随着新技术的成熟,未来直升机的应用规模可能出现爆发式增长。我国需借鉴国外发展战略,紧跟直升机技术发展趋势,提前布局研究,推动国内直升机技术进步与发展。
民用直升机是低空通航体系和国家救援体系的核心要素。由于具有垂直起降、空中悬停、超低空贴地飞行等其他航空器所不具备的特点,直升机在应急救援体系中发挥着不可替代的作用。同时,国内私人航空市场方兴未艾,海上油气服务、搜救和紧急医疗服务、警务执法和通航应用等民用直升机应用需求增长明显,民用无人直升机市场需求呈现井喷式发展。
民用直升机技术发展方向
直升机从20世纪30年代中期,真正投入使用,经过几十年的发展,常规单旋翼带尾桨构型直升机技术逐渐成熟。在此期间,除常规构型外,国外航空强国对包括倾转旋翼、共轴带尾推、停转旋翼等在内的多种构型开展了探索研究。波音公司研究认为,直升机发展至今,并非新构型在发展,而是技术的成熟促进了各种已有构型的实用化。据此背景,欧洲、美国等航空强国结合民用市场需求,分析了直升机技术未来的发展方向,提出了直升机技术未来发展的战略方向。
欧洲
以更经济、更清洁、更安全和更可靠为方向,从提升全生命周期的经济性、拓展飞行包线、提高舒适性和提高可维护性四个方面,提出了未来直升机技术的发展目标,并提出了需要持续提升的直升机技术。
欧洲2025年直升机技术发展目标
直升机噪声水平在ICAO限制基础上降低10EPNdB,比现有直升机降低50% ;
机身振动水平低于0.05g,舱内噪声水平低于70dBA,直升机的舒适性与固定翼飞机相当;
飞行速度提高到400km/h以上,燃油消耗降低30%,空机重量降低20% ;
在极端气象条件和低能见度下,可进行常规飞行;
通过提升飞行性能和操纵可靠性,提高安全性;
降低研发和制造成本30~50% ;
降低维护费用30%,降低使用费用50%。
欧洲2025年直升机技术发展方向
旋翼技术:旋翼气动、噪声机理,旋翼气动、结构设计技术,主动控制技术,动力推进系统技术,集成验证;
驾驶舱及其系统:驾驶舱振动抑制技术,舱内噪声控制技术,环控系统技术,机体结构优化技术,结构抗疲劳、腐蚀设计技术;
航电系统:座舱显示技术,导航辅助系统,综合视景系统,飞行辅助系统,飞行任务管理系统,飞行系统集成验证;
飞控系统:光传飞控技术,极端环境飞控/ 导航技术,人机界面集成设计技术,高置信度数字控制系统,自动驾驶系统,无忧操纵系统,自主飞行模拟技术;
虚拟直升机:直升机初步设计技术,直升机飞行模拟技术,直升机精确气动分析技术,直升机总体数据库研究,直升机图形显示技术。
在此框架下,欧盟于2007年提出“洁净天空”计划,旨在通过引领航空新技术研发,减少CO2和有害气体排放,降低噪声,实现航空业的绿色发展。研究包括绿色旋翼机(GRC),目标为:
(1)对采用涡轴或柴油发动机的旋翼机,每次任务的CO2 排放量降低25%~ 40% ;
(2)地面接收噪声降低10EPNdB(可感噪声分贝数),或降低50% 的噪声影响面积;
(3)保护人体健康和环境,免受有害化学物质的影响。
2014年,欧盟继续启动“洁净天空2” (CS2),具体目标包括:
(1)提高飞行器燃料使用效率,降低20%~30%的CO2排放;
(2)与2014年开始服役的飞行器相比,NOx和噪声排放降低20%~30%。
CS2包括高速旋翼机(FRC)研究,探索复合推力、倾转旋翼两种构型旋翼机高速飞行的特性,以支持未来欧洲出行的终极愿景——在欧洲全境内,实现4h内的门到门交通。实际上,欧洲对下一代高速倾转旋翼机的研究早已开始,研究项目包括“EuroTilt”、“EuroFa”、“Erica”、“Nicetrip”和“2gether”等,取得了众多有价值的成果,但都没有进入到实质的产品研发阶段。FRC所支持的倾转旋翼机研究在此基础上进行。同时,FRC作为CS2的一部分,也特别强调了排放和噪声问题。
美国
美国在2010年颁布的《国家航空研究及发展计划》中针对直升机技术发展也提出了经济增长、航空安全、能源利用等方面的要求,并制定了具体目的和目标,包括在空中机动性方面,要求研制新概念直升机以满足垂直/ 短距起降的运输飞行器需求;在国家安全和国土防卫方面,要求提升直升机的载重、航程和任务能力;在环境保护要求中,要求研制低噪声的先进直升机或混合式直升机等。
美国未来直升机技术发展目标:
推重比提高70% ;
主减速器噪声降低20dB ;
旋翼振动载荷降低30% ;
直升机前飞效率提高10% ;
直升机悬停效率增加10% ;
对直升机噪声降低50%的技术进行验证。
从欧洲、美国等航空强国的直升机技术发展规划可以看出,民用直升机技术发展方向包括减阻降噪等常规构型能力提升技术、绿色旋翼机技术和高速旋翼机技术等。
展望和思考
从常规构型能力提升技术来看,世界各国均致力于发展减振、降噪、减排等技术,相关标准不断提高。随着技术水平进步,未来有可能推动民用直升机适航规章中相应标准的提升。我国民用直升机发动机技术、减振降噪设计技术相对落后,振动、噪声、排放水平较高。若不能实现技术突破,未来在国际竞争中处于劣势地位,并面临着难以进入国际市场的窘局。
从绿色旋翼机技术方面来看,当前技术瓶颈为动力电池技术。绿色旋翼机对能源系统的要求包括高能量密度、低重量、高安全性等。据美国航空航天局研究,动力电池系统能量密度达到400Wh/kg,才能够用于实用的电动飞机。目前,成熟的动力电池系统能量密度在250Wh/kg 左右。韩国LG公司、英国Oixs公司、美国Sion Power公司等均宣布2025年量产能量密度超过400Wh/kg的动力电池系统。随着动力电池技术,以及电机、电控等技术的发展,未来全电/ 混电直升机、eVTOL等绿色旋翼机都具有实用化潜力,将广泛用于军民领域。现阶段,我国可着力发展更具现实意义的混动直升机技术,并同步开展全电直升机、eVTOL设计验证技术研究,待电动力技术成熟后,能够迅速转化为实用化的型号。
从高速旋翼机技术来看,倾转旋翼、共轴刚性旋翼和复合推力三种构型的特点各不相同。倾转旋翼构型相较于常规构型,在巡航阶段旋翼仅需提供向前拉力,飞行速度高、振动小、噪声低、经济性和舒适性较好,更适合作为运输机使用,以及医疗转运、长航程应急救援等场景。共轴刚性旋翼构型相较于常规构型,悬停性能、机动性优良,高原性能优秀,能够在更复杂的地形下垂直起降和作业等,更适合发展专用武装型,民用领域适用于应急救援
等作业空间受限场景。复合推力型目前仍处于技术验证阶段,利用现有成熟平台开展改装设计,可有效降低研发成本,在常规构型基础上大幅提升飞行速度。随着高速旋翼机技术发展,未来不同构型可能同步发展,满足差异化需求。但应当看到,贝尔、西科斯基等公司虽技术雄厚,仍经历了半个多世纪,才实现了高速旋翼机的型号发展。我国需提前投入研究,增加技术积累,在未来研制出符合我国国情和市场需求的高速旋翼机产品。
总的来说,直升机技术朝节能、降噪、减振、高速、绿色的方向发展的趋势已经形成,国外同行已开展大量研究,新技术发展速度不断加快,未来前景十分广阔。我们相信,随着新技术成熟,未来直升机的应用规模可能出现爆发式增长,在民用领域发挥更重要的作用。我国在相关技术方面与国外存在一定差距,亟需针对不足之处,紧跟直升机技术发展趋势,提前布局研究,推动国内直升机技术进步,在未来竞争中掌握核心技术。