【新科技知识干部读本】复合推力高速直升机和倾转旋翼机是直升机未来发展方向

2016年7月的范堡罗国际航展展示了美国V-280倾转旋翼机的概念模型与概念影片。V-280倾转旋翼机是贝尔直升机公司和洛马公司联合研制的下一代倾转旋翼机，是为美国陆军“未来垂直起降飞行器（FVL）计划”专门打造的机型。这一款旋翼机将可以轻松达到518千米/时的高航速，比UH-60“黑鹰”直升机294千米/时要快上许多。此外，采用复合推力构型的高速直升机S-97也于2015年5月完成首飞，目前正在进行飞行试验。因此可以看出，以倾转旋翼机和复合推力高速直升机为代表的高速旋翼机技术将是未来直升机的发展方向，世界各直升机工业强国都在这一领域投入巨大。

复合推力高速直升机是采用刚性桨叶共轴双旋翼加推进螺旋桨构型的直升机。该构型机具备常规直升机的优点，如垂直起降、空中悬停、高机动飞行等，而飞行速度则高出50%以上。该构型机结构紧凑且通用性好，适合用于武装攻击、侦察和特种作战，以及民用领域抢险救灾、巡线、吊装等。

倾转旋翼机是在类似固定翼飞机机翼的翼尖处，装置可在水平位置与垂直位置之间转动的旋翼倾转系统组件，旋翼轴垂直地面时旋翼提供升力，实现垂直起降、空中悬停；在飞行达到一定速度后，旋翼轴可向前倾转90度角，旋翼当作拉力螺旋桨使用，旋翼机像固定翼飞机一样以较高的速度作远程飞行。该构型机具有速度快、航程远、载重量大、座舱振动和噪声小、运输成本低等特点，特别适合人员和物资的点到点运输。

复合推力高速直升机和倾转旋翼机是军民两用的高技术产品，从两条不同的技术途径解决了一直困扰常规直升机受旋翼前行桨叶激波失速和后行桨叶气流分离的限制，难以提高飞行速度的难题，极大地满足了军民两用市场对既具有垂直起降和空中悬停能力又具有较大飞行速度的航空器的需求。

复合推力高速直升机发展由来已久，但真正开始走向实用还是最近几年。2008年8月，美国西科斯基飞机公司X2技术验证机完成首飞，并最终在2010年9月达到了462千米/时的速度目标。

2010年9月， 西科斯基公司在X2基础上，启动了S-97直升机的研制工作。该机继承了X2机型验证的一系列新技术，采用刚性桨叶共轴双旋翼、推进螺旋桨布局。S-97于2015年5月成功首飞，飞行试验计划1.5年完成，设定3个主要验证目标：在满载武器状态下达到417千米/时飞行速度；最大飞行速度飞行时达到3g转弯过载；将旋翼悬停效率提高到0.8左右。

2010年9月，空客直升机公司高速直升机验证机X3开始在法国试飞，2013年试飞速度达到472千米/时。X3使用了现有产品的机身、主旋翼及主减速器等许多部件，还算不上真正意义上新设计的高速直升机。2015年12月，俄罗斯高速直升机飞行试验机完成首飞，该试验机是在米-24K直升机基础上研制的，主要用于验证未来高速直升机的旋翼系统。总体来讲，欧盟和俄罗斯都看好高速直升机的未来发展，但受技术与财力等方面的限制，发展速度已远落后于美国。

X3 型直升机（来源：新华社）

美国贝尔直升机公司研制倾转旋翼机技术已有60多年的历史，它从20世纪40年代末期就开始了这项技术的研究工作。1951年开始研制XV-3倾转旋翼实验机，1955年8月首飞。该公司还先后研制了X-22A、XC-124A、CL-84等验证机，由于受技术发展水平限制等原因均失败，但经过不懈努力，终于在1977年5月成功将XV-15验证机送上了蓝天，为V-22“鱼鹰”的研制迈出了坚实的一步。

V-22“鱼鹰”倾转旋翼机（来源：新华社）

V-22“鱼鹰”是世界上第一种投入使用的倾转旋翼 机，于1989年9月完成首飞，现已大批量装备美国部队，最大飞行速度达638千米/时，航程可达3893千米。2014—2015年，美国海军陆战队对已服役的“鱼鹰”进行了多次武器发射、空中加油等试验验证，以进一步拓展其作战任务。2015年2月演习中，海军陆战队5架“鱼鹰”长途飞行了4077千米，首次与KC-10加油机配合完成了空中加油，证明了“鱼鹰”能为远程作战提供支持，展现出覆盖整个太平洋的作战能力。2015年7月，美国国防部公布了向日本出售5架V-22“鱼鹰”倾转旋翼机的军贸合同，价值3.32亿美元，这是美国第一次向别国出售V-22。美国在日本部署大量的“鱼鹰”及日本采购该机，对我国国家安全形成了一定威胁。

2015年5月，阿古斯塔·韦斯特兰公司研制的民用倾转旋翼机AW609进入取证试飞阶段，完成取证后即可投放市场。2015年9月，AW609创造了一项1000千米航程纪录，从英格兰东南部垂直起飞，历时2小时18分飞行1161千米，到达意大利米兰。该机机翼下加挂副油箱，航程能扩展到2037千米，或搭载6名乘客在3小时内飞行1482千米。

由于倾转旋翼机座舱噪声和振动水平低，可以做得较大，但悬停性能较低，更适合于运输等任务。复合高速直升机完全继承了常规直升机的悬停及机动性能，通过改变机身尺寸，可派生出武装型、运输型等多种军民用型号。因此，两种构型在美国都得到重视，并有加速发展之势。

如2014年8月，美国陆军在“联合多任务旋翼机”项目中，正式授出验证机研制合同，西科斯基—波音联合小组基于X2技术的SB-1共轴双旋翼加推进螺旋桨高速直升机和贝尔V-280倾转旋翼机方案赢得竞标。美国陆军计划在2020年前完成全部验证和评审，并选择一个方案开展工程研制，预计2028年前后交付部队使用。

我国对复合推力高速直升机和倾转旋翼机两种构型的原理及相关技术进行了初步探索，开展了相关的实验室模型试验，但总体来看还刚刚起步，技术储备严重不足，与美国差距巨大，与欧洲也有较大差距。今后，我国须加快解决复合推力高速直升机旋翼、传动、飞行控制、振动控制等技术难题，以及倾转旋翼机的旋翼—机翼气动干扰、旋翼倾转过程中的气动特性分析、结构设计、动力学、飞行力学与控制等技术问题，进行技术集成验证，并适时开展产品开发，否则与美国等的差距会越拉越大。

由于复合推力高速直升机S-97和民用倾转旋翼机AW609都还处于试验试飞阶段，还未取得适航证，投放市场应用还需一段时间。但是它们都采用全新的构型思路来设计旋翼和总体布局，设计思想已突破了常规直升机范畴，是直升机技术突破性、跨越性的发展，是直升机行业带有革命性的一项高新技术，对经济、技术、军事都将产生巨大影响。发展这两型产品对我国的重要意义在于：可带动我国运输、旅游、通用航空等相关产业的发展及升级；促进我国直升机技术水平提高，抢占直升机高技术制高点；全面提升我国警用巡逻/执法、应急救援等能力，支持我国社会安全保障体系及应急救援体系建设；提高我国旅客和公务运输交通运输能力，特别是边远地区的运输能力，打造高效的交通运输体系；促进直升机军民融合式发展。

总之，复合推力高速直升机和倾转旋翼机以其优异的性能、良好的拓展性、宽广的用途，将会在未来直升机市场中占据非常重要的位置，在国民经济建设和国防建设的各个方面都将发挥非常重要的作用，其技术、经济、军事价值及社会效益不可估量，对我国的技术和产业带动作用巨大。

复合推力高速直升机和倾转旋翼机的未来发展趋势主要如下。

欧美等对正在研制的S-97高速直升机和AW609民用倾转旋翼机加快试验试飞验证，取得适航证，尽快投入民用市场，并期待进入军用市场。

美国海军2015年4月拟定了V-22中期升级计划，将在2020年后重点对V-22整个机翼和短舱结构、电子系统进行改进升级。同时，该机加装武器、空中加油等各种应用试验也正在进行，以期不断扩大其用途。

2014年8月，美国陆军完成“联合多任务旋翼机”（JMR）项目的验证机方案初始设计评审。JMR项目是美国陆军当前唯一的新机研制项目，计划研制高速旋翼机系列，替换UH-60“黑鹰”、AH-64“阿帕奇”、OH-58 “基奥瓦”等现役直升机。陆军对JMR项目提出的跨越性技术指标是：35℃、1828米海拔高度平飞速度达到426千米/时；作战半径达到约420千米。

当前在研的高速旋翼机技术将在2025年前后应用在产品上，并在2030年后开始广泛使用。届时，以美军等为代表的军队都将开始换装高速旋翼机，民机市场上也将出现多个高速旋翼机产品。美国国家航空航天局“亚声速旋翼机”研究项目，为未来能搭载90名乘客、巡航速度 556千米/时、航程不低于1852千米的旋翼机储备技术，目前主要集中在构型优化、关键子系统技术研发，已开始缩比模型风洞试验。欧洲也计划启动第二代高速旋翼机技术预研，并可能优先考虑民用领域的应用，如空客正研究X6、X9等高速直升机。

总之，高速旋翼机将成为未来发展重点。美国国防科学委员会认为，高速旋翼机将成为未来保持美国军事优势、能够从经济成本和技术优势两方面给对手施加压力的关键装备，并建议作为未来优先发展的技术，增加投资和研发力度。同时，高速旋翼机也是改变人们出行方式、构建高效运输体系和社会服务体系的重要产品。

复合推力高速直升机由于采用共轴式刚性双旋翼，并带有推进螺旋桨，其结构、气动、控制等技术比一般常规直升机复杂得多。该构型机的技术难点主要有：刚性前行桨叶双旋翼技术复杂，须克服旋翼系统刚度不足、振动水平过高等难题；旋翼传给机身振动载荷大，须采用技术难度较大的振动主动控制技术减振；传动系统工作环境复杂，重量控制困难；桨毂结构复杂，迎风面积大，高速飞行气动阻力大，减阻难度很大；飞行控制系统结构复杂，飞行控制律设计困难等。

倾转旋翼机因既有旋翼又有机翼，并且要实现旋翼在垂直位置与水平位置间相互倾转，因此不仅综合了直升机和涡轮螺旋桨飞机的技术难题，而且还具有旋翼倾转过程中独有的许多技术难点，其结构、气动、控制等技术比一般飞机或直升机复杂得多。倾转旋翼的技术难点主要有：旋翼—机翼的气动干扰对有效载荷影响大，须建立合理的高精度旋翼尾流与机翼相结合的模型研究解决；旋翼倾转过程中的非定常气动特性复杂，现仍未完全研究清楚；倾转旋翼机的结构设计须仔细权衡，旋翼以直升机模式飞行时要产生升力，以飞机模式飞行时旋翼又要产生推进力，使旋翼达到较理想的设计效果非常困难；倾转旋翼机的动力学耦合问题多，倾转旋翼机飞行力学分析和飞控设计与验证难度大等。目前倾转旋翼机技术已趋于成熟，但旋翼倾转过程中的非定常气动问题仍未完全研究清楚。

有专家认为：复合推力高速直升机在军用、民用方面都具备很大的应用潜力，该构型具备常规直升机的几乎一切优点，如空中悬停、高机动性、贴地飞行能力、垂直起降等，而其速度、航程则比常规直升机大得多，布局结构也相对紧凑很多。因此，其能够更有效地执行常规构型直升机承担的任务，是未来直升机发展的主要方向之一。倾转旋翼机克服了常规直升机速度慢的缺点，并兼有常规直升机和固定翼飞机的优点，必将得到越来越广泛的应用。但倾转旋翼机在低速飞行时的效率不如常规直升机，因此不可能完全取代常规直升机。今后相当长的一段时期，倾转旋翼机会得到越来越快的发展，并将出现倾转旋翼机等新概念直升机与常规直升机共同发展的局面。

但也有部分专家认为，倾转旋翼机技术难度太大，美国经过了几十年的发展才取得现有成就，并且在研究过程中发生过多起机毁人亡事故，人们对旋翼倾转过程中的非定常气动问题没有完全研究清楚，研究风险比较大。