有CH-53E“超种马”及出口型S -80E,MH -53E“海龙”及出口型S-80 M等四种型别。

该机交付总量为238架，其中美国海军和海军陆战队装备了219架CH -53E/MH -53E，日本海上自卫队装备11架S - 80 M，土耳其装备了8架S-80E。

该机最大起飞重量33340 kg，主要任务使命为舰队垂直补给，损坏飞机的运送、扫雷、搜索救援等，其装载能力为：最大外部有效载重16330 kg；可运载55名全副武装的士兵。3

V-22“鱼鹰”时全球目前唯一现役的倾转旋翼机。为弥补常规直升机固有的速度慢、航程短的缺陷，美国贝尔公司长期以来一直坚持倾转旋翼机技术的探索，先后研制了XV-3倾转旋翼原理验证机和XV-15倾转旋翼工程验证机，并取得了巨大成功，引起了世界各国特别是美国军方的高度关注。

鉴于XV-15的优异表现，美国国防部于1981年提出了“三军联合先进垂直起落飞机(JVX )”项目，要求在XV-15的基础上，为美国陆、海、空三军研制共用的倾转旋翼机。最初，这个项目由美国陆军负责，但由于美国陆军经费不足，1983年，这项计划转由美国海军负责。同年4月，美国海军便与贝尔和波音公司签订了研制合同。1985年1月这种倾转旋翼机被正式命名为V-22“鱼鹰”，美国海军陆战队的突击运输型称为MV-22，空军特种作战型称为CV-22，而海军战斗搜索型称为HV-22。

美国贝尔/波音公司一共制造了10架V - 22原型机用于各种地面试验和飞行试验，这在世界直升机发展史上实属罕见。而在各种飞行试验和作战评估飞行中，共发生过4次重大事故，导致30人死亡。这些足以证明倾转旋翼机的技术难度大大超乎人们的预想。

1989年3月，第一架V-22原型机实现首飞。在经历了一系列挫败、调整、改进和技术与质量审查后，直到1999年5月，第一架生产型MV-22才交付给美国海军陆战队。首架生产型CV-22于1999年10月首飞，2000年交付给美国空军。到目前为止，美军仍然是世界上第一支，也是唯一一支装备了倾转旋翼机的军队。4