共轴刚性旋翼构型高速直升机发展研究

摘要

共轴刚性旋翼带推力桨构型在保留常规直升机优异近地面机动能力的基础上,可实现速度与航程提升一倍,是下一代军用直升机的主要构型。本文从直升机构型发展需求出发,系统梳理了共轴刚性旋翼的概念原理、技术攻关和型号预发展过程,并以美军未来高速直升机型号发展和直升机技术发展趋势,提炼并概括了以高速直升机装备为代表的下一代军用直升机的典型技术特征,对高速直升机的发展提出一些建议。

直升机具有垂直起降、空中悬停以及优良的近地面机动性能，在军、民用领域发挥着不可替代的重要作用。然而，受旋翼工作原理的约束，当前飞速度叠加旋翼转速接近声速时，旋翼前行侧会产生激波、后行侧动态失速，因此，一般直升机的平飞速度很难超越300km/h，限制了直升机在军、民用领域的应用拓展。在保留常规直升机独特的垂直起降、低空悬停以及机动能力的基础上，突破旋翼工作原理对速度的限制，实现高速飞行，一直是美欧等航空强国持续追求的目标。以美国西科斯基公司S-97、SB>1为代表的高速直升机，通过共轴刚性旋翼带推力桨构型实现旋翼工作模式的优化，在保留常规直升机优异近地面机动能力的基础上，平飞速度提高至450km/h以上，航程大于1200km，是下一代军用直升机的主要构型。本文将系统地梳理共轴刚性旋翼的概念原理，分析国外共轴刚性旋翼带推力桨构型的高速直升机的关键技术攻关历程，以及当前的型号预发展情况，在此基础上，通过对美军未来高速直升机型号与技术发展趋势的分析，提炼并概括下一代军用直升机的典型技术特征，并对国内高速直升机的发展提出建议。

共轴刚性旋翼概念

共轴刚性旋翼是国内对前行桨叶概念（ ABC ）的别称 ，源自文艺复兴时期达 · 芬奇的 “ 旋翼机 ” 假想图，但是由于它对旋翼结构的要求远远超出了当时的技术水平，直到 20 世纪 60 年代，西科斯基公司采用钛合金制造旋翼桨叶以探索共轴刚性旋翼技术，才正式开启了西科斯基公司长达近 60 年的共轴刚性旋翼构型高速直升机的研发之路 。

常规直升机旋翼受到前行桨叶激波限制（见图 1 ）和后行桨叶失速限制（见图 2 ），飞行速度最大只能到 300km/h 左右。而共轴刚性旋翼构型高速直升机打破了常规直升机旋翼的工作原理（见表 1 ），采用前行桨叶概念和共轴双旋翼构型，只通过旋翼前行侧提供升力，后行侧不提供升力，充分利用了旋翼前行侧动压大的优势，避免了后行侧失速对飞行速度的限制；同时，在高速飞行时，降低旋翼转速以减弱前行桨叶激波的限制，并采用辅助推进装置 ( 推力桨 ) 提供足够的前进力。该构型直升机结构紧凑，保留并提升了常规直升机低空机动能力，可实现大幅度的速度提升。

二战后，美国经济和科技高速发展，试飞了多种复合式高速直升机，并有明确的计划牵引和竞争决策机制。在该背景下， 1964 年起，美国西科斯基公司对前行桨叶概念旋翼进行了大量的探索性研究和技术攻关，包括旋翼气动设计、刚性旋翼结构设计、动力学设计、飞行操纵与控制、缩比模型风洞试验等，并于 1970 年在 NASA-AMES 40ft×80ft 风洞中进行了全尺寸共轴刚性旋翼风洞试验验证，这标志着前行桨叶概念旋翼的理论分析和试验研究达到了顶点，并初步验证前行桨叶概念旋翼系统的技术可行性和性能潜力。 1972 年，在美国陆军的资助下，西科斯基公司开始研制 XH-59A 技术验证机，并且在 1973—1981 年间，完成了大约 170h 的试验飞行。 XH-59A 在试飞中，最大飞行速度达到了 487.5km/h ，并表现出了卓越的操纵品质，刚性旋翼提供了较大的操纵功效，机动能力显著提升，充分验证了前行桨叶概念的可行性。陆军在对 XH-59 A 的评价报告中指出 “ 共轴刚性旋翼具有应用于陆军战术直升机上的出色潜力，经试验验证的敏捷性、稳定性和提升后的飞行速度可以增强战术飞行人员的作战能力，并在现代战场上取得胜利 ” 。

图1 常规直升机旋翼的飞行速度限制

图2 常规旋翼和共轴刚性旋翼的技术原理对比 

表1 共轴刚性旋翼技术创新点

尽管 XH-59A 的研制与试飞取得了令人印象深刻的成就，但由于其本身是一个概念验证机，研制经费和周期均有限，在设计过程中进行了多次折中， XH-59A 存在几个重要的设计缺陷 : （ 1 ）由于旋翼系统和推进器分别采用各自的动力系统和传动系统，导致整机空重比低；（ 2 ）由于旋翼振动载荷较大，并且采用的是三片桨叶构型，导致机身振动水平过高；（ 3 ）由于整副旋翼阻力过大，导致整机升阻比不高。为克服这些缺点， 1982 年，西科斯基公司对 XH-59A 进行大范围的改进，形成了 XH-59B 构型方案，而后，西科斯基公司将开发和试飞 XH-59B 的建议递交到了陆军，但西科斯基公司拒绝分担成本（部分原因是公司资源过度紧张），因为当时正同时开发 UH-60“ 黑鹰 ” 、 SH-60“ 海鹰 ” 、 CH-53E“ 超级种马 ” 和民用型 S-76 ，最后导致陆军未授予合同，因此 XH-59B 就此终止，这也标志着共轴刚性旋翼技术探索阶段的结束。

图3 美国XH-59A高速直升机

共轴刚性旋翼技术的深入发展

虽然结束 XH-59 型高速直升机技术验证机项目，但西科斯基并未放弃共轴刚性旋翼构型，并一直在作相应的技术储备。直至 2004 年，西科斯基公司借助于自身 20 多年常规直升机技术发展成果，又开始了新一轮的共轴刚性旋翼构型高速直升机技术研究，并于 2005 年初公开宣布了 X2 技术验证机计划 。西科斯基公司借鉴了 XH-59A 研制和试飞经验，并针对 XH-59A 仍然存在的设计缺陷进行了有针对性的改进设计，并实施于 X2 技术验证机，攻克了多项共轴刚性旋翼构型高速直升机关键技术：（ 1 ）尾部加装推力桨以代替 XH-59 的喷气式发动机，并采用单台 LHTEC T800-LHT-801 发动机为共轴刚性旋翼和推力桨提供动力，简化的动力和传动系统，降低了空机重量（质量），从而提升了全机的空重比；此外，采用全复合材料进行桨叶研制，也在一定程度上降低了旋翼系统和空机的重量。（ 2 ）对 UH-60M 和 S-92A 型机上使用的振动主动控制系统进行改进，并应用于 X2 技术验证机，以大幅降低其振动水平；同时，将桨叶片数由 XH-59A 的三片（单副旋翼）改为 4 片，也在一定程度上降低了 X2 的振动水平。（ 3 ）重新设计了效率更高的共轴刚性旋翼桨叶和推力桨，并采用现代计算流体力学（ CFD ）工具设计了低阻的桨毂整流罩，大幅提升了旋翼系统的气动效率。（ 4 ）采用新型的电传飞控系统，大幅降低了飞行员的工作负荷。

X2 技术验证机最大设计平飞速度 490km/h ，巡航速度 460km/h ，并于 2010 年实现了 463km/h 的巡航飞行，振动水平降至 0.1g 以下，操纵功效达到普通直升机的三倍，桨毂阻力降低至 50% 以下。从西科斯基公布的 X2 技术验证机的试飞结果来看， X2 的研制获得了极大的成功，充分验证了共轴刚性旋翼构型高速直升机各项关键技术、技术可行性和优异的性能潜力，也给了西科斯基公司后续研发这种构型高速直升机极大的信心。

图4 美国X2技术验证机

共轴刚性旋翼构型高速直升机的型号预发展

2003 年以后，美军针对军用直升机开展了专项调研，得出了 4 点结论：（ 1 ）现役最先进的 “ 阿帕奇 ”AH-64 和 “ 黑鹰 ”UH-60 多次被击落，曝露出军用直升机速度慢、生存力不高的缺陷；（ 2 ）高频使用导致现役直升机加速老化，运行和维护费用激增；（ 3 ）现役直升机在航程、速度、有效载荷、可靠性等多达 55 个缺陷方面必须提升和改善；（ 4 ）长期没有新研直升机型号导致美国直升机行业基础日益退化。针对以上现实缺陷， 2008 年美国国会旋翼飞行器核心小组要求制定未来旋翼飞行器战略发展计划。在此背景下，未来垂直起降飞行器（ future vertical lift,FVL ）项目被提出，并于 2009 年经美国国防部批准实施。该项目由美国陆军领衔负责，海军、空军、特殊作战指挥部、海军陆战队和海岸警卫队等军兵种参与。 FVL 项目以旋翼飞行器的发展为主，主要着眼于美国军方和工业部门垂直起降能力和技术的发展，提出充分利用现有资源研发出满足实战需求的旋翼飞行器构型，为美国军方提供更优的旋翼飞行器解决方案，并通过 FVL 项目，充分研究、验证高速旋翼飞行器的各项关键技术，确保美国旋翼飞行器技术领先并持续发展。

FVL 项目计划在未来 50 多年里替换 6100 多架面临老龄化的旋翼飞行器，并为此提出了 “ 系统家族 ” 的概念，强调通用、开放和系列化，涉及轻型、中型和重型直升机研发。轻型将用于替代 “ 基奥瓦勇士 ”OH-58 直升机；中型将用来替代陆军的 “ 黑鹰 ”UH-60 、 “ 阿帕奇 ”AH-64 和海军的 “ 海鹰 ”SH-60 等直升机，大约 4100 架；重型主要用于替代 “ 支奴干 ”CH-47 直升机。由于 FVL 项目由美军多军兵种共同参与，参与方对装备需求有显著差异，为此项目团队于 2015 年引入了 “ 任务能力集 ” （ Cap Set ）概念，通过能力集的不同组合构建不同的作战需求，并牵引不同的平台研发。

图5 FVL系列化发展规划

美国陆军为降低 FVL 项目中型号研制的风险和成本，在 2010 年提出了联合多用途旋翼飞行器 FVL-JMR 子项目 ，拟通过研发多种构型旋翼飞行器技术验证机，来验证各项平台与任务系统的先进技术，以满足更高速度、生存性和可靠性，更大航程和有效载荷的共性需求，支撑后续不同吨位和用途的旋翼飞行器型号装备研发，并为 FVL 项目的型号任务需求、指标要求等提供决策指导。

在 FVL-JMR 项目的牵引下，美国西科斯基 - 波音团队以 13t 级的共轴刚性旋翼构型高速直升机 SB>1“ 无畏 ” 参与 JMR 项目的竞标 ，并顺利成为进入到飞行验证阶段的两型高速旋翼飞行器之一。虽然在此之前，西科斯基公司已有了 XH-59A 、 X-2 两型技术验证机的研制经验，但为进一步降低大重量的 SB>1 的技术风险，西科斯基在 SB>1 之前，还研制了一型 5t 级技术验证机 S-97“ 侵袭者 ” 。 S-97 配备了单台 YT706-GE-700R 涡轴发动机，于 2015 年首飞，并在 2018 年 10 月，逐步将飞行速度扩展到 370km/h ，最大飞行速度有望突破 463km/h ，但近期的试飞结果尚未公布。而 SB>1 也于 2019 年 3 月实现首飞，并在 6 月的拓展飞行试验中达到 380km/h ，下一步将继续拓展飞行包线，其设计巡航速度约为 425km/h ，最大飞行速度约为 460km/h 。

根据 S-97 、 SB>1 的试飞进展，共轴刚性旋翼构型高速直升机优异的近地面机动能力和高速飞行能力，高度契合 FVL 项目和美军的作战需求，在 FVL 项目的竞标中都展现出较为明显的优势，有望分别赢得 FVL 项目中轻型攻击侦察直升机（ FARA ）和中型远程攻击飞行器（ FLRAA ）研制合同，并于 2030 年前后装备部队， 2035 年形成作战能力。

图6 美国S-97技术验证机

图7 美国SB>1技术验证机

典型技术特征

在过去的 30 年中，各军事强国间的直升机装备性能逐渐趋于平衡，基于保持持续军事优势的需要，美国先后发布了 “ 未来攻击侦察飞行器 ” （ FARA ）与 “ 未来远程攻击直升机 ” （ FLRAA ）信息征询书 ，明确了高速直升机作为下一代直升机装备的主体地位，也为下一代直升机装备给出了基本的概念图像。

(1）机载平台高速化

最大飞行速度可达到 450 ～ 600km/h ，突破常规直升机速度限制。为实现高速化目标，高速直升机必须采用非常规构型，包括共轴、倾转等，以规避目前常规直升机存在的旋翼限制；采用具备变转速调节能力的先进涡轴发动机与传动系统，保证高速飞行所需的功率输出，以及持续飞行时的低油耗；采用高效旋翼系统及全复材机体结构，以保证高气动效率与重量效率。

(2）机载系统综合化

采用综合模块化系统开放式架构，通过高性能模块化的硬件、灵活可移植的应用软件和统一高速互联网络，实现机载系统软硬件基于任务能力的灵活扩展、处理资源的共享、系统功能的智能重构，解决在未来作战环境下，机载平台作为一个信息节点，获取、处理、传输大量的平台内外海量多源信息需求与平台可用空间等有限资源的矛盾，具有 “ 云航电 ” 特征，实现任务系统 “ 即插即用 ” 。

(3）飞行控制趋于自主化

基于高性能综合任务处理单元与高速互联网络，下一代直升机装备具备与无人机和无人蜂群协同控制与作战能力，实现战场数据共享，飞行控制、态势感知和智能决策相互协同。同时具备有人 / 无人双模式飞行能力，即有人驾驶与无人驾驶自主飞行双模式选择，可实现人与机共同配合完成飞行与作战任务，扩展的无人飞行管理系统提供辅助决策作用，提供飞行、任务引导等信息供飞行员完成任务，减轻飞行员操纵负荷的同时，可对直升机飞行状态、空域管理、外部信息等进行监控，提高直升机自主化能力。

(4）人机交互智能化

采用大屏多点触摸显示、三维音响告警、语音控制等先进的人机交互方式，通过大屏显示器、综合头盔显示器、综合控制手柄等构件、高效智能的人机界面接口，并通过多通道控制，实现飞行引导指示、武器攻击指示、战场态势显示、威胁与告警及对直升机系统的各类控制与交互，有效增强飞行员对态势的感知程度，并减轻操作负荷，满足贴地飞行、空地和空空作战、与无人机协同作战过程中，高负荷操作的任务需求。另外，电传操纵或光传操纵技术成为基本配置，全面提升直升机的飞行品质，保证驾驶员具有优良的操纵体验。

(5）武器系统模块化

采用模块化内埋武器和外挂武器互换设计技术，通过武器系统贯标实现对空空、空地武器的全面兼容，实现外挂物 “ 即插即用 ” 和武器装备快速装机，改变传统构型中由于接口规格多样需配备专用接口单元的缺陷，以更好地适应未来新型武器不同的需求。同时，可携带常规武器与新概念武器，支持系统的高性能、高生存性、可升级性和可负担性，实现作战能力的跨越式提升。

结论

通过研究，可以得到以下结论：

(1 ）以 FVL 项目为牵引，美国正在加速高速直升机研发的进程，通过能力集牵引装备，进而带动全产业链的快速发展。

(2 ）共轴刚性旋翼构型在实现高速的同时，低空超低空机动性能方面也有了优势，这种构型的高速直升机能更好地满足近地面机动能力要求。

(3 ）通过共轴刚性旋翼构型实现旋翼高速卸载是实现直升机高速飞行的难点，其中飞行控制和振动控制更是关键，需要设计、材料、制造等工业基础的系统推进。

(4 ）高速是下一代直升机的典型特征，而高速直升机的发展必然带来 “ 智能 ”“ 自主协同 ”“ 大数据 ”“ 蜂群 ”“ 云端 ” 等新兴特征，高速直升机装备的发展已成为航空强国的 “ 标配 ” 。

(5 ）国内需要加快推进高速直升机技术的发展，以此为基础实现直升机研发体系的整体跨越。

本文引用格式：李春华,樊枫,徐明.共轴刚性旋翼构型高速直升机发展研究[J].航空科学技术,2021,32(01):47-52.DOI:10.19452/j.issn1007-5453.2021.01.008.

文章来源：飞机设计视界