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直升机(飞行器类型)

直升机作为20世纪航空技术极具特色的创造之一,极大的拓展了飞行器的应用范围。直升机是典型的军民两用产品,可以广泛的应用在运输、巡逻、旅游、救护等多个领域。

直升机的最大时速可达300km/h以上,俯冲极限速度近400km/h,实用升限可达6000米(世界纪录为12450m),一般航程可达600~800km左右。携带机内、外副油箱转场航程可达2000km以上。根据不同的需要直升机有不同的起飞重量。当前世界上投入使用的重型直升机最大的是俄罗斯的米-26(最大起飞重量达56t,有效载荷20t)。当前实际应用的是机械驱动式的单旋翼直升机及双旋翼直升机,其中又以单旋翼直升机数量最多。

直升机的突出特点是可以做低空(离地面数米)、低速(从悬停开始)和机头方向不变的机动飞行,特别是可在小面积场地垂直起降。由于这些特点使其具有广阔的用途及发展前景。在军用方面已广泛应用于对地攻击、机降登陆、武器运送、后勤支援、战场救护、侦察巡逻、指挥控制、通信联络、反潜扫雷、电子对抗等。在民用方面应用于短途运输、医疗救护、救灾救生、紧急营救、吊装设备、地质勘探、护林灭火、空中摄影等。海上油井与基地间的人员及物资运输是民用的一个重要方面。

当前直升机相对固定翼飞机而言,振动和噪声较高、维护检修工作量较大、使用成本较高,速度较低,航程较短。直升机今后的发展方向就是在这些方面加以改进。

短距-垂直起降飞机的作战目标可不是常规作战飞机,其作战目标是超低空制空权控制和打击空中低速目标,负责随伴我直升机群,主要遂行反直升机和反无人机作战,兼顾对地近距战术支援的短距-垂直起降固定翼飞机尚无可替代。
  鱼鹰直升飞机可看做是短距-垂直起降固定翼飞机的变种或发展型,但目前尚待成熟还不能替代直升机和固定翼短距-垂直起降飞机。将来随航空技术发展,当能够用涡扇喷气发动机替代现在涡桨发动机时,就可以全面替代现今的使用涡轴、涡桨发动机的直升机和直升飞机。这就又回到固定翼垂直起降飞机的路子上,这种飞机是人类梦寐以求的,无论是军用还是民用需求巨大,特别是对我国多山地形而言用途广泛。

由于倾转旋翼机可以完全像固定翼飞机一样作为升力体平飞,没有S-97、“绝影”还要头顶一对巨大的旋翼增加阻力,它的速度和续航距离要远胜直升机预计“蓝鲸”未来的巡航时速达538公里,航程则可以超过3100公里。“蓝鲸”未来的商载可以达到20吨,与早期的运-8运输机相当。有如此给力的性能,无论军用还是民用,都行。
  “‘绝影’块头比较小,价格低廉,更机动灵活,适应突击运输、反潜搜救和侦察;而‘蓝鲸’庞大、稳定,飞得快又远,适合运输。”这两款科幻意味十足的新机型,有望成为我国未来高速垂直起降飞行器佼佼者。 [1]

直升机改进版的共享飞机是指德国创业企业E-volo公司日前披露了其双座电动垂直起降(VTOL)“空中出租车”的生产版本Volocopter2X。2X型是其正在进行飞行试验的VC200原型机的改进版,改进包括能够在几分钟内更换完毕的电池包。

E-volo计划在2018年前对Volocopter2X按照德国创建的“多旋翼直升机”分类下的超轻型飞机进行型号取证。这将允许使用运动飞行员执照驾驶这种电传飞机。一旦取证成功,该公司计划针对德国航空运动市场开始生产。该型飞机还计划作为未来城市空运系统的验证机。E-volo公司称,到2018年经过特殊批准的首架Volocopter2X飞机将作为“飞行出租车”进行试用。 [2-5]

目前正在研发直升机改进版的公司名单

Terrafugia

Kitty Hawk

Airbus Group

Moller International

Xplorair

PAL-V

Joby Aviation

EHang

Volocopter

Uber

Haynes Aero

Samson Motorworks

AeroMobil

Parajet

Lilium [3] [6]

直升机本质上是不同于飞机的另一种飞行器,其推力、升力和操纵的实现均和飞机有很大的差距。代表机型:美国:UH60、AH1、AH64、CH53、CH-54、CH46、CH-47、X-2、SB-1、AVX、V-22、V-280;欧洲:X-3;俄国:米26、米28、米171、卡52;中国:直10、直18、直19、直20。 [7-8]

1、世界上第一架直升机是西科斯基研制的vs300,真正具备了现代直升机的飞行特点。采用单旋翼带尾桨结构,奠定了现代直升机最常用的的气动布局。 [9]

2、世界上最小的直升机是日本研制的一种单人超小型直升机。直升机安装有一台37千瓦的强制冷发动机,主旋翼直径约6米,自重仅为115公斤。

3、世界上最大的直升机是苏联于20世纪60年代研制生产的米-12“信鸽”重型运输直升机。该机最大起飞重量为105吨,主旋翼直径为35米,机身长达37米,货舱长28米,可运送中型坦克和火炮,安装有4台4.78兆瓦的发动机,载重40吨。

4、目前世界各国所使用的巡航速度最快的直升机--X2直升机最高时速达到了463公里/小时。

5、飞得最高的直升机是法国的SA-3158型“美洲鸵”直升机。1972年6月21日,飞行员吉恩鲍莱特驾驶“美洲鸵”,创造了飞行高度达1.2442万米的世界纪录。

6、飞得最远的直升机是美国的OH-6直升机。1966年4月6~7日,该机由飞行员费瑞驾驶,创造了直线航程3561.55公里的世界纪录。

7、最早的直升机机降作战是1951年3月美军在朝鲜战场的旺方山战斗实施的。此次战斗中,美军使用直升机将20余人机降在阵地上,配合地面部队夺占对方阵地。这也是直升机参加实战的最早记载。

8、世界上第一架武装直升机是由H-13直升机改装而成。1953年美国在H-13直升机上安装了无控火箭、榴弹发射器、机枪和反坦克炮进行试验,从而提高了直升机的战斗性能,为以后武装直升机的发展创造了条件。

9、世界上第一种隐形直升机是美国研制生产的RAH-66“科曼奇”武装直升机。该机是美国陆军未来的主力机种,可执行武装侦察、反坦克和空战等多种作战与保障任务。

10、第一种使用弹射救生系统的直升机是苏联研制生产的卡-50“噱头”直升机。该机同时还夺得了第一种单座攻击直升机和第一种共轴式攻击直升机两项世界第一。

直升机发动机驱动旋翼提供升力,把直升机举托在空中,单旋翼直升机的主发动机同时也输出动力至尾部的小螺旋桨,机载陀螺仪能侦测直升机回转角度并反馈至尾桨,通过调整小螺旋桨的螺距可以抵消大螺旋桨产生的不同转速下的反作用力。双旋翼直升机通常采用旋翼相对反转的方式来抵消旋翼产生的不平衡升力。

首先直升机要先起飞才能向前后左右移动,所以要使图中的倾斜盘整体向上移动,两个桨夹就有了一定角度那么顺时针旋转就有了向下的力,飞机就起飞了,但这时左右旋翼产生的升力相同,所以直升机只能向上运动,如果把倾斜盘看成表盘,如果它前倾,倾斜盘上半部分是转动的,那么两个连杆只有在12点和6点方向差别最大(一个在上,一个在下)6点的拉杆把桨夹向上推那么增大了原来旋翼的角度所以产生的向下的力变大了,12点的向下拉,减小了旋翼角度那么向下的力减小,这时两个旋翼受力不再平衡,右边力大。左边力小那么直升机应该向左飞,但是旋转的旋翼遵循陀螺效应,要顺时针转过90度产生效果,所以旋翼变成6点方向的力大于12点方向,所以直升机向前飞。其他方向同理。

双旋翼直升机有两种,一种是共轴双旋翼,即两个旋翼同一个轴心,如俄国生产的卡-27直升机等;另一种是分轴双旋翼,即两个旋翼分开比较远,各有各自的轴,典型代表是美国的支奴干直升机。双旋翼直升机还可以根据两根旋翼轴的相对位置分为纵列双旋翼直升机和横列双旋翼直升机以及横列交叉双旋翼直升机。

通过称为“倾斜盘”的机构可以改变直升机的旋翼的桨叶角,从而实现旋翼周期变距,以此改变旋翼旋转平面不同位置的升力来实现改变直升机的飞行姿态,再以升力方向变化改变飞行方向。同时,直升机升空后发动机是保持在一个相对稳定的转速下,控制直升机的上升和下降是通过调整旋翼的总距来得到不同的总升力的,因此直升机实现了垂直起飞及降落。

直升机主要由机体和升力(含旋翼和尾桨)、动力、传动三大系统以及机载飞行设备等组成。旋翼一般由涡轮轴发动机或活塞式发动机通过由传动轴及减速器等组成的机械传动系统来驱动,也可由桨尖喷气产生的反作用力来驱动。按大小则分轻型直升机、中型直升机、重型直升机。

单旋翼带尾桨(Ducted Fan)一个水平旋翼负责提供升力,尾部一个小型垂直旋翼(尾桨)负责抵消旋翼产生的反扭矩。例如,欧洲直升机公司制造的EC-135直升机。 [10]

单旋翼无尾桨(NOTAR)一个水平旋翼负责提供升力,机身尾部侧面有空气排出,与旋翼的下洗气流相互作用产生侧向力来抵消旋翼产生的反扭矩。例如,美国麦道直升机公司生产的MD520N直升机。 [10]

纵列式(Tandem)两个旋翼前后纵向排列,旋转方向相反。例如,美国波音公司制造的CH-47“支努干”运输直升机。 [10]

横列式(Transverse)两个旋翼左右横向排列,旋翼轴间隔较远,旋转方向相反。比如,苏联米里设计局研制的Mi-12直升机。 [10]

共轴式(Coaxial)两个旋翼上下排列,在同一个轴线上反向旋转。例如,苏联卡莫夫设计局研制的卡-50武装直升机。 [10]

交叉式(Intermeshing)两个旋翼左右横向排列,旋翼轴间隔较小,并且不平行,旋转方向相反。例如,卡曼宇航公司研制的K-MAX起重直升机。

新概念直升机是一种在短时间内完成四驱车和直升机间的互变的一种飞机,它是美国得克萨斯州的AVX飞机公司的最新设设计成果。 [10]

美国国防部正考虑将这一新概念武器推广并应用于军事,未来战场上将能看到这种现实版的“变形金刚”。这一新概念直升机可以在短短一分钟内完成四驱车和直升机间的转变,可灵活地在前线阵地运送部队,帮助士兵躲避地雷、路边炸弹等的威胁。 [10]

尽管垂直起降技术在不断进步,仍有一个关键目标难以实现:将最高时速提升至150-170节(海里/小时)以上。更快的垂直起降速度可缩短任务时间,提高任务成功的可能性,并且降低飞机受到敌人攻击的概率。但遗憾的是,在不影响飞行范围、效率、有效载荷或设计简单性的前提下,目前的VTOL设计仍无法提高最高速度。

过去几十年中,直升机的垂直起降能力(VTOL)一直是军事行动必不可少的重要组成部分。它们能向任何方位机动飞行、悬停,并几乎可在任何平面上降落。美国目前正研发高速直升机“VTOL X”,期能提高飞行速度和高效的工作能力。

美国国防部国防高级研究计划局(DARPA)正在开发垂直起飞与着陆试验机(VTOL X-Plane)项目,希望能克服这些挑战。他们开创性地融合了固定翼飞机和旋转翼飞机的技术优势,以促进VTOL飞行的根本改善为目标。

VTOL X机不是调整过去的设计和技术,而是挑战行业和具有创新精神的工程师,建立一种混合动力飞机,在以下4个领域获得进步:最高持续飞行速度达到300-400节悬停效率从60%提高到至少75%巡航升阻比从目前的5-6提高到至少10飞机总重为1万至1.2万磅,有效载荷占飞机总重的至少40%,以此保证飞机高效的工作能力。

VTOL X机项目价值1.3亿美元项目时间为52个月,从 2013年10月至2018年2月共包括3个阶段,在项目启动的42个月后进行第一次示范飞行。

DARPA已分配了4,700万美元用于第一阶段初步概念设计和技术成熟。目前西科斯基飞机公司(Sikorsky Aircraft Corporation)已获得第一阶段的合同。DARPA也有意选择第一阶段的主要运作者来完成第二阶段(设计、开发和集成)与第三阶段(试验飞行示范) [11]

直升机的操纵系统有别于固定翼航空器,通常由以下部分组成:

简称总距杆,用来控制旋翼桨叶总距变化。总距操纵杆一般布置在驾驶员座位的左侧,绕支座轴线上、下转动。驾驶员左手上提杆时,使自动倾斜器整体上升而增大旋翼桨叶总距(即所有桨叶的桨距同时增大相同角度)使旋翼拉力增大,反之拉力减小,由此来控制直升机的升降运动。通常在总距操纵杆的手柄上设置旋转式油门操纵机构,用来调节发动机油门的大小,以便使发动机输出功率与旋翼桨叶总距变化后的旋翼需用功率相适应。因此,该操纵杆又被称为总距油门杆。

简称驾驶杆。与固定翼航空器的驾驶杆作用相似,通过操纵线系与自动倾斜器相连接。一般位于驾驶员座椅的中央前方。驾驶员沿横向和纵向操纵周期变距操纵杆时,自动倾斜器会出现相应方向的倾斜,从而导致旋翼拉力方向也发生相应方向的倾斜,由此得到需要的推进力以及横向和纵向操纵力,进而改变直升机的运动状态和自身姿态。

脚蹬

与固定翼航空器的方向舵脚蹬作用相似,都是控制航向工具。由于直升机的类型比较多,脚蹬起作用的方式也各不相同。对于单旋翼带尾桨直升机,脚蹬经操纵线系与尾桨的桨距控制装置相连,通过控制尾桨桨距的大小来调节尾桨产生的侧向力,达到控制航向的目的。对于单旋翼无尾桨直升机,则是通过脚蹬控制机身尾部出气量的大小来调节侧向力。对于双旋翼直升机,脚蹬控制的则是两旋翼总桨距的差动,即一个增大一个减小,使得两旋翼反扭矩不能平衡,从而使机身发生航向偏转。

单旋翼带尾桨直升机的操纵系统说明表

名称

直接操纵对象

主要作用

副作用

前飞时的用途

悬停时的用途

周期变距杆-横向

改变旋翼前后桨叶的桨距

通过自动倾斜器横向倾斜旋翼桨盘

增加下降率

调整侧滑角

侧向移动

周期变距杆-纵向

改变旋翼左右桨叶的桨距

通过自动倾斜器横向倾斜旋翼桨盘

增加下降率

操纵俯仰姿态

前后移动

总距操纵杆

通过自动倾斜器同步改变旋翼桨叶桨距

增加和减小旋翼拉力

增加或减小扭矩和发动机转速

调整垂直速度

调整悬停高度和垂直速度

脚蹬

尾桨总距

产生偏航角速率

增加或降低扭矩和发动机转速

使航空器转弯

控制偏航角速率和航向

直升机有许多其他飞行器难以办到或不可能办到的优势,受到广泛应用,直升机由于可以垂直起飞降落不用大面积机场主要用于观光旅游、火灾救援、海上急救、缉私缉毒、消防、商务运输、医疗救助、通信以及喷洒农药杀虫剂消灭害虫、探测资源,等国民经济的各个部门。世界直升机的队伍逐渐壮大。

随着直升机技术的不断进步和人们对直升机应用的逐渐成熟,直升机的发展也越来越“专业化”,除了通用直升机,逐渐发展出了运输直升机、救护直升机、武装直升机、搜救直升机、反潜直升机、通信直升机、电子战直升机等等专用直升机。

直升机在军事上的用途有多种多样,从物资运输到人员输送、战场投放、敌后侦查与渗透、到移动迅速的飞行坦克、通讯、救护、战场监视等等不一而足。

最早研制并生产的直升机,应该算作通用直升机-即大多数工作都能做,但做任何工作都不是非常专业。可运输、可救援、可通信、可救护,加上武器也可攻击,但除了运输外、做其他工作都不十分“拿手”,于是在通用直升机的基础上,逐渐的发展出了专用直升机。

以运输为主,载运量较大。因载运方式不同,还可分为吊运直升机和仓运直升机。

以搜索、救援为主要工作方向而研制的直升机,机上通常载有搜索设备和救援吊索、救护设施等,通常在中型通用直升机的基础上改装而成。

主要用于海军对潜搜索和攻击的直升机,通常以通用直升机为原型、装载对潜搜素设备(如磁探仪、投放式声纳浮漂)、军用通讯数据链以及对潜攻击武器(如深水炸弹、空射型反潜导弹等)等专用设备和武器装备。

在通用直升机或运输直升机的基础上加装预警雷达、数据链路、通信设备、指挥与控制终端等组成的空中战场预警与指挥控制直升机。

也叫通信中继直升机,是在运输直升机或通用直升机上搭载无线通信中继设备而成,随着通信指挥机特别是预警机的发展,通信中继直升机有没落的趋势。

早期的武装直升机就是用通用直升机搭载武器如机枪、火箭等武器装备改装的,随着技术进步和对武装直升机要求的提高,现代的武装直升机已经是专门研制设计的一个专用直升机机种。

现代武装直升机是装有导弹、火箭弹、机炮/机枪,多种主、被动雷达(搜索雷达、火控雷达、导航雷达等)光电传感器、军用数据链、具有较强的抗攻击防护能力(装有多处装甲和反雷达、反红外诱饵弹等多种主、被动防护设备和装备)可执行多种作战任务的直升机。亦称攻击直升机或强击直升机。主要用于攻击地面、水面目标,攻击敌方直升机,为运输直升机护航,也可与敌武装直升机进行空战。具有机动灵活,反应迅速,适于低空、超低空抵近攻击,能在运动和悬停状态开火等特点,多配属陆军航空兵,是航空兵实施直接火力支援的新型机种。武装直升机是专为进行攻击任务而设计的,其机身窄长,机体相对较小(雷达反射面和受弹面小)机舱内只有前后或并列乘坐的2名乘员(甚至1名乘员),关键部位装有轻型装甲,抗毁伤能力强,作战能力强;。反坦克作战是武装直升机的主要用途之一,因此武装直升机又被称为“坦克杀手”,它与坦克对抗时,在视野、速度、机动性及武器射程等诸多方面明显处于优势地位。舰载武装直升机还可扩大舰艇或舰队的作战范围,增强作战能力。武装直升机一般携带机枪、航炮、炸弹、火箭和导弹等多种武器,最大平飞时速300千米以上,续航时间2-3小时。武装直升机广泛用于现代局部战争,在战争中发挥了重要作用,受到世界各国军队的广泛关注和重视。

现代直升机的最早概念其实是来自于画家兼工程师的莱昂纳多达芬奇,他在公元16世纪描绘了一台以螺旋桨驱动的飞行器。不过一直等到公元1939年时,第一架实用型的直升机才被设计出来。

直升机比起固定翼飞行器来说有个独特的优点,就是它可以垂直起降和空中悬停,这使得直升机可以在狭窄地区和复杂的车辆、飞机以及其它机械无法到达的区域执行任务。

在今日,直升机在民间运用得到了长足的发展,作为一种特殊的用运输工具,被广泛的应用于搜救救援救护、物资运输、人员输送、空中观光与游览、吊运吊装、航拍、探矿与物探、防火与救火,警用警戒、巡逻与控制等等各个领域。

中国的竹蜻蜓

中国的竹蜻蜓和意大利人达芬奇的直升机草图,为现代直升机的发明提供了启示,指出了正确的思维方向,它们被公认是直升机发展史的起点。

竹蜻蜓又叫飞螺旋和“中国陀螺”,这是我们祖先的奇特发明。有人认为,中国在公元前400年就有了竹蜻蜓,另一种比较保守的估计是在明代(公元1400年左右)。这种叫竹蜻蜓的民间玩具,一直流传到如今。

现代直升机尽管比竹蜻蜓复杂千万倍,但其飞行原理却与竹蜻蜓有相似之处。现代直升机的旋翼就好像竹蜻蜓的叶片,旋翼轴就像竹蜻蜓的那根细竹棍儿,带动旋翼的发动机就好像我们用力搓竹棍儿的双手。竹蜻蜓的叶片前面圆钝,后面尖锐,上表面比较圆拱,下表面比较平直。当气流经过圆拱的上表面时,其流速快而压力小;当气流经过平直的下表面时,其流速慢而压力大。于是上下表面之间形成了一个压力差,便产生了向上的升力。当升力大于它本身的重量时,竹蜻蜓就会腾空而起。直升机旋翼产生升力的道理与竹蜻蜓是相同的。

《大英百科全书》记载道:这种称为“中国陀螺”的“直升机玩具”在15世纪中叶,也就是在达芬奇绘制带螺丝旋翼的直升机设计图之前,就已经传入了欧洲。

《简明不列颠百科全书》第9卷写道:“直升机是人类最早的飞行设想之一,多年来人们一直相信最早提出这一想法的是达芬奇,但现在都知道,中国人比中世纪的欧洲人更早做出了直升机玩具。”

意大利人达芬奇在1483年提出了直升机的设想并绘制了草图。

19世纪末,在意大利的米兰图书馆发现了达芬奇在1475年画的一张关于直升机的想象图。这是一个用上浆亚麻布制成的巨大螺旋体,看上去好像一个巨大的螺丝钉。这种飞机器由四个人操纵,在达芬奇时代流行的旋转玩具可能引发了这位大发明家的设计灵感,他建议以旋转一绕垂直轴的螺旋面来达到垂直的飞行。它以弹簧为动力旋转,当达到一定转速时,就会把机体带到空中。驾驶员站在底盘上,拉动钢丝绳,以改变飞行方向。事实上,达芬奇称自己的发明也只是提供一个直升动力,而不是真正能工作的飞机。西方人都说,这是最早的直升机设计蓝图。

在20世纪40年代至50年代中期是实用型直升机发展的第一阶段,这一时期的典型机种有:美国的S-51、S-55/H-19、贝尔47;苏联的米-4、卡-18;英国的布里斯托尔-171;捷克的HC-2等。这一时期的直升机可称为第一代直升机。贝尔47是美国贝尔直升机公司研制的单发轻型直升机,研制工作开始于1941年,试验机贝尔30于1943年开始飞行,1945年改名为贝尔47,1946年3月8日获得美国民用航空署(CAA)的适航证,这是世界上第一架取得适航证的民用直升机。该机是单旋翼带尾桨式布局、两叶桨叶的跷跷板式旋翼。旋翼下面有稳定杆,与桨叶呈直角。普通的自动倾斜器可进行总距和周期变距操纵。尾梁后部有两个桨叶的全金属尾桨。 卡-18是苏联卡莫夫设 计局设计的单发双旋翼共轴式轻型多用途直升机,于1957年年中首次飞行,此后不久投入批生产。采用两副旋转方向相反的3桨叶共轴式旋翼,桨叶为木质结构。装1台275马力的九缸星形活塞式发动机。机身为钢管焊接结构,具有轻金属蒙皮和硬壳式尾梁。座舱内可容纳1名驾驶员和3名旅客。采用四轮式起落架,前起落架机轮可以自由转向。 这个阶段的直升机具有以下特点:动力源采用活塞式发动机,这种发动机功率小,比功率低(约为1.3千瓦/千克),比容积低(约247.5千瓦/立方米)。采用木质或钢木混合结构的旋翼桨叶,寿命短,约为600飞行小时。桨叶翼型为对称翼型,桨尖为矩形,气动效率低,旋翼升阻比为6.8左右,旋翼效率通常为0.6。机体结构采用全金属构架式,空重与总重之比较大,约为0.65。没有必要的导航设备,只有功能单一的目视飞行仪表,通信设备为电子管设备。动力学性能不佳,最大飞行速度低(约为200千米/小时),振动水平在0.25g左右,噪声水平约为110分贝,乘坐舒适性较差。

20世纪50年代中期至60年代末是实用型直升机发展的第二阶段。这个阶段的典型机种有:美国的S-61、贝尔209/AH-1、贝尔204/UH-1,苏联的米-6、米-8、米-24,法国的SA321“超黄蜂”等。这个时期开始出现专用武装直升机,如AH-1和米-24。这些直升机称为称为第二代直升机。这个阶段的直升机具有以下特点:动力源开始采用第一代涡轮轴发动机。涡轮轴发动机产生的功率比活塞式发动机大得多,使直升机性能得到很大提高。第一代涡轮轴发动机的比功率约为3.62千瓦/千克,比容积为294.9千瓦/米3左右。直升机旋翼桨叶由木质和钢木混合结构发展成全金属桨叶,寿命达到1200飞行小时。桨叶翼型为非对称的,桨尖简单尖削与后掠,气动效率有所提高,旋翼升阻比达到7.3,旋翼效率提高到0.6。机体结构为全金属薄壁结构,空重与总重之比降低到0.5附近。已采用减振的吸能起落架和座椅。机体外形开始考虑流线化,以减小气动阻力。直升机座舱开始采用纵列式布置,使机身变窄。性能明显改善,最大飞行速度达到200~250千米/小时,振动水平降低到0.15g左右,噪声水平为100分贝,乘坐舒适性有所改善。

20世纪70年代至80年代是直升机发展的第三阶段,典型机种有:美国的S-70/UH-60“黑鹰”、S-76、AH-64“阿帕奇”,苏联的卡-50、米-28,法国的SA365“海豚”,意大利的A129“猫鼬”等。在这一阶段,出现了专门的民用直升机。为了深入研究直升机的气动力学和其它问题,这时也设计制造了专用的直升机研究机(如S-72和贝尔533)。各国竞相研制专用武装直升机,促进了直升机技术的发展。 这个阶段的直升机具有以下特点:涡轮轴发动机发展到第二代,改用了自由涡轴结构,因此具有较好的转速控制特征,改善了起动性能,但加速性能没有定轴结构的好。发动机的重量和体积有所减小,寿命和可靠性均有提高。典型的发动机耗油率为0.36千克/千瓦小时,与活塞式发动机差不多。旋翼桨叶采用复合材料,其寿命比金属桨叶有大幅度提高,可达到3600小时左右。翼型不再借用固定翼飞机的翼型,而是为直升机专门研制的翼型,即二维曲线变化翼型。桨尖呈抛物线后掠。桨毂广泛使用弹性轴承,有的成无铰式。尾桨已开始采用效率高又安全的涵道尾桨。旋翼升阻比达8.5左右,旋翼效率提高到0.7左右。机体次结构也采用复合材料制造,复合材料占机体总重的比例通常为10%左右,直升机的空重/总重比一般为0.5。对于军用直升机,特别是武装直升机来说,提出了抗弹击和耐坠毁要求。美军方提出了军用直升机耐毁标准MIL-STD-1290,已成为军用直升机的设计标准。为满足这些标准,军用直升机采用了乘员装甲保护,专门设计了耐坠毁起落架、座椅和燃油系统。电子系统已发展到半集成型。

直升机采用大规模集成电路通讯设备、集成的自主导航设备、集成仪表、电子式与机械式混合操纵机构等。机上的电子设备之间靠一条双向数字数据总线交连,通过这条总线可进行信息发射和接收。直升机采用混合布置的局部集成驾驶舱。第一代夜视系统的使用使直升机具备了夜间飞行能力。这种较为先进的半集成电子设备使直升机通讯距离显著增大,导航距离与精度明显提高,仪表数量有所减少,飞行员工作负荷得到减轻,也使直升机具备了机动/贴地飞行以及在不利气象/夜间条件下的飞行能力,从而提高了直升机的整体性能。动力学性能明显提高。直升机的升阻比达到5.4,全机振动水平约为0.1g,噪声水平低于95分贝,最大飞行速度达到300千米/小时。

20世纪90年代是直升机发展的第四阶段,出现了目视、声学、红外及雷达综合隐身设计的武装侦察直升机。典型机种有:美国的RAH-66和S-92,国际合作的“虎”、NH90和EH101等,称为第四代直升机。 这个阶段的直升机具有以下特点:采用第3代涡轴发动机,这种发动机虽然仍采用自由涡轴结构,但采用了先进的发动机全权数字控制系统及自动监控系统,并与机载计算机管理系统集成在一起,有了显著的技术进步和综合特性。第3代涡轴发动机的耗油率仅为0.28千克/千瓦小时,低于活塞式发动机的耗油率。其代表性的发动机有T800、RTM322和RTM390。桨叶采用碳纤维、凯芙拉等高级复合材料制成,桨叶寿命达到无限。新型桨尖形状繁多,较突出的有抛物线后掠形和先前掠再后掠的BERP桨尖。这些新桨尖的共同特点是可以减弱桨尖的压缩性效应,改善桨叶的气动载荷分布,降低旋翼的振动和噪声,提高旋翼的气动效率。球柔性和无轴承桨毂获得了广泛应用,桨毂壳体及桨叶的连接件采用复合材料,使结构更为紧凑,重量大为降低,阻力大大减小。旋翼升阻比达到10.5,旋翼效率为0.8。这个阶段应用了无尾桨反扭矩系统,其优点是具有良好的操纵响应特性、振动小、噪声低,不需要尾传动轴和尾减速,使零部件数量大大减小,因而提高了可维护性。复合材料在直升机上获得了前所未有的广泛应用。直升机开始采用复合材料主结构,复合材料的应用比例大幅度上升,通常占机体结构重量的30~50%。

这一时期的民用型直升机的空重/总重比约为0.37。高度集成化的电子设备。计算机技术、信息技术及智能技术在直升机上获得应用,直升机电子设备朝着高度集成化方向发展。这一时期的直升机,采用了先进的增稳增控装置,用电传、光传操纵取代了常规的操纵系统,采用先进的捷联惯导、卫星导航设备及组合导航技术,先进的通讯、识别及信息传输设备,先进的目标识别、瞄准、武器发射等火控设备及先进的电子对抗设备,采用了总线信息传输与数据融合技术,并正向传感器融合方向发展。机上的电子、火控及飞行控制系统等通过多余度数字数据总线交连,实现了信息共享。采用了多功能集成显示技术,用少量多功能显示器代替大量的单个仪表,通过键盘控制显示直升机的飞行信息,利用中央计算机对通讯、导航、飞行控制、敌我识别、电子对抗、系统监视、武器火控的信息进行集成处理从而进行集成控制。采用这类先进的集成电子设备,大大简化了直升机座舱布局和仪表板布置,系统部件得到简化,重量大大减轻。更主要的是极大地减轻了飞行员工作负担,改善了直升机的飞机品质和使用性能。直升机的全机升阻比达到6.6,振动水平降到0.05g,噪声水平小于90分贝,最大速度可达到350千米/小时。

1907年8月,法国人保罗科尔尼研制出一架全尺寸载人直升机,并在同年11月13日试飞成功。这架直升机被称为“人类第一架直升机”。这架名为“飞行自行车”的直升机不仅靠自身动力离开地面0.3米,完成了垂直升空,而且还连续飞行了20秒钟,实现了自由飞行。

1938年,年轻的德国姑娘汉纳赖奇驾驶一架双旋翼直升机在柏林体育场进行了一次完美的飞行表演。这架直升机被称为是世界上第一种试飞成功的直升机。

1936年,德国福克公司在对早期直升机进行多方面改进之后,公开展示了自己制造的FW-61直升机。动力装置是一台功率140马力的活塞发动机。该机时速100~120公里,航程200公里,起飞重量953千克。

法国人和德国人研制的直升机虽然成功,但却很不实际,没有步入现代直升机的行列。

1939年春,美国的伊戈尔西科斯基完成了VS-300直升机的全部设计工作,同年夏天制造出一架原型机。他成功地让世界上第一架真正的直升机VS300升空了。这是一架单旋翼带尾桨式直升机,装有三片桨叶的旋翼,旋翼直径8.5米,尾部装有两片桨叶的尾桨。其机身为钢管焊接结构,由V型皮带和齿轮组成传动装置。起落架为后三点式,驾驶员座舱为全开放式。动力装置是一台四气缸、75马力的气冷式发动机。这种单旋翼带尾桨直升机构型成为现在最常见的直升机构型。

自首次系留飞行以来,西科斯基不断对VS-300进行改进,逐步加大发动机的功率。1940年5月13日,VS-300进行了首次自由飞行,当时安装了90马力的富兰克林发动机。 [13]

R-4是美国沃特-西科斯基公司20世纪40年代研制的一种2座轻型直升机,是世界上第1种投入批量生产的直升机,也是美国陆军航空兵、海军、海岸警卫队和英国空军、海军使用的第一种军用直升机。

该机的公司编号为VS-316,VS-316A。美国陆军航空兵的编号为R-4,美国海军和海岸警卫队的编号为HNS-1,英国空军将其命名为“食蚜虻”1(Hoverfly1),英国海军将其命名为“牛虻”(Gadfly)。

中国在抗战时由中央航空研究院开展过有限的直升机理论研究。1944年,清华航空研究所曾在大后方的昆明从事过直升机的研究,并有论文发表。更令人震惊的是,几乎于美国的R-4同时,中国开始设计制造直升机。1944年,中国飞机制造业的先驱朱家仁先生设计了中国第一架直升机。1945年秋,“蜂鸟式甲型单座直升机”研制成功,一架居然有共轴双旋翼直升机诞生了!这是中国自己研制的第一架直升机,朱家仁也被称为“中国的直升机之父”。1948年7月“蜂鸟”乙型直升机研制成功,这架直升机发动机功率91.7千瓦,旋翼直径7.62米,机高2.63米,总重725.5千克,最大飞行速度每小时136千米,航程219千米。采用封闭式坐舱,甚至超过了国际上同类直升机。但由于内战,蜂鸟直升机下落不明。

在这里我们不能不提一下中国航空事业的先驱朱家仁,他毕业麻省理工学院航空工程系,回国后一直致力于中国航空事业。朱家仁是一位精干的实业家,一生埋头工作,不图名利,一生都献给了中国的航空事业,即使退休之后仍然进行研究设计。他先后研制有 “蜂鸟”甲、“蜂鸟”乙、纵列双旋翼直升机,绰号“飞行香蕉”的CJC一3和CJC一3A等多种不同型号的直升机。他所取得的成果,比起欧美人一点也不逊色。这位航空先驱者由于内战去了台湾,始终未能再回到自己的故土和奋斗过的那片土地,最后在美国逝世,长眠于异国。除此朱家仁外,还有很多航空人才值得我们铭记。他们中的很多人选择了留在大陆。这也许是旧中国在航空事业留给中国的最大一笔财富。

直-5(Z-5)是中国制造的第一种多用途直升机,也是新中国直升机科研应用的开端。

1958年2月,哈尔滨飞机工业公司按照苏联提供的全套图纸资料开始仿制米-4,1958年12月14日首次试飞,1959年初由国家鉴定委员会正式验收,投入批生产。63年9月21日航定委同意直5直升机优质过关,批准定型投产;其动力装置活塞-7于同年12月25日优质过关,投入批生产。共生产了545架。

直-5可用于物资、人员输送、救生、边境巡逻。1980年停产。

直-5采用1台活塞-7气冷星形14缸发动机,功率1770马力(1250千瓦)。主螺旋桨直径21米,长为16.8米,高为4.4米。起落架为固定四点式,前起落架横向轮距1.53米,主起落架轮3.82米、前主轮距3.79米。机舱体积达16立方米,一个侧舱门,一个蚌式后舱门。一次可运载11名全副武装的士兵,或8个伤员担架和1名医务人员。发动机舱位于机头,通过传动轴驱动机舱顶部的主旋翼和尾部的尾桨。驾驶舱位于机头前上部,两人机组,两人均可独立完成飞行操纵。可装载1.2吨货物,吊运时可运载1.35吨。直-5的机舱内可装卸北京212A吉普,该吉普常用于作为78式82毫米无座力炮的载车,为空降兵提供火力支援。直6

60年代中期,中国在研制轻型和中型直升机产品的同时,也开始考虑自个研制能装载一个加强排兵力的重型直升机产品。根据部队提出的需求,1969年,中国航空研究院决定由新组建的直升机设计研究所承担重型直升机的设计任务,直升机的编号为直7(Z-7)。1970年3月,直7研制工作开始,承担研制的有直升机设计研究所等5个研究所、2个工厂。直7的研制方案是:装两台涡轴5甲发动机,采用6片旋翼;除重新设计桨毂和减速器外,其它尽量采用直5和直6的零部件。直7设计为最大起飞重14400千克,有效商载3500千克,最大速度240千米/小时,最大航程350千米,实用升限6000米。

1971年直7开始进行机体和部件的静力试验及调试。其间,领导机关曾决定将直7作为舰载直升机的试验机,到1971年9 月,直7改舰载的工作停止,继续作为普通直升机研制。

1975年5月,直7零部件加工完成了97%,并已装配成两架机体,配套生产的成品已到货90%。1979年,直7重型直升机完成了全机静力试验。

然而,1979年6月28日,国家决定直7重型直升机研制工作停止.其原因是由于国家财力有限,不可能同时投资研制两种重型直升机,为了全力确保由江西景德镇直升机厂承担研制直8型直升机项目,直7直升机只得为直8让路,从而宣告了直7重型直升机的夭折。尽管直7项目下马了,但直7研制的许多成果为后来成功研制出最大起飞重量达13000千克的直8重型直升机打下了坚实的基础。

中国于70年代末购进了14架法国航宇工业公司研制的SA321“超黄蜂”大型多用途直升机, 交由海军航空兵部队使用。该机型在法国于1966年开始交付使用,装备后成为中国第一代舰载机。随后,中国开始在“超黄蜂”的基础上仿制直-8。

直-8(Z-8)的研究工作由中国直升机设计研究所与昌河飞机工业公司共同执行。总体的规划是以直-8舰载反潜型为突破口,进行引进仿制,随后进而改进研制直-8陆军型,从而逐步提高中国大中型直升机科研、生产和装备的水平。1976年研制工作开始,首架原型机于1985年12月首飞,1989年11月通过国家技术鉴定,1994年12月设计定型。1989年,首架生产型直-8于交付海军航空兵使用。(文字:加特林)

武直10(WZ-10)计划主要由哈尔滨飞机制造总公司(HAMC)负责,于1992年责成全国四十余家相关院所立项开发,为陆军「9.5」计划重点攻关项目,得到军方总装部领导的重视。总装部副部长徐怀中中将数度到该公司视察项目进度。

WZ-10为发展自Z-9B的中型专职武装直升机,全机净重约5,543公斤。其主要任务为树梢高度战场遮断,消灭包括敌地面固定和机动的有生力量,并兼具一定的空战能力。WZ- 10未来配合设有顶置瞄具的WZ-11轻型直升机取得目标,可完全在接敌隐蔽处发动进攻,故战场生存能力极强。该机除部份光电瞄准系统可见于WZ-9外,更配有FLIR,因此具有有限复杂天气和夜间作战的能力。

直升机全长约14.15米(旋叶转动时),高约3.84米,最宽处(注:包括短机翼)约4.35 米,采国际流行的纵列式座舱布局,窄机身,后3点式防冲撞起落架;基本继承了Z-9式的 涵道式尾桨和飞行传动系统。主桨由4片全复合材料桨叶构成,直径约为12米,尾桨为11 片弹性玻璃纤维宽叶。采传统布局的WZ-10同美制RAH-66相比,不具备雷达隐身的气动结构,而是通过大量采用吸收雷达波长的复合材料和涂装来缩短被敌人发现的距离,同时也达到减轻飞机重量的目的。动力装置采用两台欧洲MTR出品的MTR390涡轴发动机(turboshaft),具体数据不详,估计大致与意大利A129同级。航电设备采用国产和法制数字化系统。导航系统为3轴gyrolaser+RadioAltimeter+ Doppler Radar+GPS。座舱内前后都有平显(HUD)和3具多功能低头数显(MFD),(外加一些主要飞航仪表的指针式backup)结合HOTAS的模式切换控制系统,大大减轻了飞行员的负荷,也使的飞行员得以花更多时间观察周围地理,战术环境而不是眼花缭乱的各式仪表。这正是当代战场战术运用的最大特点之一,事态意识也是一代和二代武直技术上的分水岭!

武直-19直升机是中国自主开发研制的第一款轻型武装侦查直升机,以侦查为主要任务,具有优异的作战性能,技术含量高,火力强大,航电系统先进,其总体性能能够达到国际一流水平。武直-19直升机全长约15.65米,高约4.84米,最宽处(包括短机翼)约5.35米,采国际流行的纵列式座舱布局,窄机身,后三点式防冲撞起落架; 主桨由4片全复合材料桨叶构成涂抹雷达吸波材料,直径约为12米,尾桨为4片弹性玻璃纤维宽叶。

武直-19最大武器外挂约1600公斤,机身两侧的短翼约长4.32米,可挂载包括57,90,120毫米多管火箭,23毫米机炮夹舱,红箭-8反装甲导弹等武器。火控系统为数字一体化设计。后座武控官可利用国产头盔显示成像系统,结合机鼻球形FLIR,为机头下方的23毫米机炮和外挂武器标定目标。

AC313直升机最大起飞重量13.8吨,是中国第一个完全按照适航条例规定的要求和程序进行研制的大型民用运输直升机,也是中国自行研制生产的唯一一种大型直升机,整机性能达到国际一流的第三代直升机水平,实现了中国大型运输直升机整体技术水平的跨越。它不仅是一个迄今为止的先进直升机,更是一个包含了先进技术和现代理念的直升机发展平台。

中国幅员辽阔,是一个地质灾害频发的国家,特别是城市化进程不断加速,AC313民用直升机平台具有极大的市场潜力。

AC313直升机七大技术优势

此前,在中国直升机科研生产体系中,拥有自主研制的直-8、直-9、直-11三个平台、30多种直升机型号。直-8型机从上个世纪70年代中期开始研制,历时近10年,直到80年代中期才首飞成功。直-11型机于1989年开始研制,历时5年实现首飞成功。由中航工业昌飞公司和直升机所联合研制的大型民用直升机AC313,借鉴已有型号研制平台,依靠国内技术创新,采用数字化协同设计和制造手段,从详细设计开始,历经零部件制造、部装、总装,直至完成地面运转试验,并经适航全程跟踪目击和审查,仅用了不到1年的时间,就完成了样机试制,达到首飞状态,创造了中国民用直升机研发过程的奇迹。

AC313直升机以复合材料球柔性旋翼系统、发动机全权限数字化电子调节控制、大面积复合材料结构、综合化航电系统、数字化设计制造和最新适航安全性标准等为标志,实现了中国大型运输直升机整体技术水平由第二代向第三代的跨越。

就功能优势而言,AC313直升机主要有七个特点:

安全性高。装有三台发动机,在一台发动机失效的情况下可以继续飞行,在两台发动机失效的情况下可以就近着陆,大大提高了机上人员的生存概率。

三防性能佳。严格按照防盐雾、防湿热、防霉菌标准设计,适合在海洋气候条件和其他恶劣环境下使用。

空间大。客舱内有效容积23.5立方米,高1.83米,普通的中国人能在其中直立行走。装配了舒适的航空座椅和内饰,根据需要可改装成VIP公务机。

运载能力强。用于货物运输时,舱内最多可载货4吨,或外部吊运5吨。用于人员运输时,最多可载乘员27名,或运送15副担架和一名医务人员座椅及工作台。舱内可选装手动或电动绞车,地板上留有系留装置,可方便装卸和固定货物。

航程长。机内油箱满油最大航程900公里,携带三个转场油箱时,转场航程可增加到1400公里以上。

操纵性能优。操纵系统设计巧妙,总距及纵横向操纵联动,辅以四轴自动驾驶仪,操作负荷小,飞行品质佳。

适用范围广。可在-40℃~+50℃温度范围内正常使用,最大飞行高度可达6000米,能在海拔4500米的机场起降。

AC313优化的机体气动外形、先进的旋翼桨叶翼型和配置,旋翼悬停效率高、尾桨抗侧风能力强,突破了中国大型运输直升机飞行性能限制瓶颈技术,具备了高原飞行能力,能更好地满足山区等复杂地区对直升机飞行性能的苛刻要求。

尤其值得关注的是,最大飞行高度可达6000米和最大航程900公里的技术指标,意味着中国终于拥有了满足各种机动运输任务的全疆域性旋翼运输航空器。

中国直升机设计研究所位于江西省景德镇市,创建于1969年12月,隶属于中国航空工业第二集团公司,是中国唯一的以直升机型号研制和直升机技术预先研究为使命的大型综合性科研单位。研究所现有职工2000余人,其中各类专业技术人员1400余人,高级工程师300多人,国家级、部级专家8人,入选国家“百千万人才”2人、“511人才”14人,研究员90余人。

研究所拥有总体气动、结构强度、旋翼设计、航电火控、飞行控制、液压传动、环境控制、信息技术等40多个专业和系统设计试验研究室16个;具有覆盖13吨级以下军、民用直升机常规设计、试验的手段和设施,设计研究手段先进,技术开发力量雄厚。其中,直升机旋翼试验塔、工程模拟器、地面联合试验台等设施填补了国内行业空白,达到国际先进水平,直升机旋翼试验能力跻身世界先进行列。能够进行并行工程设计以及总体、系统仿真以及静强度、振动、疲劳、航电系统、非航电系统、电气系统、燃滑油系统、武器系统、飞机地面动力等多种试验。2002年通过了GJB9001A-2001质量体系认证。

南京航空航天大学

直升机旋翼动力学国家级重点实验室直升机旋翼动力学国家级重点实验室是国家重点投资兴建的重点实验室,于1995年底建成并通过国家验收。主要从事直升机科技领域的基础性研究以及高层次人才的培养。实验室实行主任负责制。由国内高水平的同行专家组成的学术委员会保证本实验室的开放性,并为科研工作的高水平、提高学术活动的权威性创造良好条件。

本实验室主要研究方向有三:旋翼涡系、流场及高性能旋翼探索;旋翼非定常气动及直升机机动飞行力学;旋翼气动弹性耦合动力学。本实验室坚持"开放、联合、流动"的方针,以创新为己任,鼓励开展交叉型研究。本实验室具有旋翼试验台、旋臂机、反扭矩试验系统、立式水洞、结构振动试验系统共五套大型试验,并配备有计算机仿真工作站以及先进的测力、测速、测压设备。试验厂房、计算机房及研究人员工作室合计建筑面积2815M2,具有良好的研究条件和学术环境。本实验室已形成一支稳定的、梯队配置合理的研究队伍,承担着多项国家科研任务,并建立了广泛的国内外学术联系与合作关系。作为中国直升机行业的一个基础性研究基地,本实验室热忱欢迎同行专家学者,特别是青年科技人员前来进行合作研究。

直升机在人类的生产和生活中得到越来越多的应用,全球市场表现出对于直升机的持续需求。尤其是新兴市场,随着经济的发展,对于直升机有着大数量、高增长的需求。世界上43%的直升机服役年龄在25年以上,更新换代的需要进一步增加了对于直升机生产的诉求。据智研数据研究中心统计对2011到2020年的全球直升机市场做出预测,10年间将需要交付至少16970架直升机,总价值1400亿美元。其中民用直升机10900架,价值340亿美元,军用直升机6070架,价值1060亿美元。

我国直升机装备情况与国外相比差距很大,军用直升机每万名军人的直升机保有量仅为2.1架,不到发达国家水平的十分之一;而民用直升机的百万人口保有量仅为0.06架,更是远低于发达国家水平,中国直升机产业有待提高。 [14]

直升机的未来发展趋势是结合固定翼与直升机优点为一体的地空一体化飞行器。首先要解决机翼设计和动力设计,来实现垂直升降、稳定性和安全性极高的折叠固定翼或者无外露的螺旋翼。其次就是航电包括自动飞行系统,来满足高安全性的障碍物和空中交通预警、碰撞回避系统、高安全性的全天候无人自动起飞着陆系统,最后就是白菜价格了。 [15-16]


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