中国航空工业发展研究中心张广林t：未来重型运输直升机 ...

中国航空工业发展研究中心　张广林
　　摘 要：分析了军用重型直升机的典型作战与使用环境，介绍了国外新一代重型直升机的发展计划。

　　根据运输直升机的分类和运载能力的要求（见表1），重型运输直升机是指起飞重量大于20t，内载或外挂能力大于8000kg的运输直升机。理论上，重型运输直升机可采用单旋翼式、纵列式、横列式、共轴式、倾转旋翼式及复合式等构型，但目前正在服役的重型运输直升机主要有单旋翼式布局（典型机型如米-26和CH-53）、纵列式布局（典型机型如CH-47和CH-46）和倾转旋翼布局（典型机型为MV-22）三种。

　　一、重型运输直升机的使用环境
　　 1. 重型运输直升机典型的作战环境
　　一般来说，陆军、空军和海军要求的重型运输直升机具有相同特点，但各兵种要求的重点不同。
　　总的来看，作战环境可分为两类：一类是海上环境，这是海军和空军要求的直升机作战环境；另一类是陆地/战场环境，这是陆军与空军要求的直升机作战环境（见表2）。陆军型与空军型的作战和使用环境差别不大，主要是海军型会遇到一些特殊问题。
　　陆军与空军型要适应下列作战环境：应能在没有非常空旷的着陆地点的情况下使用，机身底部没有天线等在粗糙地面着陆时会受损的突出物；增速时整个驾驶舱和货舱的振动程度较低，能贴地飞行/地形回避机动和斜坡着陆；具有整体优良操纵品质和机动性，能完全地无动力自转着陆；起落架能使直升机具有较高的着陆拉平能力，并在粗糙不平的地面上滑行时也较为安全；有良好的稳定性和操纵品质及障碍告警和地形跟踪能力；适应各种温度和湿度及砂尘和冰雹等极端自然环境，具有抗坠毁能力、战场可维修性、损伤容限设计及改善抗轻武器或防空导弹攻击能力，能对抗电磁脉冲和核生化等辐射和污染；在吊挂货物的情况下有较大的飞行包线等。
　　海军型要适应以下海上环境：海上环境涉及直升机及其乘员从战舰甲板到岸上桥头堡的飞行，其距离大于180km，必须满足该飞行半径；能够在战舰上正常操纵；能抗盐蚀、强风和侧风；能在有限的空间停放、起降和悬停，旋翼甚至尾梁能折叠；起落架的设计强度和稳定性能满足甲板上起降和甲板运动的要求；外形能适应舰船尺寸的大小；内部空间可容纳各种任务设备等。
　　 2. 砂尘的环境
　　重型运输直升机所担负的任务，要求它能在野外场地起降、低空悬停及贴地飞行。由旋翼下洗流扬起的砂石会对发动机、旋翼等造成损伤，自然砂尘环境和诱发砂尘环境都严重地影响着它的使用。因此，重型运输直升机防砂尘是一个要解决的问题。在最近的几次局部战争，特别是海湾战争和伊拉克战争中，砂尘对运输直升机的作战影响巨大。
　　军用直升机的砂尘环境，按其浓度分成5级（见表3），浓度测试区在直升机旋翼轴前0.15R（R--旋翼半径）机身上表面处。测试诱发砂尘环境浓度时，空气相对湿度应不大于40%。
　　普通的军用直升机应能在2级砂尘环境中正常地使用。防砂尘要求较高的军用直升机则应具备：在3级砂尘环境中能正常使用；在4级砂尘环境中可以使用，但其工作时间不应超过各部件设计寿命的2%；在5级砂尘环境中可执行特定任务，但应严格限制使用，而且使用后要进行全面检查，其使用寿命可酌情降低。军用直升机各部件、系统和机载设备均应具有相应的防砂能力。
　　在对军用直升机的使用砂尘环境有所规定的基础上，军用直升机各部件、系统及机载设备一般应满足表4所示的详细要求。
　　 3. 重型舰载直升机的使用特点和所受限制
　　舰载直升机在舰船起飞/着舰不同于陆基直升机，它主要有以下特点：海上风浪环境中舰船的运动；舰面飞行甲板区域流场复杂；舰面飞行甲板的尺寸小和周围障碍多；海上气象变化复杂等。
　　重型舰载直升机起飞/着舰受舰船运动的限制较大，舰船随风浪的运动对重型直升机的起降有较大影响：易造成重型直升机着舰点的偏差；容易引起直升机单点着舰；易产生滑移、侧翻等。要保证着舰安全必须克服"紊流"、"突风"的作用，操纵和功率都必须留有附加余量。一般舰载直升机俯仰角不超过±8°；直升机滚转角不超过±5°；尾桨桨距操纵余量不小于20%；旋翼总距操纵余量不小于15%；纵/横向操纵余量不小于15%；直升机剩余功率不小于15%；甲板上垂直气流速度不大于27.8km/h等。
　　重型舰载直升机除受起飞/着舰限制外，还受到：舰载直升机的升力限制，影响因素有温度、相对湿度、高度、相对风速、地面效应等；仪表设备的限制；活动半径的限制，因舰载直升机的速度较低，续航力有限，因而它的活动半径也较小；载重限制，各种舰载直升机的起飞重量是按海平面标准状态计算的，当大气条件或飞行剖面不同于标准状态时，升力可能与飞行手册表中所列的有明显差异。
　　 4. 结冰问题
　　直升机同其他各类飞机相比，在结冰条件下飞行时，更容易出现空中结冰，不仅发动机进气装置上结冰，而且直升机旋翼和机体上也结冰。直升机结冰后危害较大，往往造成严重的后果：结冰可能造成发动机故障；旋翼、尾桨结冰和不对称除冰，可能引起强烈振动；旋翼结冰阻力增加，致使所需功率增大，还会破坏旋翼系统的自转性能，威胁飞行安全；旋翼桨叶除冰过程中冰块脱落可能对空中和地面目标造成伤害；直升机空中结冰会引起操纵问题（如空速受限、桨叶过早失速、续航时间和航程显著下降等等）。
　　在结冰区长时间飞行，加温系统长时间接通时，由于需从发动机大量引气，对发动机功率和经济性有不良影响：使得发动机功率减少约8.5%（进气道防冰引气损失功率4%，发动机进气装置防冰引气损失4.5%）；发动机耗油率增加约8%（进气道防冰引气使耗油率增加3%，发动机进气装置防冰引气使耗油率增加5%）。在结冰区飞行两台发动机同时引气，发动机额定状态功率就要减少187.4kW。由于传给旋翼的可用功率大为减少，结果导致旋翼拉力剧烈减小，因此直升机飞行高度降低，飞行速度也上不去。为了保持发动机功率，燃油调节器就要增加供油量，所以防冰加温系统接通时，压缩器涡轮前燃气温度约增20°～30°，影响发动机寿命。
　　长时间在结冰区飞行，一旦防冰系统出现故障或失效，就可能产生严重的后果，尤其在山区上空飞行更加危险。曾经有一架美国空军的HH-3直升机在冰岛坠毁，原因就是双发中的一台发动机防冰系统增压活门发生故障。
　　所以，虽然在进入结冰区前预先打开防冰加温系统，长时间在结冰区飞行一般不会出现结冰停车。但是，无论对直升机来说，还是对发动机来说，在结冰区长时间飞行危害都是比较大的，而且在飞行安全方面存在着潜在的危险。

　　二、重型运输直升机的主要用途和使用特点
　　现代战争中，重型运输直升机主要承担着运输任务，特别是搭载作战部分队、作战装备，实施战场机动和机降作战任务。重型运输直升机之所以越来越受到各国的重视，并在战争中频繁使用，是因为它具有如下特点：重型运输直升机不受地面条件限制，能准确地将作战人员和物资运送到预定地点；重型运输直升机能快速有效地完成战场机动任务；可与地面部队密切协同，有利于战斗任务的完成；重型运输直升机有效载荷大，运输效率高，并可运输重型装备；运输方式隐蔽，便于保存自己。
　　陆海空兵力投送能力是快速反应部队能否快速部署的关键，而提高布雷和扫雷效率也是夺取制海权的决定因素之一。当前国外军队普遍认识到其投送能力应与国家的战略要求相适应。外军为使其快速反应部队具备快速机动、快速部署和较强的突击能力，十分重视装备重型运输直升机。同时重型运输直升机在军民用领域都有较大的作用。重型运输直升机的主要军事用途有：机降部队、运送武器弹药等作战物资、后勤支援运输、海上垂直补给运输、布雷和扫雷任务等。
　　除军事用途外，重型运输直升机由于载重量大，在民用领域的用途也越来越广泛。现已大量用于旅客运输、森林防火、抢险救灾、建筑起重、空中吊运安装、伐木吊运、应急性空中吊运及港口卸货等吊装或运输作业等。

　　三、国外发展新一代重型运输直升机的计划
　　 1. 欧洲的重型运输直升机计划
　　北约和欧盟认为重型直升机是其新型快速反应部队的核心组成。2004年5月，欧洲直升机公司已经开始研究重型直升机的方案，新项目称作"重型运输直升机(HTH)"，新型重型运输直升机将在2020年前面世。2007年，法国和德国正在就联合研制新一代重型军用运输直升机进行谈判，计划签署关于该项目的技术可行性研究协议，项目的研制工作预计将历时4~5年。该机主要用来填补美国的CH-53直升机或是欧洲的NH90直升机与A400M军用运输机之间的空白。如同NH90直升机项目那样，HTH项目的协作范围可能会扩大。参与NH90直升机项目的国家包括德国、法国、意大利、荷兰和葡萄牙。由于欧洲的市场有限，欧洲直升机公司想要进入美国市场，因此希望美国参与该项目，并与波音和西科斯基公司进行了探索性会谈，但欧洲和美国共同研制重型运输直升机的可能性很小。
　　 2. 美国的联合重型直升机计划
　　美海军已开始研发新的重型直升机，美国国防部2006年1月3日宣布，海军航空系统司令部已授予西科斯基飞机公司一份金额840万美元的合同，用于海军陆战队的CH-53"重型直升机更新"（HLR）项目--CH-53K"超种马"的初始系统开发与演示，其中包括开始初步计工作。HLR项目预计耗资42亿美元，合同预计在2008年1月完成。CH-53K载重13.5t,可用作舰载机，将替换现役的CH-53E重型直升机。CH-53K将是一种改进的、新制造的CH-53E派生型，首架交付定于2014年。海军陆战队计划采购150架CH-53K。该机将采用的新技术包括：联合互操作"玻璃驾驶舱"、带下反角桨尖的高效旋翼桨叶、维护性好的弹性轴承桨毂、增大功率的发动机、货物导轨锁定系统、增大外挂货物重量、增强生存力技术等。
　　 2005年年初，美国防部同意陆军提出的发展下一代战区运输旋翼机计划，并要求陆军继续开展联合重型旋翼机(JHL)方案研究。美陆军要求JHL能运输重达20t的"未来作战系统（FCS）"车辆，规划的性能指标是悬停升限约3000m，能携带一个3.4m×2.8m×15.2m的集装箱，最大航程达3900km，能在没有机场的地方起降。制造商们提出了一系列设计方案。其中5种主要方案分别是：
　　西科斯基公司的X2C，X2技术起重机--共轴式旋翼机（如图5所示），巡航速度306km/h；
　　波音公司的先进纵列式直升机（ATRH）（如图6所示），巡航速度306km/h；
　　西科斯基公司X2HSL，X2技术高速重型直升机--先进桨叶复合型直升机，巡航速度460km/h；
　　贝尔-波音四旋翼倾转旋翼机（QTR）（如图7所示），巡航速度510km/h；
　　卡曼公司的OSTR--速度优化的倾转旋翼机（巡航速度575km/h）。
　　 2005年9月，美国陆军宣布资助上述5个方案的概念设计和分析：波音公司获得340万美元从事先进纵列式直升机（ATRH）概念设计研究；贝尔和波音获得345万美元从事四旋翼倾转旋翼机概念设计研究；其他三个方案也获得相当资金的支持。
阿古斯塔公司的HH-71搜救直升機，將替換意大利現用的搜救直升機HH-3F。也將參與美軍的CSAR-X投標。中国航空工业发展研究中心　张广林
　　摘 要：分析了军用重型直升机的典型作战与使用环境，介绍了国外新一代重型直升机的发展计划。

　　根据运输直升机的分类和运载能力的要求（见表1），重型运输直升机是指起飞重量大于20t，内载或外挂能力大于8000kg的运输直升机。理论上，重型运输直升机可采用单旋翼式、纵列式、横列式、共轴式、倾转旋翼式及复合式等构型，但目前正在服役的重型运输直升机主要有单旋翼式布局（典型机型如米-26和CH-53）、纵列式布局（典型机型如CH-47和CH-46）和倾转旋翼布局（典型机型为MV-22）三种。

　　一、重型运输直升机的使用环境
　　 1. 重型运输直升机典型的作战环境
　　一般来说，陆军、空军和海军要求的重型运输直升机具有相同特点，但各兵种要求的重点不同。
　　总的来看，作战环境可分为两类：一类是海上环境，这是海军和空军要求的直升机作战环境；另一类是陆地/战场环境，这是陆军与空军要求的直升机作战环境（见表2）。陆军型与空军型的作战和使用环境差别不大，主要是海军型会遇到一些特殊问题。
　　陆军与空军型要适应下列作战环境：应能在没有非常空旷的着陆地点的情况下使用，机身底部没有天线等在粗糙地面着陆时会受损的突出物；增速时整个驾驶舱和货舱的振动程度较低，能贴地飞行/地形回避机动和斜坡着陆；具有整体优良操纵品质和机动性，能完全地无动力自转着陆；起落架能使直升机具有较高的着陆拉平能力，并在粗糙不平的地面上滑行时也较为安全；有良好的稳定性和操纵品质及障碍告警和地形跟踪能力；适应各种温度和湿度及砂尘和冰雹等极端自然环境，具有抗坠毁能力、战场可维修性、损伤容限设计及改善抗轻武器或防空导弹攻击能力，能对抗电磁脉冲和核生化等辐射和污染；在吊挂货物的情况下有较大的飞行包线等。
　　海军型要适应以下海上环境：海上环境涉及直升机及其乘员从战舰甲板到岸上桥头堡的飞行，其距离大于180km，必须满足该飞行半径；能够在战舰上正常操纵；能抗盐蚀、强风和侧风；能在有限的空间停放、起降和悬停，旋翼甚至尾梁能折叠；起落架的设计强度和稳定性能满足甲板上起降和甲板运动的要求；外形能适应舰船尺寸的大小；内部空间可容纳各种任务设备等。
　　 2. 砂尘的环境
　　重型运输直升机所担负的任务，要求它能在野外场地起降、低空悬停及贴地飞行。由旋翼下洗流扬起的砂石会对发动机、旋翼等造成损伤，自然砂尘环境和诱发砂尘环境都严重地影响着它的使用。因此，重型运输直升机防砂尘是一个要解决的问题。在最近的几次局部战争，特别是海湾战争和伊拉克战争中，砂尘对运输直升机的作战影响巨大。
　　军用直升机的砂尘环境，按其浓度分成5级（见表3），浓度测试区在直升机旋翼轴前0.15R（R--旋翼半径）机身上表面处。测试诱发砂尘环境浓度时，空气相对湿度应不大于40%。
　　普通的军用直升机应能在2级砂尘环境中正常地使用。防砂尘要求较高的军用直升机则应具备：在3级砂尘环境中能正常使用；在4级砂尘环境中可以使用，但其工作时间不应超过各部件设计寿命的2%；在5级砂尘环境中可执行特定任务，但应严格限制使用，而且使用后要进行全面检查，其使用寿命可酌情降低。军用直升机各部件、系统和机载设备均应具有相应的防砂能力。
　　在对军用直升机的使用砂尘环境有所规定的基础上，军用直升机各部件、系统及机载设备一般应满足表4所示的详细要求。
　　 3. 重型舰载直升机的使用特点和所受限制
　　舰载直升机在舰船起飞/着舰不同于陆基直升机，它主要有以下特点：海上风浪环境中舰船的运动；舰面飞行甲板区域流场复杂；舰面飞行甲板的尺寸小和周围障碍多；海上气象变化复杂等。
　　重型舰载直升机起飞/着舰受舰船运动的限制较大，舰船随风浪的运动对重型直升机的起降有较大影响：易造成重型直升机着舰点的偏差；容易引起直升机单点着舰；易产生滑移、侧翻等。要保证着舰安全必须克服"紊流"、"突风"的作用，操纵和功率都必须留有附加余量。一般舰载直升机俯仰角不超过±8°；直升机滚转角不超过±5°；尾桨桨距操纵余量不小于20%；旋翼总距操纵余量不小于15%；纵/横向操纵余量不小于15%；直升机剩余功率不小于15%；甲板上垂直气流速度不大于27.8km/h等。
　　重型舰载直升机除受起飞/着舰限制外，还受到：舰载直升机的升力限制，影响因素有温度、相对湿度、高度、相对风速、地面效应等；仪表设备的限制；活动半径的限制，因舰载直升机的速度较低，续航力有限，因而它的活动半径也较小；载重限制，各种舰载直升机的起飞重量是按海平面标准状态计算的，当大气条件或飞行剖面不同于标准状态时，升力可能与飞行手册表中所列的有明显差异。
　　 4. 结冰问题
　　直升机同其他各类飞机相比，在结冰条件下飞行时，更容易出现空中结冰，不仅发动机进气装置上结冰，而且直升机旋翼和机体上也结冰。直升机结冰后危害较大，往往造成严重的后果：结冰可能造成发动机故障；旋翼、尾桨结冰和不对称除冰，可能引起强烈振动；旋翼结冰阻力增加，致使所需功率增大，还会破坏旋翼系统的自转性能，威胁飞行安全；旋翼桨叶除冰过程中冰块脱落可能对空中和地面目标造成伤害；直升机空中结冰会引起操纵问题（如空速受限、桨叶过早失速、续航时间和航程显著下降等等）。
　　在结冰区长时间飞行，加温系统长时间接通时，由于需从发动机大量引气，对发动机功率和经济性有不良影响：使得发动机功率减少约8.5%（进气道防冰引气损失功率4%，发动机进气装置防冰引气损失4.5%）；发动机耗油率增加约8%（进气道防冰引气使耗油率增加3%，发动机进气装置防冰引气使耗油率增加5%）。在结冰区飞行两台发动机同时引气，发动机额定状态功率就要减少187.4kW。由于传给旋翼的可用功率大为减少，结果导致旋翼拉力剧烈减小，因此直升机飞行高度降低，飞行速度也上不去。为了保持发动机功率，燃油调节器就要增加供油量，所以防冰加温系统接通时，压缩器涡轮前燃气温度约增20°～30°，影响发动机寿命。
　　长时间在结冰区飞行，一旦防冰系统出现故障或失效，就可能产生严重的后果，尤其在山区上空飞行更加危险。曾经有一架美国空军的HH-3直升机在冰岛坠毁，原因就是双发中的一台发动机防冰系统增压活门发生故障。
　　所以，虽然在进入结冰区前预先打开防冰加温系统，长时间在结冰区飞行一般不会出现结冰停车。但是，无论对直升机来说，还是对发动机来说，在结冰区长时间飞行危害都是比较大的，而且在飞行安全方面存在着潜在的危险。

　　二、重型运输直升机的主要用途和使用特点
　　现代战争中，重型运输直升机主要承担着运输任务，特别是搭载作战部分队、作战装备，实施战场机动和机降作战任务。重型运输直升机之所以越来越受到各国的重视，并在战争中频繁使用，是因为它具有如下特点：重型运输直升机不受地面条件限制，能准确地将作战人员和物资运送到预定地点；重型运输直升机能快速有效地完成战场机动任务；可与地面部队密切协同，有利于战斗任务的完成；重型运输直升机有效载荷大，运输效率高，并可运输重型装备；运输方式隐蔽，便于保存自己。
　　陆海空兵力投送能力是快速反应部队能否快速部署的关键，而提高布雷和扫雷效率也是夺取制海权的决定因素之一。当前国外军队普遍认识到其投送能力应与国家的战略要求相适应。外军为使其快速反应部队具备快速机动、快速部署和较强的突击能力，十分重视装备重型运输直升机。同时重型运输直升机在军民用领域都有较大的作用。重型运输直升机的主要军事用途有：机降部队、运送武器弹药等作战物资、后勤支援运输、海上垂直补给运输、布雷和扫雷任务等。
　　除军事用途外，重型运输直升机由于载重量大，在民用领域的用途也越来越广泛。现已大量用于旅客运输、森林防火、抢险救灾、建筑起重、空中吊运安装、伐木吊运、应急性空中吊运及港口卸货等吊装或运输作业等。

　　三、国外发展新一代重型运输直升机的计划
　　 1. 欧洲的重型运输直升机计划
　　北约和欧盟认为重型直升机是其新型快速反应部队的核心组成。2004年5月，欧洲直升机公司已经开始研究重型直升机的方案，新项目称作"重型运输直升机(HTH)"，新型重型运输直升机将在2020年前面世。2007年，法国和德国正在就联合研制新一代重型军用运输直升机进行谈判，计划签署关于该项目的技术可行性研究协议，项目的研制工作预计将历时4~5年。该机主要用来填补美国的CH-53直升机或是欧洲的NH90直升机与A400M军用运输机之间的空白。如同NH90直升机项目那样，HTH项目的协作范围可能会扩大。参与NH90直升机项目的国家包括德国、法国、意大利、荷兰和葡萄牙。由于欧洲的市场有限，欧洲直升机公司想要进入美国市场，因此希望美国参与该项目，并与波音和西科斯基公司进行了探索性会谈，但欧洲和美国共同研制重型运输直升机的可能性很小。
　　 2. 美国的联合重型直升机计划
　　美海军已开始研发新的重型直升机，美国国防部2006年1月3日宣布，海军航空系统司令部已授予西科斯基飞机公司一份金额840万美元的合同，用于海军陆战队的CH-53"重型直升机更新"（HLR）项目--CH-53K"超种马"的初始系统开发与演示，其中包括开始初步计工作。HLR项目预计耗资42亿美元，合同预计在2008年1月完成。CH-53K载重13.5t,可用作舰载机，将替换现役的CH-53E重型直升机。CH-53K将是一种改进的、新制造的CH-53E派生型，首架交付定于2014年。海军陆战队计划采购150架CH-53K。该机将采用的新技术包括：联合互操作"玻璃驾驶舱"、带下反角桨尖的高效旋翼桨叶、维护性好的弹性轴承桨毂、增大功率的发动机、货物导轨锁定系统、增大外挂货物重量、增强生存力技术等。
　　 2005年年初，美国防部同意陆军提出的发展下一代战区运输旋翼机计划，并要求陆军继续开展联合重型旋翼机(JHL)方案研究。美陆军要求JHL能运输重达20t的"未来作战系统（FCS）"车辆，规划的性能指标是悬停升限约3000m，能携带一个3.4m×2.8m×15.2m的集装箱，最大航程达3900km，能在没有机场的地方起降。制造商们提出了一系列设计方案。其中5种主要方案分别是：
　　西科斯基公司的X2C，X2技术起重机--共轴式旋翼机（如图5所示），巡航速度306km/h；
　　波音公司的先进纵列式直升机（ATRH）（如图6所示），巡航速度306km/h；
　　西科斯基公司X2HSL，X2技术高速重型直升机--先进桨叶复合型直升机，巡航速度460km/h；
　　贝尔-波音四旋翼倾转旋翼机（QTR）（如图7所示），巡航速度510km/h；
　　卡曼公司的OSTR--速度优化的倾转旋翼机（巡航速度575km/h）。
　　 2005年9月，美国陆军宣布资助上述5个方案的概念设计和分析：波音公司获得340万美元从事先进纵列式直升机（ATRH）概念设计研究；贝尔和波音获得345万美元从事四旋翼倾转旋翼机概念设计研究；其他三个方案也获得相当资金的支持。
阿古斯塔公司的HH-71搜救直升機，將替換意大利現用的搜救直升機HH-3F。也將參與美軍的CSAR-X投標。