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直升机新技术和新概念飞行机
 

  21世纪,技术已非常成熟的经典直升机将更加完善其性能及质量水平,更加注意安全、可靠、经济及舒适性。各种相关新技术的
飞速发展,将为多种具有直升机特征的新概念飞行器的研究、发展和登上历史舞台提供有利条件纯直升机技术经过半个多世纪的发展,
应该说经典技术已经比较成熟,产品质量、水平也日臻完善,其发展趋势是更加注重安全、可靠、经济、舒适性。21世纪人们可以把旋翼
系统发展得更完善、更先进、效率更高、更安全可靠,可以用新思路、新技术(诸如环量控制技术,下洗流机翼、襟翼控制技术等)来取
代尾桨系统,以提高性能,降低振动和噪音,降低成本。这样一来,我们可以把直升机速度提高到350千米/4、时以上,耗油率降低到
0.2千克/千瓦·小时左右,结构空重比达到0.3左右,全机振动水平降到0.贴g,噪声水平降到85分贝以下,而飞行小时费用降低到目
前的l/3—1/5左右,军用标准将逐步被民用标准取代,装机的成、附件可以直接从市场上采购,从而大大降低研制费用,使人们能够买
得起、用得起直升机。以下是目前影响和推动纯直升机发展的一些主要因素。

发动机和传动装置的技术创新

  推力矢量技术已经在固定翼飞机上采用,它对实现过失速机动,改进飞机性能和机动性,减小飞机阻力和重量,提高作战效能和
生存力,降低成本和全寿命费用等方面都有重要意义。但还存在若干问题,特别是控制技术的安全性还没有得到根本性解决。而直升机发动机可以完善其实用技术、通过矢量喷管与机身匹配,总体布局、地面仿真试验与飞行试验,实现直升机/推进系统一体化设计,以减小阻力,提高效率,减轻重量,提高可靠性、可维修性,降低成本。通过研究矢量喷流与直升机扰流的干扰,超环量气动效应,反向喷流干扰效应等特殊的气动问题,实现直升机/推进系统的综合控制。
  直升机的纯机械传动装置重量占直升机重量的1/5以上,且其故障率占的比例也很大。我们可以设想,抛开传统的机械传动装置,另辟路径,利用光、电、磁等综合技术实现功率的传递、转速的变化,这样就可以大大简化该装置,大大降低空机重量,并大大降低成本和费用,提高其可靠性。

新型先进材料的工程实用化

  新型先进材料工程实用化的每一次突破,都将给直升机技术发展带来一场新的革命,促进直升机技术和综合性能达到一个新的高度。
21世纪在材料工程发展上,将把注意力放在改进和提高传统材料性能的同时,着眼于发展新材料。新材料将向高功能化、高性能化、复合化和智能化方向发展。
  金属材料在工艺创新的基础上,将不断提高质量,降低成本,扩大品种规格。发展高纯高韧铝合金,高强高模铝捏合金,先进的高
强、高韧、高温钛合金等。陶瓷材料将实现从先进陶瓷发展到纳米陶瓷的第三次飞跃,科学家通过诸如纳米粉体的制备、成型、烧结等
多方面艰苦工作,在21世纪初有可能解决陶瓷脆性这一致命缺点。届时直升机结构和发动机部件上都将采用这一强度、硬度高,耐
磨、耐热能力非常好,在高温和强腐蚀介质环境下性能稳定的新型材料。
  复合材料不仅能保质原组成材料(有机高分子、无基非金属或金属)的主要特色,又能通过复合效应获得原组分所不具备的性能,还可以通过材料在使用中的受力要求进行选材设计及复合结构设计,使组分的性能互相补充并彼此关联,从而获得新的优越性能。比强度大于4x10^6厘米和比模量大于4x10^8厘米的结构复合材料的出现促进了航空、航天高技术产业的发展。随着复合材料工艺、生产流程、质量控制的降低成本、树脂
基复合材料将得到更广泛的应用,而金属基和陶瓷基复合材料亦将获得工程应用。
  智能材料和纳米材料是20世纪90年代中后期开始发展的新材料,具有巨大的发展空间和广泛的应用前景。智能材料通过把传感器阵列、光电器件和超微型处理机埋在结构材料之中,通过主动和被动控制方式,实现自适应结构。如直升机的自适应旋翼结构、相控阵雷达天线自适应机身结构。智能材料致动器可以减少桨叶与旋祸的不利干扰,减小高速脉冲干扰,以降低旋翼噪声;而智能材料高频与低频主动结构控制器,可以降低座
舱的噪声和振动。百万分之一毫米的纳米材料一经问世,就以最强的生命力急速发展,在短短几年间,走过了从纳米原材料到制成元件、成件,再到纳米机构、部件,直到有实用价值的产品,诸如超微型的电机、发动机,运转汽车,微型飞机,微型飞船,微型直升机等等。
  目前研制的微型直升机还不完善,配套的任务设备亦远不能满足使用要求。在未来10年,纳米技术开发进展将从原子、分子层次纳米元件发展到电子层次纳米元件。它的迅速发展和工程化将引发一场新的技术革命。基于超微电子、超微工程结构、器件的出现和商品化,开发研制一种无人驾驶的超微型直升机已经完全成为可能。它会在军事上用于(超)低空侦察、信号干扰、通讯中继、目标指示和生化武器探测等。

直升机与机载系统的综合一体化

  伴随现代军事技术的发展,现代战争呈现以下趋势:联合作战概念扩大,包括电子战、信息战,形成了陆、海、空、电(磁)联合体战争;信息能力成为衡量武器装备体系质量和效能的重要标志;中远程精确打击和导弹攻防对抗,成为高技术局部战争中的重要作战样式。根据这一作战趋势,航空武器装备的发展具有以下三个鲜明的特点:一是常规武器打击的精确化;二是武器装备的隐身化;三是武器平台的信息化。
  军用直升机装备的发展要适应和满足现代战争发展的趋势和特点,注重研究、发展直升机平台与机载系统设备(包括电子、武器、飞行控制等)的综合一体化和集成化。随着微电子技术,光学计算机、分子计算机技术、网络技术的发展,机载综合电子系统从总线系统向功能更多、速度更快、精度更高、适应性更强、可靠性更好的“宝石柱”、“宝石台”系统发展,机载电子信息设备所占全机比例高达40%以上,日后这一比例还会进一步提高。我国军用直升机要达到优质、高效的目标,必须加大力度发展机载电子综合系统,做到系统设备标准化、模块化、通用化,并
采用先进数据总线控制运行,网络集成,解决好战术、任务、管理一体化集成技术,相控阵雷达/结构设计一体化技术,以及干扰/反干
扰,侦察/反侦察,对抗/反对抗电子战技术,以电子基本平台和电子任务平台来勾画和综合机载电子系统。
  机载常规武器的中远程精确打击和配备导弹攻防对抗,是现代战争的重要手段,我国必须解决和发展直升机悬停、低速状态发射导弹和其他常规武器的技术,提高命中率,而发展研制激光制导反坦克导弹就可实现对目标的精确打击。
  采用先进的显示系统、声控技术和集成技术,开发集成化的驾驶舱,以实现目标识别和任务/系统管理的高度自动化,使任务功能
增加1—2倍,减少飞行员的操纵、控制工作量,使机组人员的工作量减少一倍以上。

复合式飞行器

  充分利用直升机的旋冀特性,加上飞机机翼特性,发展一种大家比较了解的倾转旋翼机,如美国的V—22烦转旋翼机已经试飞成功,在未来5年内可装备部队。
  还有一种复合式飞机,当它的三片桨叶旋转时具有直升机的功能特点,当将其三片桨叶固定时,就变成一架能快速飞行的固定翼飞机。无论是倾转旋翼机还是复合式飞机,既可像直升机一样在空中悬停和垂直起落,又能像飞机一样快速飞行,与传统的纯直升机比较,其飞行速度和飞行高速提高了一倍,可以达到600千米/4、时和2400。3000米,而航程增加了l—4倍,达到近4000千米的水平。
  由于直升机的尾桨系统要耗损9%左右的功率,且其事故率较高,故人们为提高安全性和尾桨效率采用涵道尾桨,或采用喷气环量系统,或采用主桨尖喷气系统代替尾桨,或采用共轴式旋翼系统技术省去尾桨等等。最近人们在充分研究飞机机翼、襟翼特性和直升机旋翼下洗气流特性后,提出了一种新概念的无尾桨直升机,可以充分利用旋翼下洗气流能量,通过控制双层梁二元机翼迎角和面积尺寸来平衡和控制直升机运动方向,不
仅可大大减少功率损耗,还可大大提高安全性,减小直升机的空间尺寸。

飞行汽车

  汽车只能在地面道路上行驶,在战争时期或遭遇严重自然灾害时,道路、桥梁都会遭到破坏,有时还会遇到丛山峻岭,平时地面交通十分拥挤或发生塞车情况,那时拥有一辆既可以在道路上行驶,又可以随时垂直起落和空中飞行的空中“的士”该多好。应用汽车技术和垂直起落飞行(含直升机)技术的融合。发展一种飞行小轿车是完全可能的。其军事、社会、经济效益显而易见,其发展应用前景是十分广阔的。
  人们已做过相当多的试验研究,在应用内埋式涵道风扇技术解决垂直起落的技术难点后,关键是要在一辆经典轿车构型的前提下,实现空中飞行的平衡和操纵控制,同时要有小的耗油率,以达到足够长的飞行和行驶距离,有良好的经济性和安全性。预计21世纪头10年工业界有可能研制出一辆4座飞行轿车,它可以使用普通汽油,其燃油里程价格比与普通轿车大致相同。可垂起落的飞机与飞艇的融合——气囊飞行器它是一种半软式的飞艇和半硬式飞机组合而成的新概念飞行器。既为飞行器,其重量比空气重。其软式飞艇部份充气后有很大浮力,其中一半升力是由氦气提供的同时它又具有类似倾转旋翼机的4台倾转旋翼螺旋桨作为动力。它可以互补大型货机速度快,但成本高的缺点和飞艇成本很低但速度太慢的缺点,为人们提供一种大型的低运价、高速的空中运输服务。它可在大的商用机场起降,以230千米/4、时的速度运送500吨货物,不用一天时间可以横跨大陆,可以将大部队的兵力快速从大本营运送至战区前线。直升机与地效飞行器的有机融合——蓝色水域的“飞船”它既具有直升机的特点,又具有地效飞行器的优点,显著地降低了油耗,提高了飞行速度,载重量加大了,航程更远了。它可以在水面航行,又可以在空中飞行、悬停,还可
用水面作为起降场,亦可垂起降。可较好地满足我国辽阔海域军、民用的需求。

水下直升机

  人们还在利用直升机与潜艇技术的融合,发展一种水下直升机(或水下飞行器),它具有快速航行和隐蔽性好的特点。它的发展要借助于水下动力装置,水下航(飞)行技术,飞行器的沉浮技术,以及战术潜空武器技术的突破和解决。
(转载自《国际航空》)