國外典型重型運輸直升機對比分析

國外典型重型運輸直升機對比分析

重型直升機是指起飛重量大于20噸，內載和外吊掛能力大于8噸，運送超過50人的直升機，由于主要用來運輸，所以也被稱為重型運輸直升機。重型運輸直升機機動性強、不受機場限制、運載能力大、輸送速度較快，受到世界各國際軍事強國的重視，在民用方面和軍事領域得到了廣泛的應用。

國外典型重型運輸直升機介紹

直升機發展歷史上出現過多種型號的重型運輸直升機，其中有美制的CH－47系列、CH－53系列、V－22系列，俄制的米－6系列、米－10系列、米－12系列和米－26系列。而目前世界上現役的重型直升機主要有4種，即CH－53系列、米－26系列、CH－47系列和V－22系列。

CH－53直升機

CH－53“海上種馬”直升機是美國西科斯基公司制造，1971年開始研制，最大起飛重量超過30噸。CH－53直升機是美海軍直升機部隊的重要組成部分，主要用來執行預警偵察、反潛巡邏和救援、對艦隊的垂直補給等任務，可容納37名全副武裝士兵或24副擔架和4名醫務人員。

米－26直升機

米－26“光環”直升機由蘇聯米爾莫斯科直升機工廠主持設計、研制，1970年開始研制，1977年12月14日首飛，發展有米－26A、米－26T、米－26P及米－26M等多種型號，是當今世界上服役的最大、最重的直升機，最大起飛重量達56t。該機的運輸能力與美國C－130運輸機相當，內載和外掛均可達20噸，主要用于運輸大型裝備、武器彈藥和其它軍用物資，也可用于森林防火和邊遠地區的地質勘探開發。

CH－47直升機

CH－47“支奴干”直升機是由美國波音公司制造，自1961年9月21日首飛以來，已服役40多年，發展有A、B、C和D等16種型號，最大起飛重量達24.5噸，最大有效載重12.944噸，最大吊掛載重12.700噸，可運載33－55名全副武裝的士兵或24副擔架和2名護士。主要用來機降作戰、后勤補給和搜索救援等。

V－22“魚鷹”傾轉旋翼機

V－22“魚鷹”是由美國貝爾直升機公司和波音直升機公司聯合設計制造的，同時具備垂直起降和短距起降能力的高速運輸傾轉旋翼機，于20世紀80年代開始研發，1989年3月19日首飛成功，是目前在役的唯一一型傾轉旋翼機，時速高達509公里，最大起飛重量約27t，主要用于戰斗搜索、特種作戰和艦隊后勤及遠距離特種運輸。

四種機型使用性能總結

以上四種典型重型運輸直升機的主要使用性能如表1所示。

表1 四種機型主要使用性能

由表1可見：

（1）米－26的最大起飛重量和有效載荷要大于其它三種機型，這對重型運輸直升機的運輸能力十分重要，直接決定重型運輸直升機單次運輸的效率。

（2）V－22的最遠航程和最大平飛速度要遠遠優于其它三種機型，這對重型運輸直升機的運輸速度、作戰半徑等有很大提升。

國外典型重型運輸直升機對比

重型運輸直升機在研發過程中存在特有的技術難點和規律，下面主要從直升機結構型式、動力裝置、主減速器、操縱系統和航電設備五個方面對上述四種機型進行對比分析。

結構型式

CH－53系列、米－26系列、CH－47系列和V－22傾轉旋翼四種機型涉及到的結構型式主要有三種，分別是單旋翼帶尾槳式、雙旋翼縱列式和傾轉旋翼式。

（1）單旋翼帶尾槳式

單旋翼帶尾槳形式的優點在于適用范圍較廣、結構簡單、成本低。缺點則有：需要額外功率供尾槳平衡主旋翼反扭矩；重心范圍狹小；直升機起動后，尾槳高速旋轉，地面人員無法靠近機身后部裝卸貨物，影響運輸效率；尾槳受到主旋翼尾渦的影響，降低了其氣動效率，增大了尾槳載荷與振動。

（2）雙旋翼縱列式優缺點

雙旋翼縱列式直升機的優點有：不需要尾槳；縱向重心范圍大；具有較大的俯仰阻尼和操縱功效，縱向操縱品質較好。缺點有：后旋翼構架使結構重量增加；前旋翼尾渦對后旋翼會產生氣動干擾，這是振動、交變載荷、噪聲和功率損失的根源；為降低前旋翼尾渦對后旋翼的氣動干擾程度，后旋翼位置較高，造成俯仰慣性較大，機身氣動力矩不穩定，偏航操縱效率較低。

（3）單旋翼帶尾槳式與雙旋翼縱列式對比

1）重量對比

由于對于重型運輸直升機而言，主減速器和旋翼重量占直升機總重比重較大，雙旋翼縱列式相比單旋翼帶尾槳式，可以減少主減速器和旋翼的重量，從而可以降低結構重量。

2）重心范圍對比

雙旋翼縱列式直升機可以利用前后旋翼差距操縱來保持機體平衡，重心范圍比較大。

3）飛行性能對比

懸停和小速度時，雙旋翼縱列式有利；

經濟巡航時，單旋翼帶尾槳式有利；

大速度時兩種型式相當；

考慮旋翼和發動機功率限制，單旋翼帶尾槳式巡航速度有利；

（4）傾轉旋翼式特點分析

傾轉旋翼式較其它兩種結構形式有速度快、振動小、旋翼效率低和氣動特性復雜等特點。

速度快

直升機的飛行速度受到前行槳葉激波失速和后行槳葉氣流分離的限制不可能太快，最大速度超過360千米/小時的很少，而V－22傾轉旋翼機的巡航速度為509千米/小時，最大速度可達650千米/小時。

振動小

轉旋翼機的旋翼布局在遠離機身的機翼尖端，并且旋翼直徑較小，因此其座艙的振動水平比一般的直升機低。

旋翼效率低

為確保槳葉根部能夠在前飛狀態下產生較大的拉力，螺旋槳旋翼的扭角比直升機旋翼較大，而這種大扭轉角設計會造成懸停狀態下，工作效率大大降低。

氣動特性復雜

在前飛速度較低，下降速度較大時，在自身的下洗氣流的影響下，極易進入渦環狀態，導致旋翼升力損失。這種橫列式結構布局，一旦一側進入渦環時，就會導致兩側升力失衡，發生滾裝。

動力裝置

目前，世界上用于重型運輸直升機的大功率渦軸發動機僅有4種型號，即配裝CH－53的T64發動機、配裝米－26的D－136發動機、CH－47的T55發動機和配裝V－22的T406發動機四種型號發動機的參數見表2。

這四種機型發動機的特點主要有：

（1）功率范圍寬泛。由表2可見，重型直升機所需的大功率渦軸發動機的起飛功率范圍為3267～7457kW，均在3000kW以上。特別是D－136發動機最大功率達7457kW，是世界上功率最大的渦軸發動機。

（2）采取兩種結構型式

兩種結構型式是指常規結構和三軸結構型式。常規結構型式，即自由渦輪式單轉子，一般采用中等熱力循環系數、高部件性能，達到理想的整機性能，如T64－GE－419、T55－L－712和T406均屬這種結構；三軸結構型式，即自由渦輪式雙轉子渦軸發動機，采用高熱力循環參數、較高部件性能，D－136發動機是該型的唯一代表。

（3）具有較高功重比、較低耗油率

由于大功率渦軸發動機的功率偏大，實現高功重比、低耗油率的性能指標相對容易。如這四種渦軸發動機雖屬于第二代和第三代，但功重比達到甚至超過第四代渦軸發動機。

表2 四種型號發動機參數

（4）組成部附件具有一些共同點

除近期研制的T406發動機外，壓氣機多采用多級軸流式，燃燒室采用環形直流型式，動力渦輪為雙級結構，大部分均帶有體內減速器。

主減速器

主要對CH－47系列和米－26系列直升機的減速器加以對比。

CH－47利用安裝在發動機內的超轉離合器進行體內減速，再由并車減速器將兩臺發動機功率匯總后傳給前后旋翼各自的減速器，這種三級減速形式保證了每一臺發動機都能驅動兩副旋翼，同時也降低了減速器的制造難度和制造工藝。米－26主減速器為三級多路功率傳動，，采用單元體設計，每個單元體基本上都能達到規定壽命，可單獨制造、試驗、修改，并可用在其它系統上。這種設計大大簡化了研制工作，并減輕了重量。其最獨特的設計特點是最后級減速比大，最后一級的減速比大，就大大減輕了主減速器的重量。減少減速級和空間布局合理，使從轉過部件冷卻的滑油容易流出，提高了齒輪箱的工作效率，冷卻要求低，使冷卻系統的重量也減輕了。

操縱系統

該四種型號重型運輸直升機至少采用兩套以上的液壓助力系統，以確保在飛行中操縱的穩定性，均采用了輔助操縱系統，不僅是為了降低飛行員的操縱難度，更是為了直升機能得到更穩定的狀態。

CH－47直升機液壓系統包括通用系統、1號和2號飛行控制系統，所有液壓系統都裝有壓縮油箱，防止泵出現氣穴現象。所有的系統無論在空中還是地面都可以進行監測。多余度自動飛行控制系統采用2個相同的控制系統和2套穩定作動系統，用來保持直升機穩定性和姿態。

CH－53直升機使用4個液壓泵驅動總距、周期變距、橫滾、偏航和桿力增加飛行控制伺服機構，發動機起動機、起落架收放、貨物絞車、裝卸跳板以及槳葉和尾斜梁折疊的液壓系統。

V－22傾轉旋翼機有3通道電傳操縱裝置，具有自動穩定、全自動駕駛儀和編隊飛行模式。飛行操縱系統發出控制襟副翼、升降舵和方向舵液壓作動筒的信號， 控制該型機在直升機與定翼機飛行模式之間的轉換，并且能對空速、短艙傾轉和迎角編程。

米－26直升機上有主液壓系統和應急液壓系統。自動穩定裝置的每個通道都有伺服裝置位置指示器，自動駕駛儀有12個位置的試驗電門裝在中央控制臺上，自動由前飛狀態進入并保持懸停狀態。自動穩定系統的伺服裝置能使用的行程占整個操縱行程的20%。

航電設備

CH－47裝有雷達告警接收機、紅外干擾機超戰術空間導航系統、慣性導航系統、全球定位系統和箔條/曳光彈發射器。飛行儀表系統按標準的儀表板行規則設計，其中包括水平位置指示器，先進座艙管理系統（ACMS）和電子飛行信息系統，任務設備有衛星通信天線。

CH－53導航設備包括導航計算機、微型塔康導航系統、伏爾接收機、奧米加導航系統和多普勒導航系統。任務設備包括數字雷達尋的和告警系統、數字雷達告警系統、電子對抗金屬箔條曳光彈投放機、電子對抗措施記錄系統，多波束聲吶、紅外對抗系統。任務設備包括拖曳式聲吶、掃雷裝置以及電子掃瞄儀等。

米－26采用自主式導航系統多普勒設備和活動地圖顯示儀，可連續顯示直升機的位置。裝有機載閉路電視，用于監視貨物裝卸過程和飛行中的貨物狀態，共3臺電視攝像機。軍用型可裝紅外干擾儀、紅外抑制器和編碼的彩色識別曳光彈系統。

V－22機頭左側突出的雷達罩內裝有地形跟蹤、地形回避多功能雷達。飛行設備包括戰術空中導航設備、甚高頻全向指向標/儀表著陸系統、姿態航向基準系統、雷達高度表、超高頻/高頻自動無線電羅盤、輕型慣性導航系統、小型機載全球定位系統和數字地圖顯示器、備用姿態指示器、數據搜索和存儲系統以及2臺任務計算機加上波音/IBM軟件。自衛設備包括有導彈告警系統、雷達/紅外告警系統、箔條撒布系統。美國空軍的V－22采用綜合射頻對抗裝置，其中有雷達告警接收機、電子對抗雷達定位與干擾器。

對我國發展重型運輸直升機的啟示

（1）為降低直接研制重型運輸直升機的風險，可利用現有直升機成熟技術，結合重型運輸直升機特點，通過適應性改進而進行。

（2）我國在直升機技術上雖然已達到第三代直升機的技術水平，但均采用單旋翼帶尾槳式機身構型，雙旋翼縱列式與傾轉旋翼式在我國直升機發展史上仍是空白。重型運輸直升機在研發過程中會出現更多的技術難點，如果采用雙旋翼縱列式或者傾轉旋翼式會增加研發周期和研發成本。所以我國的重型直升機應優先考慮采用常規的單旋翼帶尾槳式機身構型。

（3）為避免大尺寸單轉子燃氣發生器可能遇到的轉子動力學問題，可采用自由渦輪式雙轉子渦軸發動機構型，通過增加增壓級提高總壓比。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.20.001