各国新一代武装直升机不太可能采用全隐身设计

  张德和

Development of Future Military Helicopter未来20年军用直升机技术的发展将反映在总体综合设计技术、旋翼技术、隐身技术、复合材料技术、抗坠毁技术、机载设备和武器等技术领域,本文对此进行了较详尽的论述直升机自20世纪30年代诞生以来,经过朝鲜战争、越南战争、海湾战争等的检验,其技术不断取得新的进展,已达到了一个相当高的水平。但未来战争对军用直升机提出了更高的要求。前不久结束的伊拉克战争对未来军用直升机技术的发展已经产生了一定的推动作用。 展望未来20年,军用直升机将会在一些技术领域取得较大进展,这些技术领域包括总体综合设计技术、旋翼技术、隐身技术、复合材料技术、适坠毁技术、机载设备和武器等。总体综合设计技术直升机总体综合设计技术包括两方面的内容。其一是实现直升机的整体综合,获得整体的最优结果来满足任务需求。整体综合一般都是跨专业的综合,如整体性能、生产和使用费用、气动/旋翼/外形、飞控/火控/推力、航电与非航电以及可靠性/维护性等。其二是实现直升机的局部(包括子系统、部件和零件)综合,以满足整体综合对局部提出的要求并实现局部参数的最优化,其中包括:桨叶、桨毂、机身、尾桨、气动、振动、强度、结构、噪声和控制系统等。 在总体综合设计流程中,从初步设计阶段就根据直升机需要执行的任务采用数字优化方法来获得最优方案,如减少机身上的振动等。优化技术也包括两方面的内容:一是整体优化;二是零部件优化或局部优化。在整体优化中,整个直升机的外形被优化。在局部优化中,子系统和基本零部件,甚至直升机的作战效能等被优化。 国外的应用情况显示,与传统的直升机设计方法相比,直升机总体综合设计技术可大大提高军用直升机的空中作战能力和其他各种性能。该技术的优点包括: 1.在初步设计阶段,整体优化直升机的外形和布局,可使直升机的性能提高3%~5%; 2.在对旋翼桨叶进行优化中,仅通过改变桨叶外侧20%部分的桨叶截面,可以使振动幅度减少了15%~40%,桨叶重量减少了9%~20%;而通过旋翼几何形状的优化可使旋翼消耗的功率减少2%~5%; 3.由于在总体综合设计过程中,比较充分地考虑了总体、子系统、零部件之间的相互影响和各种关系,因此能大量减少制造过程中出现的各种协调问题。 应用情况 美国NASA等研究机构及波音公司等直升机制造厂商在直升机综合设计方面做了许多工作,编制了有关旋翼翼型优化、桨叶性能优化、旋翼桨叶的气动弹性剪裁、机身结构优化、桨毂结构优化、作战效能分析等许多应用软件,并在RAH-66等新机研制中得到了应用。在RAH-66的研制中,首次以使用效能为目标,进行了顶层构型的优化设计。 意大利阿古斯特公司在设计中大量采用三维设计技术,并且建立了较完整的公共数据库和专业数据库。该公司还研制出新的结构分析、桨叶和翼型的气动优化及噪声预测等的模型和软件,并在A109等型号研制中得到了应用。 另外,俄罗斯的米里直升机公司和卡莫夫直升机公司、欧洲直升机公司等在设计新型号时也大量采用总体设计优化软件和系统设计优化软件。 存在的问题 总体综合设计技术仍然很不完善,有很大的局限性。因为直升机总体综合设计技术不仅涉及到直升机各专业的方方面面,而且还涉及到许多其他学科,很大程度上依赖于不同的航空学科的紧密综合;同时总体参数、子系统参数、部件参数、零件参数、所涉及的专业等相互之间的关系又十分复杂,改变某个参数,不仅对本专业的特性产生很大影响,而且对其他专业也产生影响,并影响直升机的总体指标;直升机的动部件较多,涉及的专业面广而复杂,多数设计参数之间互相影响,很难较准确地获得编制软件的数学模型。 直升机总体综合设计技术今后的发展重点将在建立分系统数学模型、分系统与总体之间关系的数学模型,并编制实用软件方面。预计直升机总体综合设计技术会随着分析方法的改进,更有效算法以及更进一步的实验验证方法的出现而取得较大进展。多阶段发展的旋翼技术 桨叶 旋翼桨叶的发展大体经历了四个发展阶段。40年代中期至50年代中期出现的第一代直升机上采用的金属/木质混合结构,其平均寿命只有600小时左右;50年代中期至60年代中期出现的第二代直升机上采用的金属桨叶,其寿命增加一倍,达到1200小时左右;60年代中期至70年代中期的第三代直升机上采用的玻璃钢桨叶,其寿命是金属桨叶的三倍,达到3600小时左右;70年代中期至今出现的第四代直升机上采用的新型复合材料桨叶,其寿命是无限的。目前正在研究智能材料桨叶。 桨尖的形状已从第一代的矩形,通过第二代的尖削、后掠的简单变化,以及第三代的曲线形桨尖变化,发展至目前第四代桨尖的三维变化;今后的发展方向是进一步优化三维桨尖的形状,提高其性能。 桨毂 对于大多数直升机的桨毂来说,在半个多世纪的发展过程中,前三十年大体上从简单逐渐趋向复杂,而后三十年,桨毂又从复杂趋向简单。桨毂在完成其主要功能的前提下,任何一种设计都是在追求以下设计目标:简化结构、减轻重量、减小阻力、降低成本、延长寿命、增加可靠性、改善旋翼动力学性能、降低维修费用等。 复合材料无轴承桨毂是目前为止最先进的桨毂,它取消了所有铰链,也取消了弹性轴承,它的主要结构部件大梁用与径向一致的单轴高强度纤维在环氧树脂膜中制造,大梁的横向剪切模量足够低,其柔性结构代替了铰链及其轴承。无轴承桨毂通常都是采用整体结构。这种桨毂结构十分简单,成本低,空气阻力小,并具有较高的操纵功效。目前美国正在研制的RAH-66直升机采用了这种无轴承桨毂。 尾桨 尾桨的发展经历了三个阶段:一是传统的尾桨;二是涵道尾桨;三是无尾桨系统。这三种尾桨技术都比较成熟。美国海军正在一架YSH-60F直升机上进行矢量喷管推进技术的研究,目的是提高普通直升机的飞行速度。该技术是将直升机的普通尾桨换装成矢量推力喷管。该喷管不仅具有普通直升机尾桨的功能,同时还能够产生向前的辅助推力。依靠先进的控制系统综合控制,可以大大减轻驾驶员的工作强度并提高直升机的飞行性能。该机的设计飞行速度超过367千米/小时。由于减少了主旋翼的载荷,从而提高了该机的寿命和可维护性。据计算,与一般直升机相比,其全寿命期费用还可节约12%。 传动系统 旋翼传动系统的关键部件是主减速器,对其除了提出寿命长、可靠性和维修性好等基本要求外还提出了一些特殊要求。 首先是要求传递功率适当、重量轻。其次是传动比要大,传递效率要高。第三是要求干运转能力强。今后主减速器的设计制造不会有太大的变化,主要是从重量、寿命、结构紧凑性、传动效率、可靠性、维修性及润滑等几个主要方面进行综合考虑。隐身技术美制AH-64、俄制米-28和卡-50、意大利的A129等先进武装直升机几乎无一例外都应用了隐身技术,但美制RAH-66"科曼奇"才是世界上第一架真正具有隐身性能的直升机。"科曼奇"除了采用传统雷达隐身技术外,还具有红外隐身、激光隐身和声隐身能力。 虽然相比战斗机"科曼奇"的隐身性能还多了声隐身和视觉隐身两项,但其雷达隐身性能因受旋翼的影响很难达到战斗机的水平。"科曼奇"采取的隐身技术主要有以下几方面: 减小雷达反射截面:机体大量采用复合材料,占结构重量的58%。外形按隐身要求设计,如机身截面设计为菱形,机头光电传感器安装塔为多角形,机身两侧的进气口为埋入式,武器均为内装,整个机体的接缝减到最少,在必要的部位涂吸波涂料等。 减少红外辐射:发动机喷口安装在机身后尾梁两侧,呈"带状",很多小喷口相互间有一定间隔。喷气流向下45°角,喷口外装有消声降温装置,喷出的热气流有冷风冷却,冷热流量之比是1.5∶1。这样机身两侧的红外辐射强度大约只有"阿帕奇"武装直升机的1/5,喷气流温度降低一半。冷空气源没有用抽气机之类的动力装置,这样可以减少噪声源。美国的试验表明, "毒刺"防空导弹在很多条件下甚至不能对该机进行有效跟踪。 减小噪声:采用后掠下反三维旋翼桨叶桨尖、涵道尾桨、喷气口消声装置、低速飞行时降低旋翼转速等办法减小噪声。试验表明,人耳发现"阿帕奇"时的距离是发现"科曼奇"时的1.25倍。对于反直升机声控地雷的声探测装置来说,探测到"阿帕奇"时的距离是探测到"科曼奇"时的4.25倍。 缩短肉眼发现时的距离:"科曼奇"几何尺寸较小,如涂上保护色迷彩本身就不易被肉眼发现。同时它采用5片桨叶,桨叶转速5.92转/秒,两者相乘结果为29.6赫兹。试验表明,如果该频率大于22赫兹则肉眼不易发现闪光,如小于12赫兹则较易发现。另外,座舱玻璃都是平面的,安装角度都尽可能防止对地面反射阳光。 "科曼奇"直升机虽然还没有经过实战的检验,但所采用的隐身技术在很大程度上代表了未来武装直升机隐身化的发展趋势,已引起世界各国的普遍关注。向智能化发展的复合材料技术复合材料技术在直升机发展中起着举足轻重的作用,这是因为直升机的动部件和复杂零部件都较多,它们对疲劳强度要求较高,成形也复杂。而复合材料正好可使零部件设计达到前所未有的灵活性,特别有益于气动弹性剪裁,并且高性能复合材料更耐环境腐蚀和疲劳,可大大提高直升机零部件的使用寿命,降低维修工作量和使用成本。 近几十年来,复合材料在直升机上的应用研究迅速而广泛,几乎直升机的所有结构件都开展了应用复合材料的研究,并且大部分获得成功。如"虎"直升机机体的复合材料占结构重量的80%以上,"科曼奇"的机体复合材料占结构重量的58%。 复合材料在直升机应用方面还需要做更进一步的研究,尤其是在具有可靠材料性能数据的先进原材料、复合材料损伤容限准则、铺层设计方法、成型工艺、可靠性分析等方面。 目前,国外正在开展对智能复合材料,即"自适应材料"的研究,以取代单纯用复合材料制造的零部件,并开始在直升机旋翼上进行试验。智能复合材料采用埋在材料中的光纤传感系统,通过"信息处理及学习系统"的处理,使伺服执行器工作,可纠正材料的各项参数或状态。直升机结构,尤其是旋翼等关键构件,采用智能复合材料可大大减小振动载荷,并可提高气动弹性剪裁特性。预计智能材料将会在未来20年内应用于直升机上。适坠毁技术的广泛应用美国军用标准MIL-STD-1290对直升机适坠毁的要求是:直升机在垂直下落速度达12.8米/秒时,乘员的生存率为95%,坠落时不应有动部件进入座舱,座舱容积的减小量不应大于15%。 机体的适坠毁设计主要从以下几个方面考虑:提高乘员区结构的吸能能力;改进最早与地面接触的结构,以降低拱地程度,从而减小加速度和撞击力;改进尾桨、尾斜梁、外挂架系统的结构,保证坠毁时损坏的部件安全脱离机体;加强驾驶舱和座舱结构,使之能承受较大的力而不塌陷;改进机身结构,以增加无人区间的结构变形或塌陷,从而具有附加的结构吸能作用。 目前美国、欧洲和俄罗斯的武装直升机高生存能力设计技术已使直升机基本上甚至完全具备了"不易被发现,不易被击中,不易被击落,人员不易伤亡"的良好战场生存能力。如AH-64攻击直升机旋翼桨叶通过采用复合材料,大大提高了桨叶抗弹伤能力和延缓其裂纹的扩展速度,在桨叶被23毫米爆破弹击中后,直升机仍能继续飞行30分钟;法德联合研制的"虎"式武装直升机机身能抗10.5米/秒坠毁速度,起落架在以6.5米/秒垂直速度着陆时不产生永久变形,发动机和驾驶员座椅凭其装甲保护能抗23毫米弹头袭击。 过去人们往往对武装直升机的适坠毁设计较重视,而对其他军用直升机,特别是军用运输直升机的重视不够。从此次伊拉克战争中可以看出,适坠毁设计标准较高的AH-64D"长弓阿帕奇"武装直升机虽然受到伊方的攻击,或因事故而坠毁多架,但并没有造成人员伤亡。而适坠毁标准较低的CH-46"海上骑士"运输直升机、UH-60"黑鹰"直升机、AH-1W"超眼镜蛇"攻击型直升机等则造成了大量的人员伤亡。可见在未来的军用直升机发展中,不仅要进一步提高武装直升机的适坠毁标准,而且应大大提高军用运输直升机的抗坠毁标准。机载设备的发展方向预测未来武装直升机机载设备技术将朝以下几个方向发展。 航空电子系统进入数字化、集成化和综合化阶段 武装直升机的航空电子系统在历经了设备体积庞大、功能单一、系统分立和局部综合的发展阶段后,已逐步进入了数字化、集成化和综合化阶段。美国RAH-66上的综合通信导航识别系统和综合电子战系统便是目前最有代表性的综合航空电子系统。 火控系统集光、机、电技术为一体,性能大为提高 武装直升机的火控系统中的许多设备都是以微电子技术为核心,以精密机械和光学、光电子为主体的专业体系。因此,从整体上说现代武装直升机的火控系统是一个光、机、电一体化的高技术产品。火控系统的先进设备主要有:激光测距仪、能在低能见度条件下探测和定位目标的毫米波雷达、具有夜视能力的头盔显示/瞄准器、平视显示器、数字火控计算机和低空红外夜视瞄准攻击吊舱等。 夜视能力显著增强 目前改进和新研制的武装直升机都安装了第二代前视红外系统,包括前视红外导向及目标寻获感测器、图像增强器和焦平面阵列和热成像器等。与第一代系统相比,扩大了红外图像的视场,提高了图像的清晰度,探测距离增大了50%,甚至一倍,瞄准范围也提高了约40%。目前波音公司和洛克希德·马丁公司已经合作为AH-64D"长弓阿帕奇"研制第三代中波红外成像器,来增强新型"箭头"瞄准和夜视系统的技术水平。"箭头"系统中应用了3~5微米的凝视阵前视红外技术,以补充第二代长波红外成像器、电视摄像机和前视红外的不足。 集成化的玻璃座舱 现代武装直升机采用全电子化的玻璃座舱,取代了传统的仪表,由数字式地图显示器和多个综合显示器显示各系统的工作情况,实现驾驶舱控制和显示的综合化、数字化和集成化。驾驶舱中最重要的设备是多功能液晶显示器,该种显示器具有工作电压低、体积小、重量轻和平板化等特点,能提供高清晰度的彩色图像、文字、数字和符号。 发展组合式导航系统 现代武装直升机的最佳途径是采用组合式导航系统,这种系统以采用激光陀螺或光纤陀螺的惯性导航系统为基础,以多普勒速度传感器和GPS为辅助。该组合系统可采用低精度陀螺,在节省系统成本上也是有吸引力的。 逐步采用固定翼飞机的弹射救生技术 卡-50和RAH-66直升机大胆采用了类似固定翼飞机的弹射救生技术。虽然该技术目前只用于这两种机型,但由于它比其他救生方法具有明显的优势,预计今后将有更多的武装直升机采用该技术。

  据报道,俄罗斯前不久决定投资10亿美元研制新一代武装直升机,将突出高速、隐形等技术特点。按计划,一切顺利的情况下,俄罗斯将在5年后推出新一代武装直升机。届时,新一代武装直升机将“长”成啥样呢?本报编辑部特邀我军陆航研究所张德和教授,对此热点问题进行深入解读。

  机体结构

  先进的全复合材料

  近年来,直升机技术特别是旋翼技术迅猛发展,很大程度上取决于复合材料、纳米技术的应用。人们把复合材料在直升机上的应用,称为直升机的第二次革命,可见其影响之大。

  直升机结构复杂,机动部件较多。部件一旦出现疲劳,就容易导致各种事故的发生。复合材料重量轻,抗疲劳强度高,不会骤然断裂,抗撞击能力也比金属强,雷电也穿不透桨叶,能大大提高直升机的安全性。

美洲杯在哪买球,  20世纪90年代,德国与法国合作制成的“虎”式直升机就采用了全复合材料的新翼型桨叶。美国“科曼奇”直升机采用全复合材料无轴承旋翼系统,机身使用的复合材料占结构的90%。目前,全复合材料机体的试验机已经问世。可预见,先进的复合材料特别是碳纤维将被广泛用于新一代直升机上。

  机动速度

  时速达600公里以上

  伊拉克战争表明,直升机飞行速度慢是被击落的重要原因之一。因此,高速飞行是新一代武装直升机重要技术特征,其巡航速度至少要达到600公里/小时以上,航程超过1000公里(两项指标均接近固定翼飞机)。

  直升机虽能垂直起降,但由于旋翼限制,飞行速度相对较慢。近年来,科研人员不断寻找新的方法,以求大幅度提高直升机的飞行速度。比如,美X2直升机采用的共轴双旋翼螺旋桨推进技术。此技术是在直升机机身的水平中心轴上,分别安装一个纵向和横向的螺旋桨旋转系统,两个螺旋桨旋转系统同时工作,就会大大提高直升机飞行速度。

  目前,世界各国所使用的直升机,最高时速一般在250公里-350公里范围内。而此次西科斯基飞机公司正在研发的直升机X2最高时速将超过现役所有直升机,达到了463公里/小时,是美“黑鹰”直升机速度的2倍。俄罗斯正在研究三种高速直升机模型——“米里”设计局的米-X1以及“卡莫夫”设计局的卡-90和卡-92。通过采用双涵道喷气式发动机,卡-90直升机的最大速度将可能超过800公里/小时。

  航电系统

  高度集成智能化控制

  复杂的战场环境,对直升机设计提出更高的要求。为此,采用综合化、数字化、智能化的航空电子系统,将使直升机的飞行控制、通信导航、火力控制、电子对抗等性能得以大幅提高,进而全面提高信息化作战能力。

  一是驾驶和控制设备更先进。目前,比较先进的直升机上普遍装备有电子计算机、自动驾驶仪、多普勒导航仪、夜间驾驶仪、激光测距机等先进的驾驶及控制设备。二是安装电子战生存设备。现代直升机普遍装备有雷达报警、激光报警和导弹报警等电子战生存设备。这种多功能综合一体化的电子生存设备,使报警、识别、干扰于一体,有源和无源干扰于一体,雷达和光电对抗于一体,达到了一机多能,有效提高了直升机的战场生存能力。三是智能化控制成为新的发展方向。在综合运用各项成熟技术的基础上,直升机配备一体化的控制、导航、通信、侦察、报警、作战和故障自动显示系统,能在进行侦察过程中形成三维图像、战斗计划、情况报告,并进行导航修正和系统自检。

  隐身性能

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