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专家:中国应研制时速500公里重型直升机

热度53票  浏览256次 【共0条评论】【我要评论 时间:2012年2月02日 17:16

资料图:俄罗斯卡莫夫的卡-92大型直升机方案,高速载重直升机目前大多都是采取硬桨复合推进构型。

资料图:欧洲直升机公司的HTH重型直升机方案。

摘要:本文分析了国外现役、在研重型直升机的技术特点,研究了最新发展计划,理出了重型直升机的技术发展路线,对我国的重型直升机发展提出了建议。

重型直升机一般定义为起飞重量大于20吨,内载和外吊挂能力大于8吨,运送超过50人的直升机。与常规固定翼飞机相比,具备垂直起降和空中定点悬停、中低空机动性好、不受场地限制等优点;与其他直升机相比,又具备有效商载大、运输效率高的优势。

民用方面,重型直升机的突出作用体现在灾难救援中,如2008年汶川大地震,在唐家山堰塞湖的抢险过程中米-26直升机飞行百余架次,吊运60余台推土机、挖掘机等大型设备,吊运总重达800余吨。在军事方面则体现在快速机动、快速部署、定点突防的作战任务上,如海湾战争、阿富汗战争等,重型直升机都发挥了极其关键的作用。

中国特殊的地理情况决定了中国需要大量的重型直升机,中国的山地与水面面积约占国土总面积的70%,其中高原高山地区约占26%,此外海岛众多。我国又是灾难频发的国家,重型直升机在国家经济建设、人民生命财产的保障、国家利益的保证和拓展等方面有着不可或缺的作用。

目前国外掌握重型直升机整套关键设计技术的国家仅有美国和俄罗斯,欧洲等也在积极准备发展重型直升机,拥有重型直升机并具备研发能力是体现一个国家的综合实力标志之一。

本文通过对国外重型直升机现状及技术发展进行剖析,对我国重型直升机研制目标和规划的确定具有一定的借鉴意义。

现役重型直升机现状和技术特点

目前世界上现役的重型直升机主要有美制CH-47系列、CH-53E系列、V-22和俄制米-26系列,累计装备约1745架。

重型直升机可采用单旋翼带尾桨式、纵列式、横列式、共轴式、倾转旋翼式和复合式等多种构型。目前现役重型直升机仍以传统常规的单旋翼带尾桨式和纵列式布局为主,倾转旋翼式技术成熟性较差,仍在发展中。现役典型的重型直升机的主要技术特点见表2,三种构型优缺点对比分析见表1。

现役的重型直升机除V-22以外,大部分都是上世纪70年代研制的,在技术水平、寿命、保障、维护等方面均已相对落后,亟待更新。国外对重型直升机的发展非常重视,一方面利用现有成熟先进技术对现役重型直升机进行技术提升;另一方面,制定了系列发展计划,近期发展计划注重发展常规的构型直升机技术,中远期计划注重新构型的概念设计和关键技术预研。

在研重型直升机的状况

目前在研重型直升机有美国的CH-53K、 CH-47F,俄国的米-26T2,它们都是在已有的机型进行技术提升。

CH-53K重型直升机

CH-53E重型直升机因伊拉克战争中高强度出勤而损耗严重,在2011年即进入批量停飞退役阶段。因此早在2006年4月,美国海军同西科斯基公司签署了总额约30亿美元的海军陆战队下一代重型运输直升机CH-53K研制合同。预计2015年开始总计156架的交付工作。

CH-53K设计上吸收了CH-53E在中东恶劣条件下事故频发的教训,强调高温(33℃)和较高海拔(1000米)作战使用需求;其最大起飞重量38.4吨,较CH-53E提高5.3吨。主要的改进包括:

单台发动机功率提升至4500~4900千瓦,提升传动装置的功率,采用第四代下反角桨尖的高效旋翼系统,采用全复合材料机体结构,有效提升飞行性能;采用弹性轴承桨毂和传动系统的单元体设计,易于维护;采用多余度电传飞控系统,改善飞行品质;采用抗弹击的桨叶、桨毂,提高生存率;联合互操作的“玻璃化驾驶舱”,提高了人机功效;加大的货舱尺寸和预置的地板滚道,便于标准集装箱运输。

CH-47F改进型直升机

为解决美军CH-47D直升机机队老化、运输性能衰减,缺乏与地面协同一体的信息化设备、维护工时和成本不断上升等一系列问题,2006年年底美国陆军启动了CH-47F“改进型货运直升机”研制计划。第一期总额15亿美元计划采购66架CH-47F,其中38架新研,28架由现役的CH-47D改进升级。预计至2022年,美国陆军计划装备452架CH-47F,部分CH-47F直升机总寿命将达到创纪录的71年。

研制的核心目标就是降低使用保障费用,提升直升机的可靠性、可用性和维修性,实现通信和导航设备与美军数字化战场设备兼容。

为达成该目标,CH-47D直升机近95%的部件和系统均需新研或改进,主要改进内容有:机身结构升级,降低维护需求并延长使用寿命;改善振动水平,改善驾乘舒适性、延长动部件和机体疲劳寿命从而降低使用保障费用;航电系统升级,升级的机载设备可实现与美军旅/营和以下单位互操作的能力;换装先进的数字式飞控系统,实现夜间小速度或悬停、小速度机动飞行能力;发动机升级,换装霍尼韦尔公司的T55-L-714A发动机,起飞和最大连续功率均提高近30%、油耗降低5%;旋翼系统升级,换装全复合材料旋翼系统和带弹性轴承的桨毂,提高气动性能,改善使用维护性;对桨尖构型进行优化,进一步提升旋翼性能。

米-26T2重型直升机

米-26直升机体积庞大,驾驶复杂,完成飞行任务需要5人协同配合,它的驾驶舱也是世界最大的直升机驾驶舱。由于米-26驾驶舱的标示为俄文,对不懂俄文的机组人员来说颇为复杂,要有专门的适应性训练。2006年年初,俄罗斯罗斯托夫直升机制造公司开始考虑对驾驶系统和机载设备改进, 2011年3月改进型米-26T2运输直升机实现了首飞,预计2年后交付用户。

该机的主要改进内容包括改进座舱为具有新航电系统的玻璃座舱,五个多功能显示屏可以显示外部载荷的彩色图像,一个新的自动驾驶仪和一个双通道的导航系统。这些改进将使该直升机能在全球工作,并且仪表飞行可满足国际标准。将机组5人降低到2人,加上一个外吊挂操作员,在夜间外部吊挂工作时,机组可以使用搜索灯和夜视镜工作。

在升级航电系统外,该公司也考虑对发动机、旋翼系统、传动进行改进,以提高该机的整体性能及使用能力。发动机升级为采用电调的D-136-2涡轴发动机,该发动机的最大应急功率可达9187千瓦,可以在30℃以上高温工作,最大起飞功率增加到8562千瓦;旋翼系统将采用新型的复合材料桨叶,桨毂采用弹性轴承;改进主减,保证其能在更大的功率和高温下使用。

国外重型直升机发展计划

近期发展计划

欧洲重型直升机计划(HTH)

2004年欧洲直升机公司着手规划重型直升机研制方案,称作“重型运输直升机”(HTH),主要用来填补CH-53G直升机和欧洲NH90直升机与A400M军用运输机之间的空白。计划2020年投入使用。按构型不同形成两种设计方案。

(1)单旋翼带尾桨构型

重型运输直升机(HTH)因整体尺寸和飞行性能与CH-53K相似,因此其旋翼、动力、传动等系统均可采用CH-53K方案;机舱尺寸需重新设计;航电和飞行操纵系统采用NH90直升机研制成果,大范围使用复合材料。也有消息称欧直与俄国直升机公司已接触5年拟在米-26基础上展开合作。

(2)纵列式双旋翼构型

因欧洲偏重低海拔高度作战,因此认为关键参数是最大内载,而非最大外吊能力,因此纵列式直升机有其特有的优势。欧直与波音公司联合,推出纵列式构型方案参与竞标,该方案的最大起飞重量达33吨,最大飞行速度310千

米/时,可在约7010米高度以274千米/时巡航飞行。波音和欧洲直升机可能将各自负责50%的工作,并尽量采用现有技术,预计2020年左右完成。

俄罗斯米-46重型直升机发展计划

随着2002年米-6最终退役和俄罗斯国内外对大载重能力的直升机需求迅速增长,1990年米里莫斯科直升机公司开始运载能力10~12吨级的米-46直升机论证工作。米-46在总体布局、主要装配件和机载系统性能上都与米-26类似,可降低研制成本和风险,换装免维护的全复合材料桨叶和弹性轴承桨毂,改进的飞行-导航系统,提高了单发失效时的安全性,降低油耗水平,简化维护操作,改善装/卸载操作的自由度。

中远期发展计划

目前国外已公布的重型直升机中远期发展计划是美国陆军的联合重型旋翼机(JHL)研发计划,其主要性能要求为:货舱空间能容纳15.2米(长)×3.4米(宽)×2.8米(高)的集装箱,能运输20吨货物(如未来作战系统(FCS)车辆)飞行350~500千米,自部署作战半径3900千米,悬停升限约3050米,能在无准备的场地起降;在设计点海拔高度1220米,环境温度35℃条件下,有效载荷13吨。

JHL计划目前处于概念研制阶段,各制造商提供了多种设计方案,基本涵盖了目前已知的垂直起落旋翼机各种构型,其中5种方案获得军方资助,按速度划分为三类:

第一类:速度在296~370千米/时之间的有波音公司的“先进纵列双旋翼直升机”(ARTH)和西科斯基公司的“X2技术起重机”(X2C)。它们是在常规的纵列式双旋翼和共轴式双旋翼构型技术基础上发展。

第二类:速度在370~463千米/时之间的有西科斯基公司的“X2高速重型直升机”(X2HS);它是在X2技术基础上发展,通过采用共轴“前行桨叶概念”(ABC)技术,在机身两侧加装了涵道式的推力风扇,提供直升机快速平飞的动力。

第三类:速度在463~556千米/时之间的有贝尔-波音公司的“四旋翼倾转旋翼机”(QTR)和卡曼公司的“最佳速度倾转旋翼机”(OSTR)。它们是在V-22倾转旋翼机的技术基础上发展上,但在前者采用独特的传动技术,后者则发展了旋翼控制技术以及旋翼与机翼的匹配技术。

为突破传统布局在速度、航程方面的限制,国外新概念气动布局不断发展,其成果同样在重型直升机研发上得以应用,上述第二类和第三类的构型方案均采用新概念布局。

结论与启示

从国外重型直升机技术发展历程来看,重型直升机的技术发展与其他相对小吨位直升机的技术发展是密不可分的。一般来说,在小吨位直升机成熟技术通过适应性改进可以应用到重型直升机上。但重型直升机由于尺寸大、重量大、旋翼转速低、结构及系统复杂,又会带来设计、制造、使用上新的技术问题,形成重型直升机自身的技术特点。掌握小吨位直升机技术仅是研发重型直升机必要条件。

考虑到研制周期、成本、技术风险等多方面因素,目前研制的重型直升机仍以现有成熟的单旋翼带尾桨和纵列式双旋翼构型为主。这两种构型的现役重型直升机采用的是上世纪70年代的第二代直升机技术,目前和近期研制重型直升机主要采用第三、四代直升机技术,其主要特征是:全复合材料桨叶和带弹性轴承的球柔性桨毂,第三、四代发动机,先进的传动系统,大量使用先进的复合材料,电传操纵系统,玻璃化驾驶舱的综合航电系统等。研制目标是提升大型装备的内载和外吊挂运输能力,提升较高海拔高度下的高温使用性能,改善操纵和机动性和维护保障性等。预计5年之后,新研重型直升机将逐步取代现役重型直升机,满足今后30年左右使用需求。

对于同一个系列发展的重型直升机,最大起飞重量随着用户要求的任务载荷的提高而增加。以CH-53系列为例,CH-53A的最大起飞重量为19吨,CH-53E的最大起飞重量增加到33吨,至CH-53K其最大起飞重量则达到了38吨,高温、高原运载能力成倍增长。

发展新构型,保留直升机的使用特点,又能提高速度、增大航程,是未来重型直升机的技术发展方向。以V22倾转旋翼机的和以X2复合推力直升机为代表等一些新构型直升机技术逐步成熟,正在走向实用。预计在10年之后,这两种新构型直升机将大量投入使用。

国外重型直升机技术发展的经验和教训,对我国发展重型直升机有借鉴和启示的作用。

我国已成功研制AC313、AC312、AC311等直升机,技术上已达到第三代直升机的技术水平,这些直升机设计、试验、制造技术构成我们发展重型直升机的基础。我国的重型直升机应优先考虑采用常规的单旋翼带尾桨构型。

高原、高温是我国的特殊国情,因此在重型直升机设计点的选择上应充分关注此问题,发动机、旋翼技术是解决这个问题的关键。

作为长远发展,我国应发展速度在500千米左右的大装载运输直升机,以解决目前常规直升机固有的运输效率不足问题。遵循直升机型号发展规律,必须经历概念研究、关键技术预研、原理样机演示验证、背景机研究、型号研制等过程,应早做谋划,尽快实施。(本文作者黄传跃单位系中航工业直升机;陈国华单位系中航工业直升机所)

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