隨著新技術的成熟,未來直升機的應用規模可能出現爆發式增長。我國需借鑒國外發展戰略,緊跟直升機技術發展趨勢,提前布局研究,推動國內直升機技術進步與發展。
民用直升機是低空通航體系和國家救援體系的核心要素。由于具有垂直起降、空中懸停、超低空貼地飛行等其他航空器所不具備的特點,直升機在應急救援體系中發揮著不可替代的作用。同時,國內私人航空市場方興未艾,海上油氣服務、搜救和緊急醫療服務、警務執法和通航應用等民用直升機應用需求增長明顯,民用無人直升機市場需求呈現井噴式發展。
民用直升機技術發展方向
直升機從20世紀30年代中期,真正投入使用,經過幾十年的發展,常規單旋翼帶尾槳構型直升機技術逐漸成熟。在此期間,除常規構型外,國外航空強國對包括傾轉旋翼、共軸帶尾推、停轉旋翼等在內的多種構型開展了探索研究。波音公司研究認為,直升機發展至今,并非新構型在發展,而是技術的成熟促進了各種已有構型的實用化。據此背景,歐洲、美國等航空強國結合民用市場需求,分析了直升機技術未來的發展方向,提出了直升機技術未來發展的戰略方向。
歐洲
以更經濟、更清潔、更安全和更可靠為方向,從提升全生命周期的經濟性、拓展飛行包線、提高舒適性和提高可維護性四個方面,提出了未來直升機技術的發展目標,并提出了需要持續提升的直升機技術。
歐洲2025年直升機技術發展目標
直升機噪聲水平在ICAO限制基礎上降低10EPNdB,比現有直升機降低50% ;
機身振動水平低于0.05g,艙內噪聲水平低于70dBA,直升機的舒適性與固定翼飛機相當;
飛行速度提高到400km/h以上,燃油消耗降低30%,空機重量降低20% ;
在極端氣象條件和低能見度下,可進行常規飛行;
通過提升飛行性能和操縱可靠性,提高安全性;
降低研發和制造成本30~50% ;
降低維護費用30%,降低使用費用50%。
歐洲2025年直升機技術發展方向
旋翼技術:旋翼氣動、噪聲機理,旋翼氣動、結構設計技術,主動控制技術,動力推進系統技術,集成驗證;
駕駛艙及其系統:駕駛艙振動抑制技術,艙內噪聲控制技術,環控系統技術,機體結構優化技術,結構抗疲勞、腐蝕設計技術;
航電系統:座艙顯示技術,導航輔助系統,綜合視景系統,飛行輔助系統,飛行任務管理系統,飛行系統集成驗證;
飛控系統:光傳飛控技術,極端環境飛控/ 導航技術,人機界面集成設計技術,高置信度數字控制系統,自動駕駛系統,無憂操縱系統,自主飛行模擬技術;
虛擬直升機:直升機初步設計技術,直升機飛行模擬技術,直升機精確氣動分析技術,直升機總體數據庫研究,直升機圖形顯示技術。
在此框架下,歐盟于2007年提出“潔凈天空”計劃,旨在通過引領航空新技術研發,減少CO2和有害氣體排放,降低噪聲,實現航空業的綠色發展。研究包括綠色旋翼機(GRC),目標為:
(1)對采用渦軸或柴油發動機的旋翼機,每次任務的CO2 排放量降低25%~ 40% ;
(2)地面接收噪聲降低10EPNdB(可感噪聲分貝數),或降低50% 的噪聲影響面積;
(3)保護人體健康和環境,免受有害化學物質的影響。
2014年,歐盟繼續啟動“潔凈天空2” (CS2),具體目標包括:
(1)提高飛行器燃料使用效率,降低20%~30%的CO2排放;
(2)與2014年開始服役的飛行器相比,NOx和噪聲排放降低20%~30%。
CS2包括高速旋翼機(FRC)研究,探索復合推力、傾轉旋翼兩種構型旋翼機高速飛行的特性,以支持未來歐洲出行的終極愿景——在歐洲全境內,實現4h內的門到門交通。實際上,歐洲對下一代高速傾轉旋翼機的研究早已開始,研究項目包括“EuroTilt”、“EuroFa”、“Erica”、“Nicetrip”和“2gether”等,取得了眾多有價值的成果,但都沒有進入到實質的產品研發階段。FRC所支持的傾轉旋翼機研究在此基礎上進行。同時,FRC作為CS2的一部分,也特別強調了排放和噪聲問題。
美國
美國在2010年頒布的《國家航空研究及發展計劃》中針對直升機技術發展也提出了經濟增長、航空安全、能源利用等方面的要求,并制定了具體目的和目標,包括在空中機動性方面,要求研制新概念直升機以滿足垂直/ 短距起降的運輸飛行器需求;在國家安全和國土防衛方面,要求提升直升機的載重、航程和任務能力;在環境保護要求中,要求研制低噪聲的先進直升機或混合式直升機等。
美國未來直升機技術發展目標:
推重比提高70% ;
主減速器噪聲降低20dB ;
旋翼振動載荷降低30% ;
直升機前飛效率提高10% ;
直升機懸停效率增加10% ;
對直升機噪聲降低50%的技術進行驗證。
從歐洲、美國等航空強國的直升機技術發展規劃可以看出,民用直升機技術發展方向包括減阻降噪等常規構型能力提升技術、綠色旋翼機技術和高速旋翼機技術等。
展望和思考
從常規構型能力提升技術來看,世界各國均致力于發展減振、降噪、減排等技術,相關標準不斷提高。隨著技術水平進步,未來有可能推動民用直升機適航規章中相應標準的提升。我國民用直升機發動機技術、減振降噪設計技術相對落后,振動、噪聲、排放水平較高。若不能實現技術突破,未來在國際競爭中處于劣勢地位,并面臨著難以進入國際市場的窘局。
從綠色旋翼機技術方面來看,當前技術瓶頸為動力電池技術。綠色旋翼機對能源系統的要求包括高能量密度、低重量、高安全性等。據美國航空航天局研究,動力電池系統能量密度達到400Wh/kg,才能夠用于實用的電動飛機。目前,成熟的動力電池系統能量密度在250Wh/kg 左右。韓國LG公司、英國Oixs公司、美國Sion Power公司等均宣布2025年量產能量密度超過400Wh/kg的動力電池系統。隨著動力電池技術,以及電機、電控等技術的發展,未來全電/ 混電直升機、eVTOL等綠色旋翼機都具有實用化潛力,將廣泛用于軍民領域。現階段,我國可著力發展更具現實意義的混動直升機技術,并同步開展全電直升機、eVTOL設計驗證技術研究,待電動力技術成熟后,能夠迅速轉化為實用化的型號。
從高速旋翼機技術來看,傾轉旋翼、共軸剛性旋翼和復合推力三種構型的特點各不相同。傾轉旋翼構型相較于常規構型,在巡航階段旋翼僅需提供向前拉力,飛行速度高、振動小、噪聲低、經濟性和舒適性較好,更適合作為運輸機使用,以及醫療轉運、長航程應急救援等場景。共軸剛性旋翼構型相較于常規構型,懸停性能、機動性優良,高原性能優秀,能夠在更復雜的地形下垂直起降和作業等,更適合發展專用武裝型,民用領域適用于應急救援
等作業空間受限場景。復合推力型目前仍處于技術驗證階段,利用現有成熟平臺開展改裝設計,可有效降低研發成本,在常規構型基礎上大幅提升飛行速度。隨著高速旋翼機技術發展,未來不同構型可能同步發展,滿足差異化需求。但應當看到,貝爾、西科斯基等公司雖技術雄厚,仍經歷了半個多世紀,才實現了高速旋翼機的型號發展。我國需提前投入研究,增加技術積累,在未來研制出符合我國國情和市場需求的高速旋翼機產品。
總的來說,直升機技術朝節能、降噪、減振、高速、綠色的方向發展的趨勢已經形成,國外同行已開展大量研究,新技術發展速度不斷加快,未來前景十分廣闊。我們相信,隨著新技術成熟,未來直升機的應用規模可能出現爆發式增長,在民用領域發揮更重要的作用。我國在相關技術方面與國外存在一定差距,亟需針對不足之處,緊跟直升機技術發展趨勢,提前布局研究,推動國內直升機技術進步,在未來競爭中掌握核心技術。