新型航空技術，為下一代直升機帶來了什麼？

文啟 / 文

近年隨著客戶需求的不斷轉變，世界直升機市場逐漸趨向低迷。尤其是軍用市場，各國裁減軍費的大背景下，由於採購和使用成本得到大幅度攤銷，以H-60「黑鷹」系列和米-8/17「河馬」系列為代表的上一代軍用直升機仍然是各國軍用直升機的主力。

直升機

1907年11月13日，保羅·科爾尼在法國卡爾瓦多斯省利雪進行了首次直升機飛行。科爾尼乘坐直升機在離地30釐米

米-8 直升機

米-17 直升機

雖然進入了市場低谷期，各大直升機製造商卻並沒有放鬆對新一代直升機技術的研發，隨著新世紀航空科技的不斷發展和進步，一些並非專為直升機而研製的新型航空技術也有可能應用於下一代直升機。

壹 大功重比發動機

新一代發動機設計與製造技術的進步，推動渦輪軸發動機的功重比不斷提升，特別是功率的極大提高，對於直升機性能的提升是非常顯著的。

1 提升使用性能

美國海軍陸戰隊原有的CH-53E重型直升機，裝備了3臺3270千瓦的通用電氣T64發動機，最大起飛重量約33噸。而在CH-53K重型直升機上，發動機升級為3臺5600千瓦的通用電氣T408發動機。

GE T64發動機

GE T408發動機

與T64相比，T408通過採用全新的三維氣動設計、新一代冷、熱端材料，功率比T64增大了約57%，耗油率降低了約18%，零件數目減少了驚人的約60%，直升機最大起飛重量達到了約40噸。此外，CH-53K預留了第4臺發動機的安裝位置，以備在需要時可以通過較為簡單的方式，再次增大發動機總功率，進一步提升使用性能。

正在進行發動機地面測試的CH-53K直升機

在H-60「黑鷹」直升機的發動機升級計劃中，參與競爭的ATEC公司T900發動機和通用電氣T901發動機的功率均達到2240千瓦，比原裝備的T700發動機功率提高了約50%，耗油率卻降低了約25%。這使得在伊拉克和阿富汗這樣的高溫和高原環境下，原先必須使用兩架「黑鷹」直升機輸送一個步兵班的狀況，換發後可以由一架來完成，極大提高了作戰效率。

ATEC T900發動機

GE T901發動機

2 改善飛行性能

更強大的新發動機為直升機帶來了更多的功率儲備，使得可以考慮採用更多的方式輸出功率流，從而改善直升機的飛行性能。例如，以空客歐洲直升機公司RACER、西科斯基S-97、AVX公司JMR-TD方案為代表的幾種複合推進高速直升機設計中，均採用了推進式螺旋槳，其驅動功率即由傳動齒輪箱分出的驅動軸來提供，可以獲得比普通直升機旋翼前飛矢量更大的推力，巡航速度可以提高1.5~2倍。

複合推進高速直升機

空客 RACER設計方案

西科斯基 S-97設計方案

AVX JMR-TD設計方案

在航空器向多電、全電化發展的趨勢下，新發動機可以驅動更大功率的發電機，為日益增加的用電負荷提供充沛的電力供應。目前飛機上實裝使用的最大軸帶發電機是F-35戰鬥機使用的400千瓦發電機，通用電氣公司已經試驗了1000千瓦的軸帶發電機。雖然直升機的渦軸發動機日常負荷較大，能分給發電機的功率不如普通飛機多，但較大的直升機可以選擇增加一個適當功率的APU來供電，這在需要較大的電功率時是可以接受的。

F-35戰鬥機結構示意圖 [來源：Pinterest]

貳 電推進直升機

電推進的引入，使直升機傳動系統大幅度簡化，反應速度和可靠性顯著提高，操作能力得到革命性的提升。目前除了電動起落架等使用電動作動器的應用之外，最值得期待的改變，就是將尾槳、推進式螺旋槳乃至旋翼改為電推進方式。

1 尾槳改為電動方式

目前的常規設計中，為了降低尾槳的功率消耗，增大扭矩，必須布置於遠離機身的尾部，從傳動齒輪箱引出一根長細軸進行傳動。由於細軸的剛性差，直升機的旋翼、發動機、尾槳等激振源的工作狀態複雜，很容易導致異常振動，輕者降低乘員舒適感，重者有可能導致疲勞損壞。

直升機傳動系統 [來源：中國航空新聞網]

如果將尾槳改為電動方式，只需要用電纜傳遞動力，柔性細軸帶來的弊端自然迎刃而解。當直升機在地面待機、準備起飛時，尾槳可以暫時停轉，以防對地面人員造成威脅；當直升機進入前飛狀態、尾翼上的作用力足以平衡旋翼扭矩時，又可以關停尾槳，從而提高巡航經濟性。

貝爾公司帶有電動尾旋翼的改裝試驗版429直升機 [來源：Bell Helicopter]

2016年12月，萊昂納多直升機公司已經開始了電動尾槳的地面臺架試驗。對於空客歐直RACER直升機這種採用兩個間距較大的推進螺旋槳的設計來講，如果水平推進器改為電動，還可以通過兩個推進器之間的推力差來對直升機進行控制，進一步提高其機動能力。

萊昂納多直升機公司正在進行電動尾槳試驗[來源：Clean Sky]

2 旋翼改為電動方式

目前，實現難度最大的是將旋翼改為電動方式。這是因為以目前的技術水平而言，即使是研製中最好的航空用發電機——電動機傳動系統，重量仍然比傳統的齒輪箱傳動要重10%左右，這對於需要一直用旋翼將自身拉離地面的直升機是極為不利的。據估計，混合動力電推進可比傳統推進方式提高3%~12%的經濟性，但在目前環保法規的引導下，如果在機身材料減重方面可以彌補傳動系統的增重，電動主旋翼不失為一個現實選擇。

直升機的混合動力電力推進系統解決方案[來源：Airbus]

最近，俄亥俄州立大學正在開發一種2700千瓦的環形感應電機，直徑1米，轉速2700轉/分，從參數上看已經具備了作為主旋翼驅動電動機的能力。

叄 先進旋翼系統

通過採用寬弦複合材料、槳尖大後掠設計，新一代直升機旋翼系統在重量降低、壽命大幅度延長的同時，實現了升力增加和噪音降低，允許直升機達到更高的飛行速度，經濟性也得到改善。例如，波音公司聲稱在CH-47F直升機上，僅通過採用新的旋翼系統，就能夠新增680千克載重能力。

波音CH-47F直升機

在高速直升機設計中，採用前行槳葉概念設計的旋翼，可以允許遠遠超過普通直升機的飛行速度，其中西科斯基S-97和AVX公司JMR-TD方案不約而同的選擇了前行槳葉和共軸對轉的複合設計，利用共軸對轉旋翼較小的直徑，進一步降低旋翼負荷，從而滿足美國陸軍對其最大航速達到400千米/小時以上的苛刻要求。

共軸反槳

採用共軸對轉+推進螺旋槳的西科斯基S-97高速直升機 [圖源：Lockheed Martin]

共軸式直升機的轉動慣量小於單旋翼直升機，具有較高的加速特性 [圖源：陳銘]

除此之外，可高頻率動作的小型電作動器的發展成熟，使直升機旋翼也一改翼型完全固定的傳統弊端，開始沿著機翼發展的道路前進，通過設置旋翼後緣的襟翼，改善旋翼的氣動特性，對旋翼性能進行主動控制。

萊昂納多直升機在英國政府旋翼技術驗證計劃下開發的主動後緣襟翼 [圖源：英國航宇技術研究所（ATI）]

萊昂納多直升機公司就開展了兩種帶主動襟翼的旋翼測試，其中一種是主動後緣格尼襟翼，是位於槳葉後緣的一小段垂直於槳葉表面的舵面，其長度為旋翼弦長的2%~3%，當旋翼進入後行半周時啟動，可以提高旋翼升力；另一種是主動後緣襟翼系統，通過使用旋翼後緣的主動控制襟翼和安裝於槳轂的阻尼減擺器，預計可將旋翼系統的振動水平降低90%，顯著提高乘坐的舒適性。

肆 升力小翼的使用

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新一代的直升機，更注重從正常飛行狀態中尋找節能途徑。為此，具有適當卸載作用的升力小翼設計由此興起，其尺寸允許在前飛時產生部分升力，從而降低主旋翼負載，提高經濟性，而增加的重量又不至於過大。

空客H160直升機採用雙層平尾設計

空客歐直的新直升機設計中，雙層小翼是一個明顯特徵。例如6噸級的H160直升機，就採用了雙層平尾，實際上有增加巡航升力的作用。在複合推進的RACER高速直升機上，兩側的雙層小翼更大，採用了連翼式結構，翼尖頂點為推進螺旋槳吊艙，雙層小翼安裝位置在機體後部，以降低懸停狀態時對主旋翼下洗氣流的阻擋，並可以改善人員進出機艙的便捷性。空客歐直通過計算得出，雙層小翼可以在RACER高速直升機前飛時減小約10%的功率消耗，經濟性得到明顯改善。

複合推進高速直升機

RACER高速直升機

RACER高速直升機 [圖源：Airbus]

RACER高速直升機 [圖源：Airbus]

更激進的設計是AVX公司JMR-TD方案，該機不但在機頭兩側有增升和俯仰控制作用的小翼，由於是共軸對轉雙旋翼的無尾槳布局，短粗的機身設計成了類似翼型剖面的流線型，在平飛時機身也能產生一定升力，從而進一步改善高速前飛時的燃油效率。

伍 多旋翼直升機

電動多旋翼直升機和全自動飛行系統的整合，在民用高密度短途交通市場將大有可為。代表是德國e-volo公司研製的Volocopter VC200多旋翼直升機，就採用了多個垂直小旋翼產生升力。

德國e-volo公司研製的Volocopter VC200多旋翼直升機，該直升機裝有18個旋翼，能在20～25米的高空持續飛行20

傳統直升機只要某些關鍵部件發生故障，就容易發生事故。而在電動多旋翼直升機上，分布式電推進帶來的高冗餘度設計，使無論在能源供給還是動力傳動方面，都具有極高的可靠性，即使少數旋翼發生故障，也能保障乘客安全降落。專家認為，通過電動多旋翼直升機與全自動飛行系統的整合，未來乘坐電動直升機出行的乘客安全性，將達到傳統直升機的4倍。

空客的自動駕駛電動垂直起降飛行器CityAirbus [圖源：Airbus]

另外，由於電動多旋翼直升機具有低噪音、低使用成本、高可靠性的特徵，未來發展成熟後，在軍用市場上也有可能獲得一席之地，特別在執行少量人員物資短距離快速輸送等任務方面前景廣闊。

陸 市場競爭者

自直升機發明以來，長期存在著與傾轉旋翼機的競爭。雖然在規模和種類上，直升機一直穩居上風，但傾轉旋翼機由於巡航速度高、有效載重大的優點，仍然在頑強發展。目前，僅有V-22「魚鷹」傾轉旋翼機正式批量交付客戶使用，而貝爾公司仍在繼續研製V-280傾轉旋翼機，以參與美軍下一代直升機的競爭。此外，萊昂納多直升機公司在研製民用的AW609傾轉旋翼機。

傾轉旋翼機

V-22「魚鷹」傾轉旋翼機

V-280傾轉旋翼機

但是，從V-22的使用經驗來看，傾轉旋翼機在垂直—平飛轉換過程中的風險偏大。對於軍事用戶，其風險尚在可接受的範圍；對於民用用戶，就需要打上一個大大的問號了。AW609傾轉旋翼機的第二架原型機就在2015年因事故機毀人亡，進一步增加了未來意向用戶的擔憂。

萊昂納多直升機公司的AW609傾轉旋翼機

總體而言，新一代直升機安全性更好，因使用維護、飛行員培訓等設施完善而帶來的用戶粘性更強，將會牢牢守住市場，傾轉旋翼機只能在有限的市場中分一杯羹，無法動搖直升機的統治地位。

本文改編自《航空知識》雜誌文章：

《直升機：新世紀，新曙光》

原文作者：文啟

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