未来旋翼飞行器及其技术发展趋势

未来旋翼飞行器及其技术发展趋势

彭菊平，苏兵兵

(中国直升机设计研究所，江西景德镇333000)

摘要：旋翼飞行器是以直升机为代表的利用旋转机翼提供主要升力的能垂直起降的飞行器，以其独特的垂直起降、空中悬停、向任意方向飞行、近地机动能力，在现代军民用领域发挥着其他运输工具和飞行器不可替代的作用。随着人工智能、新能源、新材料等领域技术的快速发展，直升机的功能和属性也将被重新定义，向高速化、智能无人化以及多元化方向发展。

关键词：旋翼飞行器;发展方向

一、高速化——新构型突破传统直升机速度限制

由于传统直升机受自身构型的影响，在人速度时会出现前行桨叶激波和后行桨叶气流分离，使其飞行速度、航程等受到较大限制，最大飞行速度一般在350km/h以内。在军用领域，研制大速度、高机动性以及大航程的新构型旋翼机是世界直升机界的共识。在民用领域，运输效率、运营成本等对高速也提出了迫切需求。

新构型高速旋翼飞行器总体上可分为倾转类、复合类和停转类三大类。

第一类是倾转类，即利用旋翼/螺旋桨，通过该系统在垂直与水平位置之间的倾转，实现直升机与飞机飞行模式之间的转换，从而达到高速飞行的目的。当旋翼/螺旋桨桨盘平面位于水乎面内时，成为常规直升机构型，可实现垂直起降和悬停;当旋翼/螺旋桨桨盘平面位于垂直面内时，成为螺旋桨飞机构型，可实现高速飞行。该类构型以美国V-22“鱼鹰”倾转旋翼机和V280“勇士”新型倾转旋翼机为代表，其中V-22已投入了实际应用，最大平飞速度达到565km/h，V280发动机短舱由倾转变为固定，设计速度520km/h，作战半径463km，预计于2018年首飞。

第二类是复一台类，即分别通过旋翼、机翼、辅助推进发动机或螺旋桨等不同系统提供升力和推力或拉力，机翼用于提供升力，旋翼用于实现悬停与垂直起降，辅助推进发动机或螺旋桨用于高速前飞。这类旋翼机的最大特点是旋翼始终发挥其自身的功能，且构型和相对位置不会发生变化。该类以S-97“劫掠者”和新构型复合高速直升机X3为代表。S-97采用共轴刚性旋翼复合推力桨构型，利用“前行桨叶”概念提高前飞速度，设计巡航速度407km/h。

第三类是停转类，即在飞行过程中，旋翼桨叶停止转动并转变为固定机翼，如S-72X翼、X-50A等，或者是旋翼桨叶可以伸缩，并转变成盘翼，如盘翼旋翼机。该类构型由于技术难度较大，目前多停留在实验室阶段。

二、智能无人化——会飞行的机器人

人工智能的发展，是会给社会带来根本性变革的技术趋势，而直升机平台与人工智能的融合，将颠覆传统直升机使用模式。无人化装备具备零伤亡、无生理限制、耐恶劣环境使用等特点，是未来发展的必然趋势。当前，智能无人飞行器目前正加速向军民多个应用领域拓展，同时其技术的发展也在不断开辟智能无人机应用新领域。

智能化。从人工智能的角度看，直升机智能化分为三个发展阶段，即单机智能飞行、多机智能协同、任务自主智能。单机智能飞行涉及环境自主感知与规避，开放性、自主性和自学习的智能飞控，智能空域整合等技术;多机智能协同的关键技术是协同指挥控制以及协同态势生成与评估;任务自助智能即是在动态变化的外界环境中自主规划、管理、评估与执行任务。目前由DARPA(美国国防部高级研究计划局)重点推进的“蜂群式无人机”项目即是该发展趋势的集中体现。

模块化。由于旋翼飞行器的旋翼升力系统较为独立，便于集成，具有模块化发展的天然优势。DARPA的“可重构嵌入式航空系统”( ARES)即是一种垂直起降飞行模块，装备双倾转涵道风扇，可携带1360kg可更换的有效载荷模块;目前大多数民用无人多旋翼飞行平台本质上也是一种可以配挂乡种任务载荷的飞行模块;多飞行器的模块化组合也是近年来出现的一种无人旋翼飞行器的新应用形式。

微小型化。微小型无人机指的是重量在数克至数千克范围内的无人机。近年来低雷诺数空气动力学、微机电、新材料等新技术的出现与发展使微小型无人机“异军突起”，成为无人机发展的重要方向，而其中以便于携带、机动灵活与无孔不入为特点的微型无人旋翼飞行器发展较快，如从2013年就已装备英军的微型无人直升机“黑黄蜂”，主要用以完成侦察、狙击于定位、对建筑物和洞穴入口进行搜索等特战任务，全机仅重18g，有效控制距离1.6公里。此外，微小型无人旋翼飞行器亦是“蜂群”战术的重要使能平台。

三、多元化——新概念推动旋翼飞行器创新发展

近年来，共享飞车、“飞行的士”、单人飞行包、车载无人机、新型交通等新概念不断涌现，推动着旋冀飞行器多元化发展，很多创新构型将不断刷新我们的认知。

早在2009年，DARPA为提升陆军小型作战单元在不同地形下遂行战术运输任务能力而启动了“变形金刚项目”( TX)，目的在于寻求一种长时间在地面行走，复杂地形垂直起降的新型运输解决方案，即“飞行悍马”。洛克希德·马丁与格莱恩兄弟F属的AAI公司以“低速旋翼，复合式(SR/C)”直升机技术方案竟标成功。该飞行汽车实质是一种旋翼/机翼复合的旋翼机与汽车的复合体，地面行走时旋翼与机翼折叠固定，与常规汽车无异，遇到复杂地形时释放出旋翼短距起飞，低速飞行时无动力的旋翼以较大桨距迎风自转，承担大部分升力，高速飞行时依靠机翼提供升力飞行。除此之外，采用八旋翼的“黑骑士”陆空两用飞行卡车、封闭式风扇布局的“城市之鹰( X-Hawk)”等均是旋翼式飞行汽车的代表。旋翼飞行器多元化发展也不断推动着新型动力形式、新型结构材料、新型操控方式等技术的创新发展。

四、小结

纵观旋翼飞行器的发展，每一次新技术的发展与突破都伴随着旋翼飞行器性能的提高，更促进了-些新构型、新概念旋翼飞行器的实现与应用。未来的发展中，高速新构型旋翼飞行器将取得更大突破并逐渐普及，智能无人旋翼飞行器的应用领域更加广阔，新概念旋翼飞行器不断涌现并持续推动多元化技术创新。

作者简介：

彭菊平 苏兵兵，中国直升机设计研究所。