未來旋翼飛行器及其技術發展趨勢

彭菊平，蘇兵兵

(中國直升機設計研究所，江西景德鎮333000)

摘要：旋翼飛行器是以直升機為代表的利用旋轉機翼提供主要升力的能垂直起降的飛行器，以其獨特的垂直起降、空中懸停、向任意方向飛行、近地機動能力，在現代軍民用領域發揮著其他運輸工具和飛行器不可替代的作用。隨著人工智能、新能源、新材料等領域技術的快速發展，直升機的功能和屬性也將被重新定義，向高速化、智能無人化以及多元化方向發展。

關鍵詞：旋翼飛行器;發展方向

一、高速化——新構型突破傳統直升機速度限制

由于傳統直升機受自身構型的影響，在人速度時會出現前行槳葉激波和后行槳葉氣流分離，使其飛行速度、航程等受到較大限制，最大飛行速度一般在350km/h以內。在軍用領域，研制大速度、高機動性以及大航程的新構型旋翼機是世界直升機界的共識。在民用領域，運輸效率、運營成本等對高速也提出了迫切需求。

新構型高速旋翼飛行器總體上可分為傾轉類、復合類和停轉類三大類。

第一類是傾轉類，即利用旋翼/螺旋槳，通過該系統在垂直與水平位置之間的傾轉，實現直升機與飛機飛行模式之間的轉換，從而達到高速飛行的目的。當旋翼/螺旋槳槳盤平面位于水乎面內時，成為常規直升機構型，可實現垂直起降和懸停;當旋翼/螺旋槳槳盤平面位于垂直面內時，成為螺旋槳飛機構型，可實現高速飛行。該類構型以美國V-22“魚鷹”傾轉旋翼機和V280“勇士”新型傾轉旋翼機為代表，其中V-22已投入了實際應用，最大平飛速度達到565km/h，V280發動機短艙由傾轉變為固定，設計速度520km/h，作戰半徑463km，預計于2018年首飛。

第二類是復一臺類，即分別通過旋翼、機翼、輔助推進發動機或螺旋槳等不同系統提供升力和推力或拉力，機翼用于提供升力，旋翼用于實現懸停與垂直起降，輔助推進發動機或螺旋槳用于高速前飛。這類旋翼機的最大特點是旋翼始終發揮其自身的功能，且構型和相對位置不會發生變化。該類以S-97“劫掠者”和新構型復合高速直升機X3為代表。S-97采用共軸剛性旋翼復合推力槳構型，利用“前行槳葉”概念提高前飛速度，設計巡航速度407km/h。

第三類是停轉類，即在飛行過程中，旋翼槳葉停止轉動并轉變為固定機翼，如S-72X翼、X-50A等，或者是旋翼槳葉可以伸縮，并轉變成盤翼，如盤翼旋翼機。該類構型由于技術難度較大，目前多停留在實驗室階段。

二、智能無人化——會飛行的機器人

人工智能的發展，是會給社會帶來根本性變革的技術趨勢，而直升機平臺與人工智能的融合，將顛覆傳統直升機使用模式。無人化裝備具備零傷亡、無生理限制、耐惡劣環境使用等特點，是未來發展的必然趨勢。當前，智能無人飛行器目前正加速向軍民多個應用領域拓展，同時其技術的發展也在不斷開辟智能無人機應用新領域。

智能化。從人工智能的角度看，直升機智能化分為三個發展階段，即單機智能飛行、多機智能協同、任務自主智能。單機智能飛行涉及環境自主感知與規避，開放性、自主性和自學習的智能飛控，智能空域整合等技術;多機智能協同的關鍵技術是協同指揮控制以及協同態勢生成與評估;任務自助智能即是在動態變化的外界環境中自主規劃、管理、評估與執行任務。目前由DARPA(美國國防部高級研究計劃局)重點推進的“蜂群式無人機”項目即是該發展趨勢的集中體現。

模塊化。由于旋翼飛行器的旋翼升力系統較為獨立，便于集成，具有模塊化發展的天然優勢。DARPA的“可重構嵌入式航空系統”( ARES)即是一種垂直起降飛行模塊，裝備雙傾轉涵道風扇，可攜帶1360kg可更換的有效載荷模塊;目前大多數民用無人多旋翼飛行平臺本質上也是一種可以配掛鄉種任務載荷的飛行模塊;多飛行器的模塊化組合也是近年來出現的一種無人旋翼飛行器的新應用形式。

微小型化。微小型無人機指的是重量在數克至數千克范圍內的無人機。近年來低雷諾數空氣動力學、微機電、新材料等新技術的出現與發展使微小型無人機“異軍突起”，成為無人機發展的重要方向，而其中以便于攜帶、機動靈活與無孔不入為特點的微型無人旋翼飛行器發展較快，如從2013年就已裝備英軍的微型無人直升機“黑黃蜂”，主要用以完成偵察、狙擊于定位、對建筑物和洞穴入口進行搜索等特戰任務，全機僅重18g，有效控制距離1.6公里。此外，微小型無人旋翼飛行器亦是“蜂群”戰術的重要使能平臺。

三、多元化——新概念推動旋翼飛行器創新發展

近年來，共享飛車、“飛行的士”、單人飛行包、車載無人機、新型交通等新概念不斷涌現，推動著旋冀飛行器多元化發展，很多創新構型將不斷刷新我們的認知。

早在2009年，DARPA為提升陸軍小型作戰單元在不同地形下遂行戰術運輸任務能力而啟動了“變形金剛項目”( TX)，目的在于尋求一種長時間在地面行走，復雜地形垂直起降的新型運輸解決方案，即“飛行悍馬”。洛克希德·馬丁與格萊恩兄弟F屬的AAI公司以“低速旋翼，復合式(SR/C)”直升機技術方案竟標成功。該飛行汽車實質是一種旋翼/機翼復合的旋翼機與汽車的復合體，地面行走時旋翼與機翼折疊固定，與常規汽車無異，遇到復雜地形時釋放出旋翼短距起飛，低速飛行時無動力的旋翼以較大槳距迎風自轉，承擔大部分升力，高速飛行時依靠機翼提供升力飛行。除此之外，采用八旋翼的“黑騎士”陸空兩用飛行卡車、封閉式風扇布局的“城市之鷹( X-Hawk)”等均是旋翼式飛行汽車的代表。旋翼飛行器多元化發展也不斷推動著新型動力形式、新型結構材料、新型操控方式等技術的創新發展。

四、小結

縱觀旋翼飛行器的發展，每一次新技術的發展與突破都伴隨著旋翼飛行器性能的提高，更促進了-些新構型、新概念旋翼飛行器的實現與應用。未來的發展中，高速新構型旋翼飛行器將取得更大突破并逐漸普及，智能無人旋翼飛行器的應用領域更加廣闊，新概念旋翼飛行器不斷涌現并持續推動多元化技術創新。

作者簡介：

彭菊平 蘇兵兵，中國直升機設計研究所。