未來旋翼飛行器及其技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

彭菊平，蘇兵兵

(中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西景德鎮(zhèn)333000)

摘要：旋翼飛行器是以直升機(jī)為代表的利用旋轉(zhuǎn)機(jī)翼提供主要升力的能垂直起降的飛行器，以其獨(dú)特的垂直起降、空中懸停、向任意方向飛行、近地機(jī)動(dòng)能力，在現(xiàn)代軍民用領(lǐng)域發(fā)揮著其他運(yùn)輸工具和飛行器不可替代的作用。隨著人工智能、新能源、新材料等領(lǐng)域技術(shù)的快速發(fā)展，直升機(jī)的功能和屬性也將被重新定義，向高速化、智能無人化以及多元化方向發(fā)展。

關(guān)鍵詞：旋翼飛行器;發(fā)展方向

一、高速化——新構(gòu)型突破傳統(tǒng)直升機(jī)速度限制

由于傳統(tǒng)直升機(jī)受自身構(gòu)型的影響，在人速度時(shí)會(huì)出現(xiàn)前行槳葉激波和后行槳葉氣流分離，使其飛行速度、航程等受到較大限制，最大飛行速度一般在350km/h以內(nèi)。在軍用領(lǐng)域，研制大速度、高機(jī)動(dòng)性以及大航程的新構(gòu)型旋翼機(jī)是世界直升機(jī)界的共識(shí)。在民用領(lǐng)域，運(yùn)輸效率、運(yùn)營(yíng)成本等對(duì)高速也提出了迫切需求。

新構(gòu)型高速旋翼飛行器總體上可分為傾轉(zhuǎn)類、復(fù)合類和停轉(zhuǎn)類三大類。

第一類是傾轉(zhuǎn)類，即利用旋翼/螺旋槳，通過該系統(tǒng)在垂直與水平位置之間的傾轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)直升機(jī)與飛機(jī)飛行模式之間的轉(zhuǎn)換，從而達(dá)到高速飛行的目的。當(dāng)旋翼/螺旋槳槳盤平面位于水乎面內(nèi)時(shí)，成為常規(guī)直升機(jī)構(gòu)型，可實(shí)現(xiàn)垂直起降和懸停;當(dāng)旋翼/螺旋槳槳盤平面位于垂直面內(nèi)時(shí)，成為螺旋槳飛機(jī)構(gòu)型，可實(shí)現(xiàn)高速飛行。該類構(gòu)型以美國(guó)V-22“魚鷹”傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)和V280“勇士”新型傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)為代表，其中V-22已投入了實(shí)際應(yīng)用，最大平飛速度達(dá)到565km/h，V280發(fā)動(dòng)機(jī)短艙由傾轉(zhuǎn)變?yōu)楣潭ǎO(shè)計(jì)速度520km/h，作戰(zhàn)半徑463km，預(yù)計(jì)于2018年首飛。

第二類是復(fù)一臺(tái)類，即分別通過旋翼、機(jī)翼、輔助推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)或螺旋槳等不同系統(tǒng)提供升力和推力或拉力，機(jī)翼用于提供升力，旋翼用于實(shí)現(xiàn)懸停與垂直起降，輔助推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)或螺旋槳用于高速前飛。這類旋翼機(jī)的最大特點(diǎn)是旋翼始終發(fā)揮其自身的功能，且構(gòu)型和相對(duì)位置不會(huì)發(fā)生變化。該類以S-97“劫掠者”和新構(gòu)型復(fù)合高速直升機(jī)X3為代表。S-97采用共軸剛性旋翼復(fù)合推力槳構(gòu)型，利用“前行槳葉”概念提高前飛速度，設(shè)計(jì)巡航速度407km/h。

第三類是停轉(zhuǎn)類，即在飛行過程中，旋翼槳葉停止轉(zhuǎn)動(dòng)并轉(zhuǎn)變?yōu)楣潭C(jī)翼，如S-72X翼、X-50A等，或者是旋翼槳葉可以伸縮，并轉(zhuǎn)變成盤翼，如盤翼旋翼機(jī)。該類構(gòu)型由于技術(shù)難度較大，目前多停留在實(shí)驗(yàn)室階段。

二、智能無人化——會(huì)飛行的機(jī)器人

人工智能的發(fā)展，是會(huì)給社會(huì)帶來根本性變革的技術(shù)趨勢(shì)，而直升機(jī)平臺(tái)與人工智能的融合，將顛覆傳統(tǒng)直升機(jī)使用模式。無人化裝備具備零傷亡、無生理限制、耐惡劣環(huán)境使用等特點(diǎn)，是未來發(fā)展的必然趨勢(shì)。當(dāng)前，智能無人飛行器目前正加速向軍民多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域拓展，同時(shí)其技術(shù)的發(fā)展也在不斷開辟智能無人機(jī)應(yīng)用新領(lǐng)域。

智能化。從人工智能的角度看，直升機(jī)智能化分為三個(gè)發(fā)展階段，即單機(jī)智能飛行、多機(jī)智能協(xié)同、任務(wù)自主智能。單機(jī)智能飛行涉及環(huán)境自主感知與規(guī)避，開放性、自主性和自學(xué)習(xí)的智能飛控，智能空域整合等技術(shù);多機(jī)智能協(xié)同的關(guān)鍵技術(shù)是協(xié)同指揮控制以及協(xié)同態(tài)勢(shì)生成與評(píng)估;任務(wù)自助智能即是在動(dòng)態(tài)變化的外界環(huán)境中自主規(guī)劃、管理、評(píng)估與執(zhí)行任務(wù)。目前由DARPA(美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局)重點(diǎn)推進(jìn)的“蜂群式無人機(jī)”項(xiàng)目即是該發(fā)展趨勢(shì)的集中體現(xiàn)。

模塊化。由于旋翼飛行器的旋翼升力系統(tǒng)較為獨(dú)立，便于集成，具有模塊化發(fā)展的天然優(yōu)勢(shì)。DARPA的“可重構(gòu)嵌入式航空系統(tǒng)”( ARES)即是一種垂直起降飛行模塊，裝備雙傾轉(zhuǎn)涵道風(fēng)扇，可攜帶1360kg可更換的有效載荷模塊;目前大多數(shù)民用無人多旋翼飛行平臺(tái)本質(zhì)上也是一種可以配掛鄉(xiāng)種任務(wù)載荷的飛行模塊;多飛行器的模塊化組合也是近年來出現(xiàn)的一種無人旋翼飛行器的新應(yīng)用形式。

微小型化。微小型無人機(jī)指的是重量在數(shù)克至數(shù)千克范圍內(nèi)的無人機(jī)。近年來低雷諾數(shù)空氣動(dòng)力學(xué)、微機(jī)電、新材料等新技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展使微小型無人機(jī)“異軍突起”，成為無人機(jī)發(fā)展的重要方向，而其中以便于攜帶、機(jī)動(dòng)靈活與無孔不入為特點(diǎn)的微型無人旋翼飛行器發(fā)展較快，如從2013年就已裝備英軍的微型無人直升機(jī)“黑黃蜂”，主要用以完成偵察、狙擊于定位、對(duì)建筑物和洞穴入口進(jìn)行搜索等特戰(zhàn)任務(wù)，全機(jī)僅重18g，有效控制距離1.6公里。此外，微小型無人旋翼飛行器亦是“蜂群”戰(zhàn)術(shù)的重要使能平臺(tái)。

三、多元化——新概念推動(dòng)旋翼飛行器創(chuàng)新發(fā)展

近年來，共享飛車、“飛行的士”、單人飛行包、車載無人機(jī)、新型交通等新概念不斷涌現(xiàn)，推動(dòng)著旋冀飛行器多元化發(fā)展，很多創(chuàng)新構(gòu)型將不斷刷新我們的認(rèn)知。

早在2009年，DARPA為提升陸軍小型作戰(zhàn)單元在不同地形下遂行戰(zhàn)術(shù)運(yùn)輸任務(wù)能力而啟動(dòng)了“變形金剛項(xiàng)目”( TX)，目的在于尋求一種長(zhǎng)時(shí)間在地面行走，復(fù)雜地形垂直起降的新型運(yùn)輸解決方案，即“飛行悍馬”。洛克希德·馬丁與格萊恩兄弟F屬的AAI公司以“低速旋翼，復(fù)合式(SR/C)”直升機(jī)技術(shù)方案竟標(biāo)成功。該飛行汽車實(shí)質(zhì)是一種旋翼/機(jī)翼復(fù)合的旋翼機(jī)與汽車的復(fù)合體，地面行走時(shí)旋翼與機(jī)翼折疊固定，與常規(guī)汽車無異，遇到復(fù)雜地形時(shí)釋放出旋翼短距起飛，低速飛行時(shí)無動(dòng)力的旋翼以較大槳距迎風(fēng)自轉(zhuǎn)，承擔(dān)大部分升力，高速飛行時(shí)依靠機(jī)翼提供升力飛行。除此之外，采用八旋翼的“黑騎士”陸空兩用飛行卡車、封閉式風(fēng)扇布局的“城市之鷹( X-Hawk)”等均是旋翼式飛行汽車的代表。旋翼飛行器多元化發(fā)展也不斷推動(dòng)著新型動(dòng)力形式、新型結(jié)構(gòu)材料、新型操控方式等技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展。

四、小結(jié)

縱觀旋翼飛行器的發(fā)展，每一次新技術(shù)的發(fā)展與突破都伴隨著旋翼飛行器性能的提高，更促進(jìn)了-些新構(gòu)型、新概念旋翼飛行器的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用。未來的發(fā)展中，高速新構(gòu)型旋翼飛行器將取得更大突破并逐漸普及，智能無人旋翼飛行器的應(yīng)用領(lǐng)域更加廣闊，新概念旋翼飛行器不斷涌現(xiàn)并持續(xù)推動(dòng)多元化技術(shù)創(chuàng)新。

作者簡(jiǎn)介：

彭菊平 蘇兵兵，中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所。