從1907 年世界上第一架直升機(jī)誕生至今，直升機(jī)技術(shù)始終在不斷發(fā)展進(jìn)步。近年來，直升機(jī)技術(shù)表現(xiàn)出跨代發(fā)展特征，各技術(shù)領(lǐng)域均有較大突破。當(dāng)前，以NH90、AW101 和CH-53K 為代表的已經(jīng)或即將投入使用的最新一代直升機(jī)所采用的標(biāo)志性技術(shù)主要包括復(fù)合材料機(jī)身、無軸承/ 無鉸或球柔性槳轂、多段高性能翼型和三維槳尖形狀的槳葉、綜合航電系統(tǒng)、電傳飛控系統(tǒng)、健康與使用監(jiān)控系統(tǒng)（HUMS）等。同時(shí)，一些更為先進(jìn)的新構(gòu)型、子系統(tǒng)及先進(jìn)結(jié)構(gòu)研究也取得很多成就，先進(jìn)復(fù)合構(gòu)型高速旋翼飛行器技術(shù)獲得突破，距離產(chǎn)品成形已為時(shí)不遠(yuǎn)。
專用關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展
直升機(jī)的專用關(guān)鍵技術(shù)主要包括總體設(shè)計(jì)技術(shù)、旋翼系統(tǒng)技術(shù)、傳動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)和發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，這些技術(shù)凸顯了直升機(jī)的特色，直接決定了直升機(jī)的性能優(yōu)劣。其中，作為“三大動(dòng)部件”的旋翼系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)復(fù)雜、研制難度大；總體設(shè)計(jì)即圍繞“三大動(dòng)部件”展開，系統(tǒng)集成的復(fù)雜程度高。
01 總體設(shè)計(jì)技術(shù)
隨著直升機(jī)各專項(xiàng)技術(shù)、信息化技術(shù)及工程優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的發(fā)展和成熟，直升機(jī)總體設(shè)計(jì)已從傳統(tǒng)的面向性能設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫦蚪?jīng)濟(jì)可承受性和質(zhì)量設(shè)計(jì)，形成了針對客戶需求的總體技術(shù)方案設(shè)計(jì)能力。在直升機(jī)研制過程中，多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)、全壽命周期費(fèi)用設(shè)計(jì)、并行設(shè)計(jì)、魯棒設(shè)計(jì)等總體設(shè)計(jì)方法已得到廣泛應(yīng)用。同時(shí)，隨著綜合設(shè)計(jì)軟件的發(fā)展，直升機(jī)總體工程設(shè)計(jì)已擁有了良好的優(yōu)化平臺(tái)。未來，直升機(jī)總體設(shè)計(jì)將進(jìn)一步向綜合化、數(shù)字化方向發(fā)展，設(shè)計(jì)方法的綜合程度將越來越高，涉及的學(xué)科也將越來越廣，總體設(shè)計(jì)優(yōu)化程度不斷提高，推動(dòng)全機(jī)性能水平和經(jīng)濟(jì)可承受性的提升。
02 旋翼系統(tǒng)技術(shù)
作為直升機(jī)升力、操縱力和推進(jìn)力的主要提供單元，旋翼系統(tǒng)始終是直升機(jī)的核心技術(shù)領(lǐng)域，其技術(shù)先進(jìn)性是衡量直升機(jī)技術(shù)水平的重要標(biāo)志。為滿足不斷提升的直升機(jī)性能要求，近年來旋翼系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展勢頭迅猛，懸停效率和升阻比已分別提高到0.78 和10.5 左右。旋翼技術(shù)進(jìn)步主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
·旋翼槳轂構(gòu)型實(shí)現(xiàn)換代。球柔性槳轂和無軸承槳轂開始普遍應(yīng)用，結(jié)構(gòu)大幅簡化、控制響應(yīng)更快，新研及升級(jí)型號(hào)幾乎都采用這兩種槳轂。
·一系列高性能先進(jìn)翼型開始應(yīng)用，槳葉氣動(dòng)性能持續(xù)提升（圖1）。如法國onERA 最新翼型OA409 比OA209 升力系數(shù)提高了11%，比早期常用的NACA0012 提高了33%。先進(jìn)槳尖形狀設(shè)計(jì)使旋翼氣動(dòng)效率進(jìn)一步提升，如英國開展的“英國試驗(yàn)槳葉計(jì)劃”第四期（BERP Ⅳ），就在第三期（BERP Ⅲ）成果基礎(chǔ)上進(jìn)一步加大了槳尖部分弦長、后掠角和下反角，并優(yōu)化了三維形狀。飛行試驗(yàn)結(jié)果表明，BERP Ⅳ旋翼比BERP Ⅲ的懸停需用功率減少5%，高溫- 高原巡航需用功率降低10%~15%，飛行包線擴(kuò)展約10%；結(jié)構(gòu)響應(yīng)主動(dòng)控制系統(tǒng)在BERP Ⅳ上得以應(yīng)用，試驗(yàn)表明振動(dòng)水平降幅70% 以上，最高降幅達(dá)87%。
· 先進(jìn)旋翼子系統(tǒng)技術(shù)取得進(jìn)展，如智能旋翼、伺服襟翼單片槳葉控制、優(yōu)化轉(zhuǎn)速旋翼技術(shù)。其中，優(yōu)化轉(zhuǎn)速旋翼技術(shù)在波音的無人直升機(jī)A160“蜂鳥”上進(jìn)行了驗(yàn)證，大幅提高了航程和續(xù)航時(shí)間，其作戰(zhàn)半徑超過1852km，續(xù)航時(shí)間大于20h。另外，美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）在2010 年啟動(dòng)了名為“任務(wù)自適應(yīng)旋翼”（MAR）的新構(gòu)型旋翼概念開發(fā)項(xiàng)目，通過改變旋翼長度、后掠角、弦長、翼型弧度、槳尖形狀、扭轉(zhuǎn)角、剛度、轉(zhuǎn)速以及其他參數(shù)，以適應(yīng)不同飛行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)有效載荷和航程的大幅增加。
03傳動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)
直升機(jī)先進(jìn)傳動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)突出表現(xiàn)在高可靠性、高安全性、高效率、低成本和低噪聲等方面。目前，AH-64D、NH90、AW101 等機(jī)型的主減速器大修間隔可達(dá)3000h 以上，主減速器傳動(dòng)（三級(jí)）效率超過97.3%，干運(yùn)轉(zhuǎn)能力可達(dá)45min。同時(shí)，國外在總體構(gòu)型、系統(tǒng)可靠性、齒輪動(dòng)態(tài)特性和行星傳動(dòng)效率、高重合度傳動(dòng)、推力圓柱滾子軸承、陶瓷軸承等方面開展了一系列研究工作，部分成果已投入應(yīng)用。如AH-64E傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)用了新型分扭傳動(dòng)技術(shù)和NASA 格倫研究中心開發(fā)的面齒輪技術(shù)，不僅沒有增加整個(gè)系統(tǒng)的尺寸和重量，而且提高了25% 的傳輸功率，額定功率由2088kW 提升至2536kW，壽命也增加了1 倍，提升到10000h。
04渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)
目前，第四代渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)已得到廣泛應(yīng)用，主要特點(diǎn)是普遍采用全權(quán)數(shù)字式電子控制系統(tǒng)，總壓比超過14，渦輪進(jìn)口溫度進(jìn)一步提高，壽命延長和可靠性大幅提高等。第四代渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)采用了許多新的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)技術(shù)，包括雙級(jí)離心式壓氣機(jī)或多級(jí)超跨音速軸流加離心混合式壓氣機(jī)、回流環(huán)形燃燒室、空心氣冷葉片和陶瓷材料，并采用主動(dòng)間隙控制技術(shù)縮小葉尖間隙，進(jìn)一步提高了燃?xì)獍l(fā)生器的熱力循環(huán)參數(shù)和部件效率（圖2）。
這些新技術(shù)的應(yīng)用，使新型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的總壓比達(dá)到14~20，渦輪前溫度達(dá)到1300~1500K ；耗油率達(dá)到0.275kg/（kW·h）水平，普遍比第三代降低8% 左右，與活塞發(fā)動(dòng)機(jī)相當(dāng)；典型產(chǎn)品單位功率達(dá)到300kW/（kg/s），比第三代提高超過10% ；結(jié)構(gòu)更加簡單，維修更加方便，在外場只需簡單支架和少量專用工具，就可在短時(shí)間內(nèi)完成維修工作；普遍具有10%~20% 的功率儲(chǔ)備，在輪廓尺寸不變的情況下，可通過增加流量和渦輪進(jìn)口溫度進(jìn)一步提高功率；操縱性好，發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)對功率變化適應(yīng)性出色，在應(yīng)急情況下能夠穩(wěn)定安全地超負(fù)荷工作；抗損傷能力更優(yōu)，確保發(fā)動(dòng)機(jī)在惡劣的環(huán)境下能夠安全工作。同時(shí)，第四代渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的單元體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和低耗油率特征，直接降低了全壽命周期費(fèi)用。
從目前啟動(dòng)的先進(jìn)研究計(jì)劃看，未來渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢仍是通過開發(fā)各種先進(jìn)技術(shù)來提高功重比、降低油耗，并增強(qiáng)對高溫- 高原等嚴(yán)苛使用環(huán)境的適應(yīng)能力。下一代渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)可能在結(jié)構(gòu)上采用革命性的設(shè)計(jì)，比如使用變轉(zhuǎn)速動(dòng)力渦輪并應(yīng)用自適應(yīng)結(jié)構(gòu)等。未來的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)會(huì)更加簡單，僅需幾個(gè)扳手就能進(jìn)行拆卸，大幅降低維護(hù)時(shí)間和成本。
?