直升机技术发展与展望

摘要：本文从当前直升机技术发展面临的军民需求牵引以及新技术推动出发，重点针对直升机绿色、隐身、高速设计技术，以及直升机的智能化、电气化变革等几个方面对直升机技术现状进行分析，并对未来直升机技术发展进行展望。

关键词：直升机；绿色；隐身；高速；智能化；电气化

中图分类号：V211.52文献标识码：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.01.002

直升机具有垂直起降、空中悬停、前后左右飞行、近地机动能力强的典型特征，在军用和民用领域发挥着重要作用。军用直升机可执行兵力机动、后勤保障、低空突防、侦察巡逻等多种军事任务，是现代化战争不可或缺的空中环节。在民用方面，直升机是城市低空通航的重要交通工具，并涉及医疗救护、紧急救援、公安执法、农林作业、旅游观光等多个领域。直升机已经成为我国军民领域的重要飞行器装备，对我国国防现代化建设和社会经济建设具有重要作用。针对直升机技术现状以及未来发展进行研判，对我国直升机技术和行业发展具有一定的参考意义。

从20世纪30年代世界上第一架直升机试飞成功以来，直升机技术大体经历了四代的发展阶段，每一代技术发展均实现了直升机飞行速度大幅度提升以及振动和噪声水平的显著下降[1]，速度提升、减振、降噪一直是直升机技术发展的主旋律。同时，当前军民需求以及新技术应用对直升机技术发展起着重要的牵引和推动作用。现代战争的时效性和突袭性要求军用直升机在持续提升速度、机动能力的同时，还需具备良好的隐身特性[2]，先进军用直升机的典型代表美国的RAH-66在设计时便采用了大量隐身设计技术。舒适、安全、环保、经济的设计理念要求民用直升机具有绿色（低噪声、低振动、低排放）的典型特征，空直公司的H160民用直升机综合考虑性能、噪声、振动等多个设计目标，成为现代民用直升机设计的成功典范（见图1）。近些年，随着人工智能、电驱动技术的发展和应用，智能化直升机、电驱动直升机等逐渐成为热门研究领域。因此，可以看出，高速、绿色、隐身设计是当前军、民用直升机技术的迫切需求，同时智能、电驱动正成为直升机技术重要研究方向。本文重点针对直升机绿色、隐身、高速设计等技术现状，直升机面临的智能化、电气化变革，以及未来直升机技术发展展望等方面进行解读和阐述。

1直升机绿色、隐身、高速设计技术发展现状

围绕绿色直升机发展需要，直升机设计走向气动、噪声、结构等多学科优化，同时多种主/被动控制技术的应用进一步降低了直升机振动噪声水平。通过雷达、红外、声等综合隐身设计提升直升机生存力和作战效能是军用直升机适应未来复杂战场环境的必然选择。针对飞行速度进一步提升的迫切需求，新构型高速直升机成为研究热点。

1.1直升机设计朝气动/噪声/结构等多学科综合方向发展

旋翼是直升机的关键和特色部件，旋翼气动设计水平直接决定了直升机的性能及噪声特性。目前，旋翼设计向气动、噪声与结构动力学多学科融合的方向发展，在提升直升机气动效率的同时实现噪声、振动水平的降低[3]。

以空客H160直升机为例，该直升机的标志性革新为应用了新型Blue EdgeTM旋翼（见图2）的研究成果。Blue EdgeTM采用大前突后掠气动设计方案，旋翼气动设计综合考虑了降低桨-涡干扰（BVI）噪声、提升高速前飞升阻比、维持悬停性能等多个设计目标，实现前飞升阻比提升10%以上，噪声降低6EPNdB[4-5]。在H160旋翼气动设计时充分考虑结构耦合特性，通过桨叶动力学优化实现了结构载荷和振动载荷的大幅下降[6]。

1.2主/被动控制技术逐渐发展为直升机减振降噪的重要手段

围绕噪声、振动的产生和传播采用主动或被动控制技术，是实现降低直升机减振降噪的重要手段。

旋翼系统是直升机振动和噪声的主要来源，通过在旋翼上施加被动或主动控制手段，改变旋翼气动和载荷特性，可以从源头上降低直升机噪声及振动。旋翼上采取的被动式减振及降噪措施包括桨毂动力吸振、桨尖降噪优化设计等。旋翼采取的主动控制技术包括高阶谐波控制（HHC）、单片桨叶控制（IBC）（见图3）和后缘襟翼控制（ACF）（见图4）等多种方式，通过合理的主动控制参数输入（幅值、频率、相位等），可以实现直升机噪声降低6～8dB，振动载荷降低75%以上[7-8]。

在旋翼主减速器与机体隔振方面，相关控制技术已经应用到多个直升机设计之中，如液弹隔振、反共振隔振（ARIS）、结构响应主动控制（ACSR）等均实现了有效的振动控制。ACSR系统由机身上安装的传感器、安装于机身与主减速器连接处的液压式作动器和控制器组成。欧美等国先后在EH101、CH-47、UH-60、S-92等多个直升机型号上成功进行了ACSR飞行试验。试验结果表明控制点处的振动水平降低了80%，而整个机舱的平均振动水平也有 60%的降低，并且对不同飞行状态具有较好的适应能力。美国西科斯基公司在其研发的高速直升机技术验证机X2上，为抑制高速飞行时严重的机体振动，将ACSR系统设置为该机必需装备（见图5）。

1.3综合隐身能力成为决定现代军用直升机生存力的关键因素

優良的隐身特性可以大幅度提升直升机突击作战能力，以及复杂战场中的生存能力，直接影响直升机作战效能。直升机隐身技术包括针对雷达、红外等不同探测和制导手段的隐身设计，同时降低低空飞行时的远场噪声也是直升机隐身设计的重要内容。

直升机雷达隐身设计主要在于降低雷达截面积（RCS）。直升机RCS主要取决于直升机的气动外形、机体材料及涂层。直升机外形隐身通过气动/隐身一体化设计等实现RCS的大幅下降[9-10]。RAH-66直升机采用菱形多面体的机身外形设计方案，大幅降低了雷达波回波信号（见图6）。机体材料方面，RAH-66直升机旋翼、机身结构、整流罩等广泛采用对电磁波具有透射作用的复合材料，机上复合材料占直升机总重量（质量）50%，有效降低了雷达截面积。

直升机红外隐身通过抑制发动机红外特征信号实现辐射水平的有效降低。美国从“阿帕奇”直升機开始装备红外抑制器，阻挡发动机尾喷口的红外辐射，同时吸进大量冷空气降低排气温度，有效降低了红外探测和追踪水平[11]。RAH-66直升机在设计时采用发动机尾喷口融合于尾斜梁向下排气的结构，发动机排气会被主旋翼产生的下洗流吹散，进一步降低了其红外特征信号。

直升机声隐身重点在于降低旋翼和尾桨产生的远场噪声。之前介绍的直升机降噪设计与噪声控制是实现声隐身设计的重要内容。同时，在直升机执行任务时通过飞行轨迹的优化降低声探测水平也是实现声学隐身的有效手段（见图7）。

1.4构型创新是直升机突破速度限制实现高速飞行的主要途径

常规直升机在高速飞行时存在前行侧强压缩性、后行侧动态失速、大反流区等气动特点，限制了飞行速度的进一步提升，发展新构型高速直升机成为当前直升机速度进一步提升的解决措施。目前，采用共轴刚性旋翼、双复合推力以及倾转旋翼构型的高速直升机技术得到了快速发展，正在向产品型号转化。

共轴刚性旋翼高速直升机采用上、下反转的共轴旋翼结合推力桨构型，通过刚性旋翼升力偏置减弱高速飞行的后行侧动态失速特性[12]，并通过推力桨克服机身废阻，实现高速前飞。美国西科斯基公司在20世纪70年代就已开始进行共轴刚性旋翼高速直升机技术研究，并研制XH-59A技术验证机，实现了440km/h的平飞速度。从2000年开始，西科斯基进一步开展X2高速直升机技术验证机研究计划，在X2设计中采用双钝头翼型、桨叶正负扭转、桨毂间整流罩、高性能推力桨等气动设计提升了气动效率，应用振动主动控制技术降低了振动水平[13]。在X2基础上，进一步研制了S-97、SB>1共轴刚性旋翼高速直升机验证机[14]（见图8）。

倾转旋翼机通过旋翼系统在垂直与水平位置之间的倾转，实现垂直起降和高速前飞，V-22倾转旋翼机是目前唯一实现工程应用的高速旋翼航空器构型。贝尔直升机公司在2013年进一步推出了V-280倾转旋翼机（见图9）。与V-22相比，V-280对总体构型进行了多处改进，采用了发动机固定、旋翼倾转的设计和V形尾翼方案，于2019年实现了555km/h的高速飞行[15]。

双复合推力高速直升机在去掉常规直升机尾桨的基础上加装双推力桨和水平短翼。两侧的推力桨提供向前推力，并可平衡旋翼的反扭矩。机身短翼在高速飞行时可提供额外的升力，对旋翼进行卸载。2007年欧洲直升机公司进行X3双复合推力高速直升机验证机研制，X3最大飞行速度可达472km/h[16]。欧洲空客直升机公司在X3基础上进一步开始RACER双复合推力高速直升机，并针对性开展了推力桨气动设计、旋翼与推力桨气动干扰、双复合推力构型传动设计等相关的技术研究[17-18]（见图10和图11）。

2直升机面临智能化及电气化变革

近些年来，大数据、人工智能、燃料电池、油电混动等技术进步和应用对直升机智能化、电驱动技术发展起到极大推动作用。

2.1人工智能推动直升机智能化发展

随着智能算法改进以及计算条件和计算能力的提升，人工智能技术得到了飞速发展。人工智能技术在直升机上的应用，推动了直升机智能人机交互、无人自主控制、智能维护保障等智能化技术的发展。

在直升机智能人机交互方面，美国在20世纪末已经开始直升机辅助驾驶助手（RPA）研究计划。通过在驾驶舱中加装PRA系统，加强战场态势感知和识别，并为飞行员攻击、侦察和作战任务提供智能辅助决策，可以大幅减小操控负担，提高任务效率。同时，通过语音控制、手势控制甚至脑电控制等实现直升机的人机智能交互，提升直升机驾驶的敏捷性和舒适性（见图12）。

直升机自主飞行控制通过对环境态势的在线感知、信息处理和控制重构，实现在不确定复杂飞行环境下的在线航迹规划、智能自主飞行与着陆等。目前直升机自主飞行控制仍处于研究发展阶段，美国MQ-8B无人直升机可实现在舰船上无人干涉的自动起飞及降落[19]（见图13）。

直升机智能维护保障结合大数据、专家系统推理以及直升机HUMS系统，可以实现对直升机健康情况进行评估，提前发现直升机系统可能存在的问题，以及潜在的维修需求。2017年空客直升机公司推出FlyScan方案，利用人工智能对HUMS数据进行采掘，实现对直升机故障的综合智能分析。西科斯基与美国PHI公司开发了一款实时HUMS系统，它能向飞行员提供潜在故障的预警，快速实施维修，该系统已在S-92直升机上测试使用。

2.2电驱动技术进步促进直升机电气化发展

电推进直升机采用电动机替代燃油发动机，储能单元以电池代替燃油，简化了复杂的传动系统，具有无排放、低噪声、低振动的特点，可满足未来城市空运的绿色环保需求，是近些年来直升机技术研究的热门领域。依托于燃料电池、电机技术的成熟和进步，直升机电气化在近年来不断取得重要突破。在贝尔429直升机的基础上，贝尔进行了改装电驱动分布式反扭矩系统（EDAT）测试（见图14），该系统取消了复杂的机械传动尾桨，改用分布式电驱动涵道尾桨平衡反扭矩。每个尾桨都由单独的电机驱动，即使部分尾桨失效，剩余尾桨也能提供一定的反扭矩。相比传统尾桨，EDAT的复杂性低、效率高，并且具有安全裕度。

同時，直升机多电设计采用电能替代直升机上传统的液压、气压等动力装置，如用电力作动器取代液压作动器，用电动泵取代滑油泵和燃油泵，用电动压气机取代气压动力驱动的空调压气机等，具有结构简单、重量轻、安全性好、便于维护等优点。

3未来直升机技术发展展望

绿色、高速、智能是未来直升机的重要特征，也引领着直升机技术发展的重要方向。随着新技术的革新，预估未来直升机将实现人工智能及电动技术的集中应用，基于新概念实现速度大幅度提升，同时结合自主及协同控制向模块化旋翼飞行器等技术方向发展。

3.1人工智能及电动技术的集中应用

美国贝尔公司提出了未来直升机概念方案FCX-001（见图15），大量应用智能变形旋翼（见图16）、混合动力系统、分布式电机、二次能源管理、长寿命机体材料以及人工智能（AI）计算机辅助系统等技术，是一种更安全、更智能、更高效的直升机方案。其中，智能变形旋翼综合大数据、机器学习、智能材料等技术主动变化外形，可以在不同飞行环境和状态均保持良好的性能水平。

3.2新概念实现飞行速度大幅度提升

美国DARPA启动了“垂直起降试验飞行器”（VXP）项目，旨在为新一代高速、高效垂直起降飞行器提供选型方案，其持续飞行速度指标要求提升至556～741km/h。目前欧洲、美国等多个直升机研发机构针对未来高速直升机构型开展了大量的探索研究。如欧洲空客的VAHANA、美国NASA的GL10等采用分布式倾转多旋翼构型，和电驱动技术有机结合（见图17），是未来高速旋翼航空器发展的重要选择[20]。

3.3模块化组合多旋翼飞行器得到发展

旋翼是垂直起降飞行的高效气动部件，然而单幅旋翼由于物理限制，在几何尺寸上已不能无限增大，从而限制了载重能力的提升。近年来，随着飞控及MEMS技术的发展，模块化、分布式设计思想为多旋翼飞行器提供了新的发展思路。同时，结合人工智能技术，实现模块化自组合多旋翼飞行器和无人集群旋翼飞行器之间的智能切换，将在军民领域发挥重要作用。模块化多旋翼飞行器如图18所示。

4结束语

国内直升机技术和世界直升机先进水平相比仍存在不足之处，如自主创新能力不强、新技术转化应用不够等，一些减振降噪的瓶颈技术尚未得到根本性解决，这在一定程度上抑制了国内直升机技术能力的提升。因而，亟须立足国内技术现状和不足，并紧密结合直升机技术发展趋势，推动国内直升机技术的进步和型号的发展。

参考文献

[1]倪先平，蔡汝鸿，曹喜金.直升机技术发展现状与展望[J].航空学报，2003，24（1）：15-20. Ni Xianping， Cai Ruhong， Cao Xijin. Present situation and prospects of helicopter technology[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2003， 24（1）：15-20. （in Chinese）

[2]唐宇，甘晓燕，谭承恩.武装直升机发展趋势研究[C]//第32届中国直升机年会.绵阳，2016：124-126. Tang Yu， Gan Xiaoyan， Tan Chengen. Research on development trend of the armed helicopter[C]// The China Helicopter Society 33th Annual Forum. Mian Yang， 2016： 124-126. （in Chinese）

[3]Wilke G. Multi-objective optimizations in rotor aerodynamics using variable fidelity simulations[C]//The 39th European Rotorcraft Forum. Moscow， 2013：1-10.

[4]Schneider S， Heger R， Konstanzer P. BluecopterTMdemonstrator： the state-of-the-art in low noise design[C]//42nd European Rotorcraft Forum Proceedings. Lille， 2016：1-14.

[5]Alfano D， Cranga P， Gareton V. The blue EdgeTMblade continuation[C]// The Vertical Flight Societys 75th Annual Forum &Technology Display. Philadelphia， 2019：1-10.

[6]Skladanek Y， Hocquette J， Cranga P. H160 dynamics development： setting new standards[C]//The Vertical Flight Societys75thAnnualForum&TechnologyDisplay. Philadelphia， 2019：1-13.

[7]Yeo H， Jain R， Jayaraman B. Investigation of rotor vibratory loads of a UH-60A individual blade control system[C]//The AHS 71stAnnual Forum. Virginia， 2015：1-10.

[8]Janaki R D， Sim B W， Kitaplioglu C， et al. Blade-vortex interaction noise characteristics of a full-scale active flap rotor[C]//The American Helicopter Society 65th Annual Forum. Texas， 2009：1-9.

[9]陳炀，招启军，蒋相闻.武装直升机雷达散射截面计算及雷达吸波材料影响分析[J].南京航空航天大学学报，2019，51（1）： 75-82. Chen Yang， Zhao Qijun， Jiang Xiangwen. Radar cross section calculation on armed helicopter and effect analyses of radar absorbing material[J]. Journal of Nanjing University of Aeronautics &Astronautics， 2019，51（1）：75-82. （in Chinese）

[10]宋长红，李春华，招启军.直升机总体/气动/隐身一体化综合设计分析方法研究[J].直升机技术，2017（3）：1-9. Song Changhong， Li Chunhua， Zhao Qijun. Research of the integrationdesignandanalysismethodongeneral/ aerodynamic/stealthcharacteristicsforthehelicopter[J]. Helicopter Technique， 2017（3）：1-9. （in Chinese）

[11]占瑾信，巴唐尧，吴承发.武装型直升机隐身设计和光电探测系统应用探讨[J].直升机技术，2014（1）：1-4. Zhan Jinxin， Ba Tangyao， Wu Chengfa. The armed helicopter anchoret design and photoelectric detect system research[J]. Helicopter Technology， 2014（1）：1-4. （in Chinese）

[12] Chery M C， Supervisor J. The ABC helicopter[C]// AIAA/AHS VTOL Research， Design， and Operations Meeting. Atlanta， 1969.

[13] Bagai A. AerodynamicdesignoftheX2technology demonstrator main rotor blade[C]// The 64th Annual Forum of theAmerican Helicopter Society. Montreal， 2008：1-12.

[14] Lorber P， Bowles P， Fox E. Wind tunnel testing for the SB>1 defiant joint multi-role technology demonstrator[C]//The AHS International 73rd Annual Forum & Technology Display.Texas， 2017：1-18.

[15] Ehinger R， McMenemy M， Wilson P. Bell V-280 Valor： JMR TD flight test update[C]//The Vertical Flight Societys 75th Annual Forum & Technology Display， Philadelphia， 2019：1-9.

[16] Ohrle C， Frey F， Thiemeier J. Compound helicopter X3 in high-speed flight： correlation of simulation and flight test[C]// The Vertical Flight Society 75th Annual Forum & Technology Display. Philadelphia， 2019：1-10.

[17] Frey F， Thiemeier J， Ohrle C. Aerodynamic interactions on Airbus helicopterscompound helicopter RACER in cruise flight[C]//The Vertical Flight Society 75th Annual Forum & Technology Display. Philadelphia， 2019：1-19.

[18] Blacha M， Garcia-Rios A， Schelcher M. The challenges for the integration of the drive shaft in the RACERs wing configuration[C]// The Vertical Flight Society 75th Annual Forum & Technology Display. Philadelphia， 2019：1-11.

[19]賴水清，陈传琪，张思.无人直升机自主飞行控制技术[J].直升机技术，2013（2）：65-71. Lai Shuiqing， Chen Chuanqi， Zhang Si. The technology of autonomousflightcontrolforunmannedhelicopter[J]. Helicopter Technology， 2013（2）：65-71. （in Chinese）

[20] Schrage D P， Stanzione K. Assessing the impact of hybrid distributed electric propulsion on VTOL aircraft design & system effectiveness[C]//The AHS International 74th Annual Forum & Technology Display. Phoenix， 2018：1-11.

（责任编辑陈东晓）

作者简介

邓景辉（1965-）男，博士，研究员，中国直升机设计研究所总设计师、航空工业飞行器总体专业首席技术专家。主要研究方向：直升机设计。

Tel：0798-8465880

E-mail：dengjhz@yahoo.com.cn

Development and Prospect of Helicopter Technology

Deng Jinghui*

China Helicopter Research and Development Institute，Jingdezhen 333001，China

Abstract： The helicopter technology development is fully affected by military and civil usage requirements and the newly developing technologies. Focus on green， stealth， high speed， intelligentization and electrification， the state-ofart of helicopter technology is analyzed， and the future developing prospect of helicopter technology is predicted.

Key Words： helicopter； green； stealth； high speed； intelligentization； electrification