直20上高原!中國用20年攻克旋翼除冰技術,實現全天候全疆域作戰

2020-12-12 谷火平觀察

作為我國自主研發的第一款10噸級通用直升機,直-20可謂我國直升機發展史的一個裡程碑,在攻克了旋翼除冰技術這最後一個"攔路虎"之後,直-20已經完全具備了全疆域、全天候作戰能力,而攻克技術難題的鄧景輝團隊也榮獲2020年中國航天航空"月桂"獎中的"技術先鋒獎"。

(直-20雙機編隊)

在新中國成立後的很長一段時間內,我們雖然通過仿製、進口等手段擁有了一批直升機,但在全疆域、全天候適用的通用直升機方面依然還是0,而在高原地區整個中國只有80年代從美國進口的24架"黑鷹"直升機算得上性能過關,1989年中美交惡之後中國也再無繼續進口"黑鷹"的可能性,雖然90年代中國又從俄羅斯進口改進型米-17直升機以代替"黑鷹",但米-17的定位屬於排級運輸直升機,更大更重,靈活性及通用性不如黑鷹,也無法像"黑鷹"一樣裝進戰術運輸機內空運。因此研發一款介於直-9和米-17之間的高機動、高適航性通用直升機成為了當務之急。

(抗震救災中的"黑鷹")

我國地形西高東低,呈3級階梯狀,250萬平方千米的青藏高原和邊界線上蜿蜒的喜馬拉雅山脈構成了一道天然長城,是阻擋西側外敵的重要戰略屏障,也是中國西部的第一道大門,因此直-20在設計之初上高原成為了一項硬性技術指標。

但高原飛行可不止是飛行的相對海拔高度比平原高了那麼簡單,生活在低海拔平原的人進入高原地區往往會產生或大或小的高原反應,輕者頭痛、乏力、食欲不振,重者甚至會呼吸困難、血壓異常、手腳抽搐。這是高原地區的氧氣含量較平原地區稀薄很多,人體無法獲得足夠的氧氣所導致的,而工作在平原地區的直升機到了高原地區同樣會產生高原反應,且比起人類的高原反應要嚴重的多得多。

首先直升機的基本工作原理是通過旋翼旋轉將機身上方空氣壓縮到機身下方產生氣壓差從而形成升力,當上升力超過直升機自身重力時就能夠起飛了,在4000米以上的高原地區,大氣密度只有海平面的66%,這就代表著直升機在功率不變的情況下單位時間內所能壓縮的空氣總量變小,據統計此時的直升機旋翼效率將下降33%,而稀薄的大氣也代表著發動機在單位時間內吸入的氧氣含量變少,發動機的功率也會隨之下降,旋翼和發動機的功率雙重下降導致平原使用的直升機難以上高原。

(高原測試中的直-20)

因此為了解決高原地區的直升機升力不足,主要有以下幾個方案:提升發動機功率、使用增壓器提升進氣量、增加旋翼直徑或葉片數量,而出色的發動機是直升機上高原的必要基礎條件,當年"黑鷹"能在青藏高原暢行無阻就得益於其出色的1126千瓦T-700渦軸發動機和先進的多級增壓技術。

(央視軍事最近公布了一段直-20在高原上試飛的畫面,可見直-20在雪山之巔自由飛翔,身形十分矯健)

增壓器對直升機的作用類比到人身上就相當於增加肺活量,同等體重的兩個人肺活量大的到了空氣稀薄的高原能夠比肺活量小的人攝取更多的氧氣,而且運動能力也會更強,自然就更容易減輕空氣稀薄帶來的高原反應。只不過發動機因為燃燒不可控的原因無法跟人一樣直接吸氧氣,只能通過增大進氣量來獲得更多的氧氣。而我們的直-20則採用了比"黑鷹"更勝一籌的國產1600千瓦大功率渦軸發動機,徹底根治了"心臟病",同時直-20也採用了比"黑鷹"多一片的5槳葉旋翼,在旋翼直徑不變的前提下可以有效提升旋翼效率。

(展出的國產1600千瓦級渦軸發動機)

另外一個難點就是旋翼結冰的問題,在能夠結冰的氣象條件下大氣中含有的過冷水會在槳葉前端聚集並凝結成冰,從而導致直升機的重量分布不均影響氣動結構,當冰塊的重量達到一定程度時甚至可能破壞氣動穩定導致墜機。

應對旋翼結冰主要分兩個階段:第一是防冰,採取措施不讓過多的過冷水聚集在槳葉上;第二是除冰,在聚集了一定程度的冰時將冰除掉,除冰的手段主要有氣熱除冰、氣動除冰技術和液體除冰技術,旋翼不同於直升機其他機械結構,輸電和安裝除冰設備非常複雜,這項技術也一直被牢牢掌握在向我國出口直升機的美、法手中,但歷經20年我們中國終於靠自己的力量解決了直升機上高原的最後一個"攔路虎",就此直-20順利誕生,我們再也不用受制於人,同樣我們也有理由相信直-20隻是個開始,中國直升機蓬勃發展的時代即將到來。

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