俄罗斯的新概念直升机

俄罗斯的新概念直升机

俄罗斯于5月15日至17日在莫斯科举办了首届“HeliRussia-2008”国际直升机展览会。在这届展会上，俄罗斯各直升机研发单位在会上展出了三类外形比较“独特”的直升机模型。它们分别是卡莫夫设计局的卡-90，卡-92和米里设计局的Mi-X1及Mi-MPBK。
卡-92

第一眼看到卡-92，大家也许觉得有些眼熟。对了，它与美国西科斯基公司今年要马上试飞的X2验证机的构型如出一辙。只不过美国西科斯基的X-2还是双座的技术验证机，而俄罗斯卡莫夫展出的卡-92已经是可载数十人的大型运输直升机的模型了。这一次，俄罗斯又和美国重现冷战时的游戏，你有什么东西，我立即跟进，也推出类似的东西，“X2斯基”卡-92诞生了。

这种复合式新概念直升机的主要特点就是采用了西科斯基研究的所谓ABC（Advancing Blade Concept前行桨叶概念）刚性旋翼技术。
我们先了解一下一般的直升机旋翼：其桨叶通过水平铰、垂直铰和轴向铰（也称变距铰）与桨毂柔性连接组成。直升机在做悬停，垂直起降时，桨叶表面任意一点的相对气流速度就是这点的周向速度,并且在旋转平面内左右两边桨叶对称点的相对气流速度是相同的。但直升机在前飞时，桨叶表面任意一点在旋转一周中，其相对气流速度的大小和方向都是不一样的。在旋转方向和气流方向相反的半周，相对气流速度等于周向速度与飞行速度的矢量和，此时的桨叶称为前行桨叶；当桨叶旋转到旋转方向和气流方向相同的半周，相对气流速度等于周向速度与飞行速度的矢量差，此时的桨叶称为后行桨叶。如图所示。

直升机要开始前飞，就前推驾驶杆，自动倾斜器向前倾斜，旋翼也就向前倾斜，旋翼产生的升力有了一个水平方向的分量，就可以前飞了。要想增加直升机飞行速度，就必须增加旋翼的旋转速度，以增加更多的水平拉力。但是，随着旋翼的旋转速度不断增大，前行桨叶的桨尖速度接近甚至超过音速时，该桨尖处的空气被压缩，堆积在桨叶前面，人们称之为激波，这种激波会产生极大的阻力，这就是所谓激波失速。同样，在后行桨叶的桨根部分还会出现气流从桨叶的后缘向前缘的反流区。由于后行桨叶气流相对速度减小，为保持升力与前行桨叶相同，就必须增加后行桨叶偏转角度（桨距），但是与固定翼飞机的机翼仰角一样，桨距过大，气流就会从桨叶前缘开始分离，在桨叶后缘形成一个很大的涡流区，产生很大的阻力，导致桨叶升力突然巨幅下降，这称之为气流分离失速。因此，旋翼的前行桨叶的激波失速和后行桨叶的气流分离失速，就是直升机平飞速度落后于固定翼飞机主要症结。
而所谓ABC刚性旋翼，就是采用两副尺寸完全相同，但旋转方向相反的共轴式刚性旋翼，它取消了普通旋翼中桨叶用来柔性连接桨毂的水平铰、垂直铰，只保留变距铰。在飞行过程中，共轴式刚性旋翼只负责产生升力无须产生前飞拉力，前飞拉力由辅助推进装置产生（X2和卡-92都是尾部螺旋桨），因而也无须复杂的自动倾斜器。当直升机前飞速度不断增大时，后行桨叶进行卸载，升力逐渐转移到前行桨叶上，使前行桨叶处于高动压流场中，能很好地发挥作用。后行桨叶卸载后，桨距不用很大，故不易产生气流分离失速。另外，前行桨叶和后行桨叶升力不对称的翻转力矩，正好由上下两副旋转方向相反的旋翼相互抵消，保持升力平衡。这样旋翼的气动效率大大提高。由于刚性桨叶没有挥舞，上下旋翼可以离得很近，而没有碰撞的危险。差动式地加减上下旋翼的桨距以形成扭力差不仅形成水平方向上的转向，还由于刚性旋翼非对称升力造成横滚，进一步加速转弯过程，所以采用的ABC刚性旋翼的直升机具有异乎寻常的机动性，大大超过常规直升机。
这里要指出的是，俄罗斯卡莫夫设计局虽然是以研制共轴式双旋翼直升机而著名，但其产品都还是属于普通旋翼，其效率不是很高，并且出现了在高机动动作时，上下旋翼相撞而机毁人亡的事故。这一次卡莫夫也推出采用类似ABC刚性旋翼的卡-92，不知道西科斯基会不会向卡莫夫收取版权费用？
还要提到的是，西科斯基的X2采用了为RAH-66"科曼奇"直升机项目研制的复合材料旋翼系统和先进传动设计，以及原来Cypher无人机项目的电传操纵技术。目前还不清楚卡莫夫的卡-92是否采用复合材料旋翼和电传操纵技术。但是和X2一样，卡-92也还必须解决减速器和离合器的设计难点。因为在平飞时，发动机的部分动力将通过减速器减速后用离合器接通尾传动轴传递给尾部的螺旋桨，在进行悬停和垂直飞行时，离合器就要断开尾传动轴使尾部的螺旋桨失去动力从而停止转动。而尾部螺旋桨所需的减速比与旋翼所需的减速比是不一样的。并且在这个过程中，功率损失要尽可能的少，离合器损耗要尽可能的低。美国在Cypher II“龙武士”的试验飞行中，就出现了离合器损耗过高的问题。
卡-90

从模型上看，卡-90也是一种复合式新概念直升机。其顶部安装有两片桨叶的旋翼，尾部有一台涡轮发动机，在涡轮发动机喷管后方还安有一片和下垂直尾翼连为一体的舵面。目前还不清楚，旋翼动力是也由涡轮发动机带动，还是有单独的动力装置，相信从重量方面考虑，采用由涡轮发动机带动的可能性很大。这就需要解决涡轮发动机带动旋翼的问题。我们知道F-35垂直起降战斗机，就是采用一台涡扇发动机通过离合器、传动轴驱使升力风扇高速转动产生升力，也许卡-90也是采用这样的设计，这也是这种构型的新概念直升机的一大技术难点。
通过示意图，我们可以看出，在垂直起降状态，和普通直升机一样，卡-90两片桨叶旋转产生升力，而反扭矩估计则由涡轮发动机通过喷管后方的舵面偏转来提供。进入平飞阶段，则由涡轮发动机提供向前推力，随着速度的增加，采用升力体的机身产生升力，两片桨叶向后收起，以降低阻力，最后实现高速飞行。

升力体设计的思想是由美国艾格尔斯和阿伦两位科学家于1957年在美国航空航天局(NASA)艾姆斯研究中心从事弹道导弹再入问题研究时偶然发现的。试验中，艾格尔斯注意到钝头锥形体耗散再入能量的速度要比尖头锥体快。更重要的是，他观察到锥形体上表面的平坦部分在穿过地球大气时可以产生升力，并增加气动稳定性。这一发现意味着，至少从理论上讲，可以造出一种无翼飞行器—它可以飞到太空，能承受再入时的气动加热，也能像普通飞机一样在空气中滑翔并有控着陆—升力体式飞行器方案由此诞生了。随后，NASA进行了X24、X33、X38等一系列升力体飞行器的试验研究。
俄罗斯也很早就展开了对升力体飞行器的研究，在上个世纪70年代，米格设计局曾经制造过米格-105升力体验证飞行器。本世纪初，俄罗斯“埃金皮”航空股份公司设计了一种飞碟状升力体航空器，已经在萨拉托夫飞机工厂试制。2004年，俄罗斯透露了新一代航天器“快船号”计划，采用的也是升力体方案。
目前看来，卡-90还处于概念设计阶段，其涡轮发动机带动旋翼、舵面偏转推力转向和机身升力体设计功效，能否达到预想的效果还有待进一步验证。
Mi-X1和Mi-MPBK

作为俄罗斯另一大直升机巨头，米里设计局自然不甘人后，也带来他们的新概念直升机Mi-X1运输直升机和Mi-MPBK无人直升机。两者采用采用的技术不像卡莫夫兄弟俩那样激进，而是比较保守。其仅仅是对传统直升机的尾桨做了改进，采用了类似美国皮亚塞茨基（Piasecki）飞机公司X-49A速度鹰的矢量推力涵道螺旋桨推进器(VTDP)技术。但没有像X-49A那样加装升力机翼。我们在这里再一次看到了美国技术的影子。
X-49A“速度鹰”是以西科斯基公司的H-60通用直升机为基础研制的，研制工作由海军负责。根据海军航空系统司令部 (NAVAIR)2000年授予的先期技术演示(ATD)合同，皮亚塞茨基飞机公司开始了X-49A“速度鹰”的研制工作，在四年内完成采用矢量推力涵道螺旋桨 （VTDP）技术的组合式直升机的设计、制造和试飞，合同价值2610万美元的。此项研究最初的目标是演示验证先进的复合直升机技术，该技术可以大幅提高现役直升机(包括美海军和空军正在使用的UH-60“黑鹰”直升机)的速度、航程和生存能力，并且降低维护成本。
矢量推力涵道螺旋桨（VTDP）技术在是在现有直升机的基础上加装了带有襟副翼的升力机翼和可调推力矢量涵道推进器。升力机翼可以在前向飞行时提供所需要的部分升力，减轻了旋翼的负担，使得浆叶失速不再成为问题。上面装有的襟副翼在增升的同时还能够起到一定的控制作用。涵道推进器可代替常规的直升机尾桨，能够产生水平推力，形成反转力矩和转向控制，从而提高直升机的速度。尾部涵道直径2.44米，有5片桨叶。与常规的尾桨叶相比，这种结构的振动更小，维修费用也更低。VTDP与升力机翼相结合，可使直升机具有更高的飞行速度和更大的起飞重量, 皮亚塞茨基公司的官员相信，经过改装后的 H-60系列直升机的速度可以提高50%，作战半径可以提高130%。X-49A“速度鹰”起降时的动力装置工作方法与常规直升机没有什么不同，但是在利用VTDP产生推进力和为固定翼面提供升力时，X-49A的动力功率分配和控制方式则更加类似旋翼机的飞行原理。X-49A“速度鹰”的不足之处在于重量增大了，现有的VTDP系统会增加726千克飞机空重，需要更大的悬停动力。X-49A“速度鹰”相对于高风险的V-22和不成熟的X-2的最大优势就是便宜和低风险，可以方便利用现有直升机的机体进行改装，无论是在研制还是装备、维护方面都对用户有着很大的吸引力。它寄托着美国陆、海、空三军对高速直升机的希望。
X-49A“速度鹰”已经 在2007年6月30日进行了首飞。X-49A在首飞的15分钟里进行了基础的悬停、转弯和低速度下的前飞和侧飞，成功证明了使用VTDP可以提供有效的配平能力，在取消尾桨后的抗扭矩和方向控制方面以可以满足安全使用的要求。
Mi-X1和Mi-MPBK所采用的类似VTDP技术，其原理应该和X-49A“速度鹰”一样，但是它没有采用X-49A“速度鹰”上的升力机翼，没有增升作用，旋翼的负担依然较重，也缺少升力机翼的襟副翼能增加操控性能和机动能力的优点。但由于它们一个是大型运输直升机，一个是无人侦察直升机，对飞行速度和机动能力要求并不太高，不另行增加升力机翼并没有太大影响。反而可以避免升力机翼所带来的结构重量增加，旋翼下洗气流对升力机翼的影响等一系列技术难题，不失为一个稳妥的办法。
值得一提的是，Mi-MPBK无人侦察直升机采用了我们在F-22和RAH-66等美国隐身战机上经常看见的菱形机身，说明该无人侦察直升机进行了气动隐身一体化设计，再加上无人直升机较小的体积，其应该具有非常良好的隐身效果。它也是俄罗斯目前第一款隐身直升机。
结束语
近几十年来，国际上新概念直升机层出不穷，其中一些类型经过不懈的努力，已经到了开花结果的时候。但是，至今没有看见国人在此领域有所建树。创新，是一个民族的力量之源，我们不能总是跟在别人后面，亦步亦趋，那样就永远落后于人，没有超越的机会。希望我们大家一起努力，早日让中国人设计创造的新概念直升机翱翔蓝天。俄罗斯的新概念直升机

俄罗斯于5月15日至17日在莫斯科举办了首届“HeliRussia-2008”国际直升机展览会。在这届展会上，俄罗斯各直升机研发单位在会上展出了三类外形比较“独特”的直升机模型。它们分别是卡莫夫设计局的卡-90，卡-92和米里设计局的Mi-X1及Mi-MPBK。
卡-92

第一眼看到卡-92，大家也许觉得有些眼熟。对了，它与美国西科斯基公司今年要马上试飞的X2验证机的构型如出一辙。只不过美国西科斯基的X-2还是双座的技术验证机，而俄罗斯卡莫夫展出的卡-92已经是可载数十人的大型运输直升机的模型了。这一次，俄罗斯又和美国重现冷战时的游戏，你有什么东西，我立即跟进，也推出类似的东西，“X2斯基”卡-92诞生了。

这种复合式新概念直升机的主要特点就是采用了西科斯基研究的所谓ABC（Advancing Blade Concept前行桨叶概念）刚性旋翼技术。
我们先了解一下一般的直升机旋翼：其桨叶通过水平铰、垂直铰和轴向铰（也称变距铰）与桨毂柔性连接组成。直升机在做悬停，垂直起降时，桨叶表面任意一点的相对气流速度就是这点的周向速度,并且在旋转平面内左右两边桨叶对称点的相对气流速度是相同的。但直升机在前飞时，桨叶表面任意一点在旋转一周中，其相对气流速度的大小和方向都是不一样的。在旋转方向和气流方向相反的半周，相对气流速度等于周向速度与飞行速度的矢量和，此时的桨叶称为前行桨叶；当桨叶旋转到旋转方向和气流方向相同的半周，相对气流速度等于周向速度与飞行速度的矢量差，此时的桨叶称为后行桨叶。如图所示。

直升机要开始前飞，就前推驾驶杆，自动倾斜器向前倾斜，旋翼也就向前倾斜，旋翼产生的升力有了一个水平方向的分量，就可以前飞了。要想增加直升机飞行速度，就必须增加旋翼的旋转速度，以增加更多的水平拉力。但是，随着旋翼的旋转速度不断增大，前行桨叶的桨尖速度接近甚至超过音速时，该桨尖处的空气被压缩，堆积在桨叶前面，人们称之为激波，这种激波会产生极大的阻力，这就是所谓激波失速。同样，在后行桨叶的桨根部分还会出现气流从桨叶的后缘向前缘的反流区。由于后行桨叶气流相对速度减小，为保持升力与前行桨叶相同，就必须增加后行桨叶偏转角度（桨距），但是与固定翼飞机的机翼仰角一样，桨距过大，气流就会从桨叶前缘开始分离，在桨叶后缘形成一个很大的涡流区，产生很大的阻力，导致桨叶升力突然巨幅下降，这称之为气流分离失速。因此，旋翼的前行桨叶的激波失速和后行桨叶的气流分离失速，就是直升机平飞速度落后于固定翼飞机主要症结。
而所谓ABC刚性旋翼，就是采用两副尺寸完全相同，但旋转方向相反的共轴式刚性旋翼，它取消了普通旋翼中桨叶用来柔性连接桨毂的水平铰、垂直铰，只保留变距铰。在飞行过程中，共轴式刚性旋翼只负责产生升力无须产生前飞拉力，前飞拉力由辅助推进装置产生（X2和卡-92都是尾部螺旋桨），因而也无须复杂的自动倾斜器。当直升机前飞速度不断增大时，后行桨叶进行卸载，升力逐渐转移到前行桨叶上，使前行桨叶处于高动压流场中，能很好地发挥作用。后行桨叶卸载后，桨距不用很大，故不易产生气流分离失速。另外，前行桨叶和后行桨叶升力不对称的翻转力矩，正好由上下两副旋转方向相反的旋翼相互抵消，保持升力平衡。这样旋翼的气动效率大大提高。由于刚性桨叶没有挥舞，上下旋翼可以离得很近，而没有碰撞的危险。差动式地加减上下旋翼的桨距以形成扭力差不仅形成水平方向上的转向，还由于刚性旋翼非对称升力造成横滚，进一步加速转弯过程，所以采用的ABC刚性旋翼的直升机具有异乎寻常的机动性，大大超过常规直升机。
这里要指出的是，俄罗斯卡莫夫设计局虽然是以研制共轴式双旋翼直升机而著名，但其产品都还是属于普通旋翼，其效率不是很高，并且出现了在高机动动作时，上下旋翼相撞而机毁人亡的事故。这一次卡莫夫也推出采用类似ABC刚性旋翼的卡-92，不知道西科斯基会不会向卡莫夫收取版权费用？
还要提到的是，西科斯基的X2采用了为RAH-66"科曼奇"直升机项目研制的复合材料旋翼系统和先进传动设计，以及原来Cypher无人机项目的电传操纵技术。目前还不清楚卡莫夫的卡-92是否采用复合材料旋翼和电传操纵技术。但是和X2一样，卡-92也还必须解决减速器和离合器的设计难点。因为在平飞时，发动机的部分动力将通过减速器减速后用离合器接通尾传动轴传递给尾部的螺旋桨，在进行悬停和垂直飞行时，离合器就要断开尾传动轴使尾部的螺旋桨失去动力从而停止转动。而尾部螺旋桨所需的减速比与旋翼所需的减速比是不一样的。并且在这个过程中，功率损失要尽可能的少，离合器损耗要尽可能的低。美国在Cypher II“龙武士”的试验飞行中，就出现了离合器损耗过高的问题。
卡-90

从模型上看，卡-90也是一种复合式新概念直升机。其顶部安装有两片桨叶的旋翼，尾部有一台涡轮发动机，在涡轮发动机喷管后方还安有一片和下垂直尾翼连为一体的舵面。目前还不清楚，旋翼动力是也由涡轮发动机带动，还是有单独的动力装置，相信从重量方面考虑，采用由涡轮发动机带动的可能性很大。这就需要解决涡轮发动机带动旋翼的问题。我们知道F-35垂直起降战斗机，就是采用一台涡扇发动机通过离合器、传动轴驱使升力风扇高速转动产生升力，也许卡-90也是采用这样的设计，这也是这种构型的新概念直升机的一大技术难点。
通过示意图，我们可以看出，在垂直起降状态，和普通直升机一样，卡-90两片桨叶旋转产生升力，而反扭矩估计则由涡轮发动机通过喷管后方的舵面偏转来提供。进入平飞阶段，则由涡轮发动机提供向前推力，随着速度的增加，采用升力体的机身产生升力，两片桨叶向后收起，以降低阻力，最后实现高速飞行。

升力体设计的思想是由美国艾格尔斯和阿伦两位科学家于1957年在美国航空航天局(NASA)艾姆斯研究中心从事弹道导弹再入问题研究时偶然发现的。试验中，艾格尔斯注意到钝头锥形体耗散再入能量的速度要比尖头锥体快。更重要的是，他观察到锥形体上表面的平坦部分在穿过地球大气时可以产生升力，并增加气动稳定性。这一发现意味着，至少从理论上讲，可以造出一种无翼飞行器—它可以飞到太空，能承受再入时的气动加热，也能像普通飞机一样在空气中滑翔并有控着陆—升力体式飞行器方案由此诞生了。随后，NASA进行了X24、X33、X38等一系列升力体飞行器的试验研究。
俄罗斯也很早就展开了对升力体飞行器的研究，在上个世纪70年代，米格设计局曾经制造过米格-105升力体验证飞行器。本世纪初，俄罗斯“埃金皮”航空股份公司设计了一种飞碟状升力体航空器，已经在萨拉托夫飞机工厂试制。2004年，俄罗斯透露了新一代航天器“快船号”计划，采用的也是升力体方案。
目前看来，卡-90还处于概念设计阶段，其涡轮发动机带动旋翼、舵面偏转推力转向和机身升力体设计功效，能否达到预想的效果还有待进一步验证。
Mi-X1和Mi-MPBK

作为俄罗斯另一大直升机巨头，米里设计局自然不甘人后，也带来他们的新概念直升机Mi-X1运输直升机和Mi-MPBK无人直升机。两者采用采用的技术不像卡莫夫兄弟俩那样激进，而是比较保守。其仅仅是对传统直升机的尾桨做了改进，采用了类似美国皮亚塞茨基（Piasecki）飞机公司X-49A速度鹰的矢量推力涵道螺旋桨推进器(VTDP)技术。但没有像X-49A那样加装升力机翼。我们在这里再一次看到了美国技术的影子。
X-49A“速度鹰”是以西科斯基公司的H-60通用直升机为基础研制的，研制工作由海军负责。根据海军航空系统司令部 (NAVAIR)2000年授予的先期技术演示(ATD)合同，皮亚塞茨基飞机公司开始了X-49A“速度鹰”的研制工作，在四年内完成采用矢量推力涵道螺旋桨 （VTDP）技术的组合式直升机的设计、制造和试飞，合同价值2610万美元的。此项研究最初的目标是演示验证先进的复合直升机技术，该技术可以大幅提高现役直升机(包括美海军和空军正在使用的UH-60“黑鹰”直升机)的速度、航程和生存能力，并且降低维护成本。
矢量推力涵道螺旋桨（VTDP）技术在是在现有直升机的基础上加装了带有襟副翼的升力机翼和可调推力矢量涵道推进器。升力机翼可以在前向飞行时提供所需要的部分升力，减轻了旋翼的负担，使得浆叶失速不再成为问题。上面装有的襟副翼在增升的同时还能够起到一定的控制作用。涵道推进器可代替常规的直升机尾桨，能够产生水平推力，形成反转力矩和转向控制，从而提高直升机的速度。尾部涵道直径2.44米，有5片桨叶。与常规的尾桨叶相比，这种结构的振动更小，维修费用也更低。VTDP与升力机翼相结合，可使直升机具有更高的飞行速度和更大的起飞重量, 皮亚塞茨基公司的官员相信，经过改装后的 H-60系列直升机的速度可以提高50%，作战半径可以提高130%。X-49A“速度鹰”起降时的动力装置工作方法与常规直升机没有什么不同，但是在利用VTDP产生推进力和为固定翼面提供升力时，X-49A的动力功率分配和控制方式则更加类似旋翼机的飞行原理。X-49A“速度鹰”的不足之处在于重量增大了，现有的VTDP系统会增加726千克飞机空重，需要更大的悬停动力。X-49A“速度鹰”相对于高风险的V-22和不成熟的X-2的最大优势就是便宜和低风险，可以方便利用现有直升机的机体进行改装，无论是在研制还是装备、维护方面都对用户有着很大的吸引力。它寄托着美国陆、海、空三军对高速直升机的希望。
X-49A“速度鹰”已经 在2007年6月30日进行了首飞。X-49A在首飞的15分钟里进行了基础的悬停、转弯和低速度下的前飞和侧飞，成功证明了使用VTDP可以提供有效的配平能力，在取消尾桨后的抗扭矩和方向控制方面以可以满足安全使用的要求。
Mi-X1和Mi-MPBK所采用的类似VTDP技术，其原理应该和X-49A“速度鹰”一样，但是它没有采用X-49A“速度鹰”上的升力机翼，没有增升作用，旋翼的负担依然较重，也缺少升力机翼的襟副翼能增加操控性能和机动能力的优点。但由于它们一个是大型运输直升机，一个是无人侦察直升机，对飞行速度和机动能力要求并不太高，不另行增加升力机翼并没有太大影响。反而可以避免升力机翼所带来的结构重量增加，旋翼下洗气流对升力机翼的影响等一系列技术难题，不失为一个稳妥的办法。
值得一提的是，Mi-MPBK无人侦察直升机采用了我们在F-22和RAH-66等美国隐身战机上经常看见的菱形机身，说明该无人侦察直升机进行了气动隐身一体化设计，再加上无人直升机较小的体积，其应该具有非常良好的隐身效果。它也是俄罗斯目前第一款隐身直升机。
结束语
近几十年来，国际上新概念直升机层出不穷，其中一些类型经过不懈的努力，已经到了开花结果的时候。但是，至今没有看见国人在此领域有所建树。创新，是一个民族的力量之源，我们不能总是跟在别人后面，亦步亦趋，那样就永远落后于人，没有超越的机会。希望我们大家一起努力，早日让中国人设计创造的新概念直升机翱翔蓝天。