美国新型旋翼机设计方案分析

张斌

直升机在战争中可以执行兵力机动、火力支援、反舰反潜、监视侦察、战斗搜救、后勤补给、特种渗透等任务，特别是当遇到崎岖地形、高海拔山区以及地面运输受阻时，直升机将发挥不可替代的作用。但目前美军装备的直升机大多是20世纪90年代前装备的，有些直升机服役时间甚至超过了50年，如CH-47“支奴干”运输直升机，而且传统直升机速度慢、航程短、效率低，无法满足现代战争的需求，所以，美国需要开始着手研制速度高、航程大、悬停效率高、使用成本低的下一代先进旋翼机。为此，美国国防部高级研究计划局（DARPA）和美国陆军分别提出了“垂直起降试验机（VTOL X-Plane）”项目和“联合多用途旋翼机”（Joint-Multi-Role，JMR）项目。

垂直起降试验机项目

长期以来，传统构型的直升机无法在保证航程、悬停效率的条件下提高飞行速度，因此，DARPA提出了“垂直起降试验机”项目。该项目将综合利用垂直起降飞机和固定翼飞机的技术优势，推动新型垂直起降技术和新概念构型的发展。

2013年3月8日，DARPA发布了研制垂直起降试验机的项目需求，要求研制一种在巡航速度、悬停效率、巡航升阻比，有效载荷以及平台综合功能等方面优于现有常规直升机的新机型，解决长期困扰常规直升机的问题，如后行桨叶失速、废阻力高等。

“垂直起降试验机”项目分3阶段进行，第1阶段分为2个子阶段—1A和1B，1A是为期6个月的概念设计阶段，1B是为期16个月的预先设计和技术成熟度发展阶段；第2阶段将进行为期18个月的细节设计、研发和集成；第3阶段是为期12个月的地面和飞行试验。

DARPA对试验机提出的具体性能参数包括：巡航速度556～740千米/小时；悬停效率从60%至少提高到75%；巡航升阻比从5～6提高到10；总重为4.5～5.5吨，载重不低于飞机总重的40%，有效载荷不低于总重的15.5%。

联合多用途旋翼机项目

联合多用途旋翼机（JMR）项目是未来垂直起降（Future Vertical Lift，FVL）计划的前期项目。2009年，美国防部长为了集中研发垂直起降技术提出了FVL计划。FVL的目的是采用新设计、新材料和新技术，研制出高速度、大航程、高可靠性、易维护性、低使用成本的先进旋翼机，拟2030年前后用来替代UH-60“黑鹰”、AH-64“阿帕奇”、CH-47“支奴干”和OH-58“基奥瓦”等型现役直升机。

FVL-M项目提出的性能指标包括：飞行速度426千米/小时，无空中加油航程比UH-60M高40%（超过800千米），35℃环境下悬停升限达到1829米。

JMR项目分2个阶段进行：第1阶段进行平台技术验证；第2阶段将进行任务系统验证。第1阶段主要对不同布局方案进行分析，明确JMR设计要求和性能参数指标，选出初步设计方案。第2阶段主要研究与任务系统有关的技术、概念、构架和程序的经济可承受性以及任务系统的性能参数指标，该阶段的研发和测试将在2015财年开始，任务系统的飞行试验定于2017～2019财年。

2013年10月，美国陆军向AVX飞机公司、凯瑞姆飞机公司、贝尔直升机公司和西科斯基飞机公司授予了技术投资协议（TIA），要求这4个公司9个月内完成先进旋翼机的初步设计，美国陆军将会对其设计进行评审，并且选出其中2个公司的设计于2017年进行演示飞行。

JMR有4种型号，分别为轻型、中型、重型和超重型。其中轻型用于侦察，计划2030年用来替代OH-58“基奥瓦”直升机；中型分为通用型和攻击型2种，计划2027～2028年分别用来替代UH-60“黑鹰”直升机和AH-64“阿帕奇”直升机；重型用于运输，计划2035年用来替代CH-47“支奴干”直升机；超重型计划2025年用于替代C-130J和A400M运输机。JMR的4种型号的性能参数如表1所示。

设计方案

在DARPA垂直起降试验机的竞选方案中，有极光飞行科学公司、波音公司、凯瑞姆飞机公司和西科斯基飞机公司参与竞标。这4个公司都提出了无人驾驶设计方案，其中只有极光飞行科学公司没有公布其具体设计方案，但极光飞行科学公司是涵道风扇和混合推进飞行器的先驱。波音公司的设计方案是在机身嵌入2个升力风扇，在机翼翼尖安装2个倾转涵道风扇提供升力和前进推力，2013年，波音制造并且试飞了该机的缩比模型。凯瑞姆飞机公司推出了一种具有最佳转速的倾转旋翼飞行器。西科斯基飞机公司采用共轴对转双旋翼加后置推进螺旋桨布局。DARPA计划从这4个公司中选出1家在2015年末进入第2阶段的研制工作，并且在2017～2018年参加飞行试验。

在JMR技术演示（JMR-TD）的第一阶段，有6个团队提出了旋翼机设计竞选方案，分别为AVX飞机公司、贝尔直升机公司、西科斯基飞机公司、凯瑞姆飞机公司、EADS北美公司、皮亚斯基飞机（Piasecki Aircraft）公司，其中EADS北美公司由于财经压力中途放弃了JMD-TD的竞选。最后，美国陆军向AVX飞机公司、贝尔直升机公司、西科斯基飞机公司和凯瑞姆飞机公司授予了技术投资协议（TIA）。这4个公司提出的设计方案可分为2类，一类为是倾转旋翼机式布局；另一类是旋翼加螺旋桨式布局方案，即复合式直升机。其中贝尔直升机公司和凯瑞姆飞机公司采用第1类方案，AVX飞机公司和西科斯基飞机公司采用的是第2类方案。美陆军计划从这4个公司中选出2家公司在2017年进行演示飞行。

这4家公司的具体设计方案如下：

AVX飞机公司方案

AVX计划为美陆军设计通用型和武装型2种型号的旋翼机，AVX飞机公司的竞标方案采用共轴双旋翼两侧涵道风扇布局。

其机身两侧各有一个大舱门，尾部有一个很大的货舱门，方便人员快速进出和货物的快速卸载。为了提高气动效率，2种型号的起落架均采用伸缩起落架。共轴双旋翼可以相互平衡反扭矩，从而可避免尾桨带来的能源消耗，还可以提供较高的悬停效率。前飞时涵道风扇提供所有水平拉力，旋翼只需提供升力，在最大速度（430千米/小时）情况下，旋翼只需提供60%的升力，机身前部短翼和涵道风扇可以提供40%的升力，这样可以减小桨叶载荷并且降低振动。该方案的试验机将装备GE T706发动机，但AVX公司希望未来能够装备输出功率达3600千瓦且经济性好的先进涡轮轴发动机。该机在最大速度、巡航速度、载荷等方面都优于常规直升机，具体性能参数如表2所示。endprint

贝尔直升机公司方案

贝尔直升机公司的竞标方案是第3代倾转旋翼机V-280。V-280采用V型尾翼，机身采用复合材料，与V-22不同，V-280在进行直升机与飞机模式转换时，仅旋翼转动而发动机并不转动。虽然V-280上的许多技术都是基于贝尔/波音联合研制的V-22倾转旋翼机，但大多数技术都进行了升级和改进。V-280在低速灵活性、高速大过载机动性、燃油效率等方面都大大优于V-22。V-280将装备通用动力（GE）公司的GE38发动机，其功率为5520千瓦，与V-22的AE1107C发动机功率等级相当。GE38发动机将会运用许多未来可承受涡轮发动机（FATE）项目开发的新技术，例如先进冷却技术。GE38发动机已经完成了3100小时的试验，该发动机还将装备在西科斯基公司制造的CH-53K重型直升机上，该机将在2014年底进行首飞。为保证V-280拥有出色的操纵性能，贝尔直升机公司希望为V-280研制一套全新的3余度电传飞控系统。穆格公司将承担其综合飞行控制系统（飞控计算机、支持软件和飞控作动器）的设计、制造和取证工作。

西科斯基飞机公司方案

西科斯基飞机公司的竞标方案是在X2的技术基础上研发的S-97“侵袭者”，该机采用共轴对转双旋翼加后置推进螺旋桨布局。其尾部螺旋桨可以对直升机进行加速和减速，前飞时，后置螺旋桨可以提供前进推力，增加飞机的飞行速度；悬停时，可以将后置螺旋桨关闭；减速时，后置螺旋桨反转可以使直升机在短距离内降低飞机前飞速度。主旋翼叶片采用电传控制系统。多任务驾驶舱可以提高作战灵活性，其里面的辅助燃油箱可以增加航程、续航时间以及提高作战能力。S-97有可能装备GE公司的YT706-GE-700R发动机。YT706发动机是GE公司享誉盛名的T700/CT7系列发动机之一，其功率范围1837～2205千瓦，现主要用于美国陆军的MH-60M直升机。

与常规直升机相比，S-97悬停高度可增加150%、速度和续航时间增加一倍、载荷增加40%、作战半径增加60%；与机械结构和气动特性更加复杂的V-22相比，悬停效率更高。

凯瑞姆飞机公司方案

凯瑞姆飞机公司的竞选方案是TR36TD，该机采用了最佳转速倾转旋翼设计概念。最佳转速倾转旋翼设计概念是指飞机在垂直飞行和前飞时，倾转旋翼的转速可以改变，使桨叶载荷最优，从而使旋翼推进效率最高，发动机可以根据旋翼的速度通过多速变速箱调整发动机的转速，使发动机以最优转速工作，从而提高发动机效率。在悬停与前飞时，旋翼转速最小可以降低25%，最多可以降低40%。

TR36TD机翼采用翼展和展弦比比V-22更大的薄翼机翼。V-22的倾转旋翼固定在翼尖，为了避免旋转颤振造成气动弹性失稳，必须限制机翼的翼展，而TR36TD的轻质刚性旋翼可以延迟旋转颤振的发生，因而，TR36TD可以采用大翼展薄翼机翼，这可以降低飞机在以飞机模式飞行时的阻力。机翼左右两侧各装有一个可倾转的旋翼，外部机翼固定在倾转发动机吊舱上，可与发动机吊舱一起旋转，这样可以减少机翼在悬停时的下洗流。轻质刚性桨叶固定在轮毂上，轮毂固定在桅杆上，各桨叶与轮毂并不采用铰链联接，而是通过电能进行独立控制，这种设计可以简化机械结构、减轻重量以及提高控制能力，进而可以减小尾翼面积。TR36TD将采用现有的涡桨发动机。该机的最大飞行速度可达670千米/小时。

设计方案分析

传统直升机的最大飞行速度主要受前行桨叶局部激波、后行桨叶气流分离及桨盘前倾的限制。目前，传统直升机的最大飞行速度难以超过370千米/小时。AVX飞机公司和西科斯基飞机公司提出的旋翼加螺旋桨布局方案，即复合式直升机，可以大大提高飞行速度。当飞行速度较大时，直升机所需的水平拉力全部由螺旋桨提供，旋翼桨盘不需要前倾，所以就不存在桨盘前倾对最大飞行速度的限制。但由于旋翼的存在，复合式直升机的速度仍然受到限制。为了避免前行桨叶出现局部激波，前行桨叶速度不能太大，因此，最大旋翼前进比（μmax）就会很大，旋翼反流区随μmax增大而增大，当μmax>1时，后行桨叶几乎全部处于反流区中。所以，目前复合式直升机的最大速度难以超过500～550千米/小时。

复合式直升机可以提高悬停效率。通常复合式直升机的旋翼都采用共轴双旋翼，因为共轴双旋翼可以平衡反扭矩，如果采用单旋翼，那么就需要尾桨或其他装置来平衡反扭矩，这会增加结构重量和复杂性，所以AVX和西科斯基公司都采用了共轴双旋翼。具有共轴双旋翼的直升机在悬停时两旋翼之间会产生有利干扰，从而提高直升机悬停效率。

复合式直升机更适合航程要求大的直升机。因为复合式直升机往往要损失重量效率，但当飞行速度大时，复合式直升机的气动效率高，因而相对燃油重量就会降低，有效载荷占总重的比例就会增大。此外，只有在航程较大的情况下，提高直升机飞行速度才能显著提高运输效率，所以，航程越大，复合式直升机在有效载荷和运输效率方面就越有优势。

贝尔直升机公司和凯瑞姆飞机公司提出的倾转旋翼机可以大大提高飞行速度。在前飞时，倾转旋翼机变成了螺旋桨飞机，倾转旋翼机的最大飞行速度理论上可以达到800千米/小时以上。但倾转旋翼机的悬停效率会稍差，因为倾转旋翼机在垂直飞行时，旋翼和机翼会产生不利干扰，影响悬停效率。

倾转旋翼机方案适合速度高、航程大的重型直升机。首先倾转旋翼机飞行速度大时的气动效率高，因此，速度越高、航程越大，其优势越明显，原理与前面提到的相同。此外，倾转旋翼机有2个旋翼和主减速器，从结构重量看，如果直升机总重较小，那么旋翼和主减速器重量所占总重的比例就很大，其运输效率就会降低。所以，倾转旋翼机更适合速度高、航程大的重型直升机。

综上可知，这4家公司提出的2种方案，在飞行速度、航程以及载荷方面都优于传统直升机；AVX和西科斯基公司提出的复合式直升机方案比贝尔直升机公司和凯瑞姆飞机公司提出的倾转旋翼机方案在悬停效率方面可能更优，但在最大飞行速度和载荷方面可能要稍差。endprint