美國新型旋翼機設計方案分析

張斌

直升機在戰(zhàn)爭中可以執(zhí)行兵力機動、火力支援、反艦反潛、監(jiān)視偵察、戰(zhàn)斗搜救、后勤補給、特種滲透等任務，特別是當遇到崎嶇地形、高海拔山區(qū)以及地面運輸受阻時，直升機將發(fā)揮不可替代的作用。但目前美軍裝備的直升機大多是20世紀90年代前裝備的，有些直升機服役時間甚至超過了50年，如CH-47“支奴干”運輸直升機，而且傳統(tǒng)直升機速度慢、航程短、效率低，無法滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭的需求，所以，美國需要開始著手研制速度高、航程大、懸停效率高、使用成本低的下一代先進旋翼機。為此，美國國防部高級研究計劃局（DARPA）和美國陸軍分別提出了“垂直起降試驗機（VTOL X-Plane）”項目和“聯(lián)合多用途旋翼機”（Joint-Multi-Role，JMR）項目。

垂直起降試驗機項目

長期以來，傳統(tǒng)構型的直升機無法在保證航程、懸停效率的條件下提高飛行速度，因此，DARPA提出了“垂直起降試驗機”項目。該項目將綜合利用垂直起降飛機和固定翼飛機的技術優(yōu)勢，推動新型垂直起降技術和新概念構型的發(fā)展。

2013年3月8日，DARPA發(fā)布了研制垂直起降試驗機的項目需求，要求研制一種在巡航速度、懸停效率、巡航升阻比，有效載荷以及平臺綜合功能等方面優(yōu)于現(xiàn)有常規(guī)直升機的新機型，解決長期困擾常規(guī)直升機的問題，如后行槳葉失速、廢阻力高等。

“垂直起降試驗機”項目分3階段進行，第1階段分為2個子階段—1A和1B，1A是為期6個月的概念設計階段，1B是為期16個月的預先設計和技術成熟度發(fā)展階段；第2階段將進行為期18個月的細節(jié)設計、研發(fā)和集成；第3階段是為期12個月的地面和飛行試驗。

DARPA對試驗機提出的具體性能參數(shù)包括：巡航速度556～740千米/小時；懸停效率從60%至少提高到75%；巡航升阻比從5～6提高到10；總重為4.5～5.5噸，載重不低于飛機總重的40%，有效載荷不低于總重的15.5%。

聯(lián)合多用途旋翼機項目

聯(lián)合多用途旋翼機（JMR）項目是未來垂直起降（Future Vertical Lift，F(xiàn)VL）計劃的前期項目。2009年，美國防部長為了集中研發(fā)垂直起降技術提出了FVL計劃。FVL的目的是采用新設計、新材料和新技術，研制出高速度、大航程、高可靠性、易維護性、低使用成本的先進旋翼機，擬2030年前后用來替代UH-60“黑鷹”、AH-64“阿帕奇”、CH-47“支奴干”和OH-58“基奧瓦”等型現(xiàn)役直升機。

FVL-M項目提出的性能指標包括：飛行速度426千米/小時，無空中加油航程比UH-60M高40%（超過800千米），35℃環(huán)境下懸停升限達到1829米。

JMR項目分2個階段進行：第1階段進行平臺技術驗證；第2階段將進行任務系統(tǒng)驗證。第1階段主要對不同布局方案進行分析，明確JMR設計要求和性能參數(shù)指標，選出初步設計方案。第2階段主要研究與任務系統(tǒng)有關的技術、概念、構架和程序的經(jīng)濟可承受性以及任務系統(tǒng)的性能參數(shù)指標，該階段的研發(fā)和測試將在2015財年開始，任務系統(tǒng)的飛行試驗定于2017～2019財年。

2013年10月，美國陸軍向AVX飛機公司、凱瑞姆飛機公司、貝爾直升機公司和西科斯基飛機公司授予了技術投資協(xié)議（TIA），要求這4個公司9個月內(nèi)完成先進旋翼機的初步設計，美國陸軍將會對其設計進行評審，并且選出其中2個公司的設計于2017年進行演示飛行。

JMR有4種型號，分別為輕型、中型、重型和超重型。其中輕型用于偵察，計劃2030年用來替代OH-58“基奧瓦”直升機；中型分為通用型和攻擊型2種，計劃2027～2028年分別用來替代UH-60“黑鷹”直升機和AH-64“阿帕奇”直升機；重型用于運輸，計劃2035年用來替代CH-47“支奴干”直升機；超重型計劃2025年用于替代C-130J和A400M運輸機。JMR的4種型號的性能參數(shù)如表1所示。

設計方案

在DARPA垂直起降試驗機的競選方案中，有極光飛行科學公司、波音公司、凱瑞姆飛機公司和西科斯基飛機公司參與競標。這4個公司都提出了無人駕駛設計方案，其中只有極光飛行科學公司沒有公布其具體設計方案，但極光飛行科學公司是涵道風扇和混合推進飛行器的先驅。波音公司的設計方案是在機身嵌入2個升力風扇，在機翼翼尖安裝2個傾轉涵道風扇提供升力和前進推力，2013年，波音制造并且試飛了該機的縮比模型。凱瑞姆飛機公司推出了一種具有最佳轉速的傾轉旋翼飛行器。西科斯基飛機公司采用共軸對轉雙旋翼加后置推進螺旋槳布局。DARPA計劃從這4個公司中選出1家在2015年末進入第2階段的研制工作，并且在2017～2018年參加飛行試驗。

在JMR技術演示（JMR-TD）的第一階段，有6個團隊提出了旋翼機設計競選方案，分別為AVX飛機公司、貝爾直升機公司、西科斯基飛機公司、凱瑞姆飛機公司、EADS北美公司、皮亞斯基飛機（Piasecki Aircraft）公司，其中EADS北美公司由于財經(jīng)壓力中途放棄了JMD-TD的競選。最后，美國陸軍向AVX飛機公司、貝爾直升機公司、西科斯基飛機公司和凱瑞姆飛機公司授予了技術投資協(xié)議（TIA）。這4個公司提出的設計方案可分為2類，一類為是傾轉旋翼機式布局；另一類是旋翼加螺旋槳式布局方案，即復合式直升機。其中貝爾直升機公司和凱瑞姆飛機公司采用第1類方案，AVX飛機公司和西科斯基飛機公司采用的是第2類方案。美陸軍計劃從這4個公司中選出2家公司在2017年進行演示飛行。

這4家公司的具體設計方案如下：

AVX飛機公司方案

AVX計劃為美陸軍設計通用型和武裝型2種型號的旋翼機，AVX飛機公司的競標方案采用共軸雙旋翼兩側涵道風扇布局。

其機身兩側各有一個大艙門，尾部有一個很大的貨艙門，方便人員快速進出和貨物的快速卸載。為了提高氣動效率，2種型號的起落架均采用伸縮起落架。共軸雙旋翼可以相互平衡反扭矩，從而可避免尾槳帶來的能源消耗，還可以提供較高的懸停效率。前飛時涵道風扇提供所有水平拉力，旋翼只需提供升力，在最大速度（430千米/小時）情況下，旋翼只需提供60%的升力，機身前部短翼和涵道風扇可以提供40%的升力，這樣可以減小槳葉載荷并且降低振動。該方案的試驗機將裝備GE T706發(fā)動機，但AVX公司希望未來能夠裝備輸出功率達3600千瓦且經(jīng)濟性好的先進渦輪軸發(fā)動機。該機在最大速度、巡航速度、載荷等方面都優(yōu)于常規(guī)直升機，具體性能參數(shù)如表2所示。endprint

貝爾直升機公司方案

貝爾直升機公司的競標方案是第3代傾轉旋翼機V-280。V-280采用V型尾翼，機身采用復合材料，與V-22不同，V-280在進行直升機與飛機模式轉換時，僅旋翼轉動而發(fā)動機并不轉動。雖然V-280上的許多技術都是基于貝爾/波音聯(lián)合研制的V-22傾轉旋翼機，但大多數(shù)技術都進行了升級和改進。V-280在低速靈活性、高速大過載機動性、燃油效率等方面都大大優(yōu)于V-22。V-280將裝備通用動力（GE）公司的GE38發(fā)動機，其功率為5520千瓦，與V-22的AE1107C發(fā)動機功率等級相當。GE38發(fā)動機將會運用許多未來可承受渦輪發(fā)動機（FATE）項目開發(fā)的新技術，例如先進冷卻技術。GE38發(fā)動機已經(jīng)完成了3100小時的試驗，該發(fā)動機還將裝備在西科斯基公司制造的CH-53K重型直升機上，該機將在2014年底進行首飛。為保證V-280擁有出色的操縱性能，貝爾直升機公司希望為V-280研制一套全新的3余度電傳飛控系統(tǒng)。穆格公司將承擔其綜合飛行控制系統(tǒng)（飛控計算機、支持軟件和飛控作動器）的設計、制造和取證工作。

西科斯基飛機公司方案

西科斯基飛機公司的競標方案是在X2的技術基礎上研發(fā)的S-97“侵襲者”，該機采用共軸對轉雙旋翼加后置推進螺旋槳布局。其尾部螺旋槳可以對直升機進行加速和減速，前飛時，后置螺旋槳可以提供前進推力，增加飛機的飛行速度；懸停時，可以將后置螺旋槳關閉；減速時，后置螺旋槳反轉可以使直升機在短距離內(nèi)降低飛機前飛速度。主旋翼葉片采用電傳控制系統(tǒng)。多任務駕駛艙可以提高作戰(zhàn)靈活性，其里面的輔助燃油箱可以增加航程、續(xù)航時間以及提高作戰(zhàn)能力。S-97有可能裝備GE公司的YT706-GE-700R發(fā)動機。YT706發(fā)動機是GE公司享譽盛名的T700/CT7系列發(fā)動機之一，其功率范圍1837～2205千瓦，現(xiàn)主要用于美國陸軍的MH-60M直升機。

與常規(guī)直升機相比，S-97懸停高度可增加150%、速度和續(xù)航時間增加一倍、載荷增加40%、作戰(zhàn)半徑增加60%；與機械結構和氣動特性更加復雜的V-22相比，懸停效率更高。

凱瑞姆飛機公司方案

凱瑞姆飛機公司的競選方案是TR36TD，該機采用了最佳轉速傾轉旋翼設計概念。最佳轉速傾轉旋翼設計概念是指飛機在垂直飛行和前飛時，傾轉旋翼的轉速可以改變，使槳葉載荷最優(yōu)，從而使旋翼推進效率最高，發(fā)動機可以根據(jù)旋翼的速度通過多速變速箱調整發(fā)動機的轉速，使發(fā)動機以最優(yōu)轉速工作，從而提高發(fā)動機效率。在懸停與前飛時，旋翼轉速最小可以降低25%，最多可以降低40%。

TR36TD機翼采用翼展和展弦比比V-22更大的薄翼機翼。V-22的傾轉旋翼固定在翼尖，為了避免旋轉顫振造成氣動彈性失穩(wěn)，必須限制機翼的翼展，而TR36TD的輕質剛性旋翼可以延遲旋轉顫振的發(fā)生，因而，TR36TD可以采用大翼展薄翼機翼，這可以降低飛機在以飛機模式飛行時的阻力。機翼左右兩側各裝有一個可傾轉的旋翼，外部機翼固定在傾轉發(fā)動機吊艙上，可與發(fā)動機吊艙一起旋轉，這樣可以減少機翼在懸停時的下洗流。輕質剛性槳葉固定在輪轂上，輪轂固定在桅桿上，各槳葉與輪轂并不采用鉸鏈聯(lián)接，而是通過電能進行獨立控制，這種設計可以簡化機械結構、減輕重量以及提高控制能力，進而可以減小尾翼面積。TR36TD將采用現(xiàn)有的渦槳發(fā)動機。該機的最大飛行速度可達670千米/小時。

設計方案分析

傳統(tǒng)直升機的最大飛行速度主要受前行槳葉局部激波、后行槳葉氣流分離及槳盤前傾的限制。目前，傳統(tǒng)直升機的最大飛行速度難以超過370千米/小時。AVX飛機公司和西科斯基飛機公司提出的旋翼加螺旋槳布局方案，即復合式直升機，可以大大提高飛行速度。當飛行速度較大時，直升機所需的水平拉力全部由螺旋槳提供，旋翼槳盤不需要前傾，所以就不存在槳盤前傾對最大飛行速度的限制。但由于旋翼的存在，復合式直升機的速度仍然受到限制。為了避免前行槳葉出現(xiàn)局部激波，前行槳葉速度不能太大，因此，最大旋翼前進比（μmax）就會很大，旋翼反流區(qū)隨μmax增大而增大，當μmax>1時，后行槳葉幾乎全部處于反流區(qū)中。所以，目前復合式直升機的最大速度難以超過500～550千米/小時。

復合式直升機可以提高懸停效率。通常復合式直升機的旋翼都采用共軸雙旋翼，因為共軸雙旋翼可以平衡反扭矩，如果采用單旋翼，那么就需要尾槳或其他裝置來平衡反扭矩，這會增加結構重量和復雜性，所以AVX和西科斯基公司都采用了共軸雙旋翼。具有共軸雙旋翼的直升機在懸停時兩旋翼之間會產(chǎn)生有利干擾，從而提高直升機懸停效率。

復合式直升機更適合航程要求大的直升機。因為復合式直升機往往要損失重量效率，但當飛行速度大時，復合式直升機的氣動效率高，因而相對燃油重量就會降低，有效載荷占總重的比例就會增大。此外，只有在航程較大的情況下，提高直升機飛行速度才能顯著提高運輸效率，所以，航程越大，復合式直升機在有效載荷和運輸效率方面就越有優(yōu)勢。

貝爾直升機公司和凱瑞姆飛機公司提出的傾轉旋翼機可以大大提高飛行速度。在前飛時，傾轉旋翼機變成了螺旋槳飛機，傾轉旋翼機的最大飛行速度理論上可以達到800千米/小時以上。但傾轉旋翼機的懸停效率會稍差，因為傾轉旋翼機在垂直飛行時，旋翼和機翼會產(chǎn)生不利干擾，影響懸停效率。

傾轉旋翼機方案適合速度高、航程大的重型直升機。首先傾轉旋翼機飛行速度大時的氣動效率高，因此，速度越高、航程越大，其優(yōu)勢越明顯，原理與前面提到的相同。此外，傾轉旋翼機有2個旋翼和主減速器，從結構重量看，如果直升機總重較小，那么旋翼和主減速器重量所占總重的比例就很大，其運輸效率就會降低。所以，傾轉旋翼機更適合速度高、航程大的重型直升機。

綜上可知，這4家公司提出的2種方案，在飛行速度、航程以及載荷方面都優(yōu)于傳統(tǒng)直升機；AVX和西科斯基公司提出的復合式直升機方案比貝爾直升機公司和凱瑞姆飛機公司提出的傾轉旋翼機方案在懸停效率方面可能更優(yōu)，但在最大飛行速度和載荷方面可能要稍差。endprint