旋翼创新升级推动国产直升机跨越发展

■ 林志刚

旋翼创新升级推动国产直升机跨越发展

■ 林志刚

我国直升机旋翼设计技术起步于上世纪六七十年代的直-5、直-6和直-7研制时期，发展于八十年代测仿的直-8金属全铰接式旋翼和参考样机设计的直-11星形柔性旋翼研制，而真正形成能力则是通过直9复合材料旋翼反设计研究、25B旋翼原理样机预先研究、直-10旋翼先期攻关与国际合作研制。在此基础上，自主研制成功大型直升机先进复合材料旋翼系统。

旋翼系统是直升机最具特色、最为关键的标志性部件。直升机之所以不同于绝大部分固定翼飞机，能够垂直起降，就是因为它采用的是旋翼系统。常规直升机旋翼系统一般采用单旋翼带尾桨构型，也有采用双旋翼构型，提供直升机前飞、侧飞、后飞等各种飞行状态所需的升力和操纵力。

旋翼由数片桨叶和桨毂构成，桨叶连接在桨毂上，桨毂安装在旋翼轴上，旋翼轴由发动机经过传动系统带动旋转。桨叶旋转时与周围空气相互作用，产生气动力。直升机对旋翼系统要求极为严苛，旋翼设计工作在行业内被称为“刀锋上的行走”，每一项旋翼技术的进步，都意味着直升机关键性技术的突破。纵观世界各大直升机行业巨头，均将旋翼技术视为核心机密，不惜花费巨资进行研究，旋翼技术水平也成为衡量直升机先进程度的关键指标之一。

我国直升机旋翼设计技术起步于上世纪六七十年代的直-5、直-6和直-7研制时期，发展于八十年代测仿的直-8金属全铰接式旋翼和参考样机设计的直-11星形柔性旋翼研制，而真正形成能力则是通过直9复合材料旋翼反设计研究、25B旋翼原理样机预先研究、直-10旋翼先期攻关与国际合作研制。在此基础上，自主研制成功大型直升机先进复合材料旋翼系统。

当前，我国已经大量装备了以直-10为代表的第三代技术水平的直升机，国产民用直升机AC313、AC311A等已具备较强的市场竞争力，形成了“探索一代、预研一代、研制一代、生产一代”的合理格局和“一机多型、系列发展、军民互动”的良好态势。我国直升机型号之所以能够快速实现升级换代、跨越发展，其重要原因首先就是得益于旋翼技术的持续进步。

创新发展球柔性旋翼，促进军民机展翼蓝天

球柔性旋翼构型研究是我国直升机旋翼技术发展的关键一环，相具有比星形柔性桨毂更加结构简单、安全可靠、使用寿命更长等特点，是当代世界先进直升机旋翼系统的主流，适用于大小吨位和不同任务的各型直升机。但是，其结构简单的背后是高强度长寿命桨毂设计、大载荷金属/橡胶叠层复合弹性元件研制和更加复杂的气动和结构动力学设计等难题。

“八五”期间，为尽快缩短与国外先进技术水平的差距，实现旋翼技术跨越发展，直升机所瞄准国际发展趋势，决定把国际上最为先进的、仅有欧美掌握的球柔性旋翼技术作为着力点。利用专项预研和直10预先发展——旋翼技术先期攻关研究课题，启动了以球柔性旋翼为代表的“25B”旋翼原理样机研究工作。

这项任务是对直升机所整体技术能力的艰巨挑战。然而，尽管艰难险阻重重，按照参研人员的话说是“几乎掉了一层皮”，历经近十年的攻关，我国第一幅完全自主研制的先进球柔性旋翼系统，拥有包括翼型、国产复合材料桨叶、钛合金桨毂和弹性轴承、粘弹阻尼器等诸多创新在内的旋翼原理样机，于1999年12月底实现了首飞，并于2001年完成了在直11直升机上的飞行演示验证。

欧洲的A-129、EC155、NH-90、EH101和美国的S-92等具备代表意义的新研直升机，包括直-10对外合作的方案，全都采用球柔性旋翼系统。因此，这一成果不仅标志着我国掌握了先进球柔性旋翼技术，使我国跨入世界先进旋翼技术的行列，而且与国外先进技术水平的差距缩短了近30年，荣获国防科技进步一等奖。

有了完全立足国内设计、材料、工艺与试验技术研制的“25B”旋翼原理样机形成经验和基础，加上国际合作的技术沉淀，特别是对国外技术和工程经验的消化吸收，极大增强了直升机所在新型号上自主研发球柔性旋翼系统的信心。在13吨级大型直升机直8平台的升级换代和直10旋翼系统的国产化项目中，研制的球柔性旋翼系统相继获得了成功。以此为基础，采用球柔性旋翼系统的AC313、AC311等民用直升机也相继取得适航证。球柔性旋翼具有的结构简单、维护性好、单元体设计、重量轻等优点再次得到了发挥，成为国产直升机的当家花旦！

挑战无铰无轴承旋翼，二十年砺剑出鞘

通过几代中航直升机人的不懈努力，直升机所已经吃透了球柔性旋翼技术，并一直朝着发展更先进的旋翼技术迈进。特别是在“十二五”期间，无铰/无轴承旋翼技术、主动挥舞控制（ACF）智能旋翼技术、倾转旋翼技术等取得了重大进展。

在直升机领域，无轴承旋翼作为常规构型直升机旋翼技术先进水平的代表，散发着令直升机设计者痴迷的独特魅力。无轴承旋翼通过复合材料柔性梁的弹性变形取代传统旋翼桨毂的水平铰、垂直铰和轴向铰，实现桨叶的挥舞、摆振和变距运动。它结构简单、零件数目少、重量轻，又具有操纵功效高、敏捷性好、可靠性高、维护简单、较低的全寿命周期成本等优点，因此，无轴承旋翼正逐步成为先进直升机，尤其是中小型武装直升机的旋翼首选构型。

相比国外，国内在无轴承旋翼技术的研究方面起步较晚。“九五”期间，直升机所通过预研工作，初步进行了无轴承尾桨变截面、大变形柔性梁元件的刚度特性研究。“十五”期间进行了无轴承尾桨的全面技术攻关，实现了无轴承尾桨的国产化研制，到“十一五”期间进行了前期的无轴承旋翼技术的基础研究，“十二五”期间正式开展了全尺寸旋翼的研制和装机验证。

在型号上，直-10尾桨采用了“剪刀”式无轴承结构，两对尾桨叶通过法兰盘连接在一块，再与尾轴相连。在对外合作、消化的基础上，2010年实现了无轴承尾桨的国产化。尽管尾桨远不如旋翼复杂，国产化研制中也遇到了许多难题，但为无轴承旋翼技术的发展提供了有力的支持。

2015年5月，历经近10年的探索研究、攻坚破难，我国第一幅无轴承旋翼实现装直-11验证机首飞成功，标志着直升机所在国家“863”项目----先进直升机技术研究课题任务达到预期目标，完成了无轴承旋翼的装机考核，无轴承旋翼技术获得创新突破。研制过程中，先后进行了无轴承缩比模型的风洞试验、全尺寸旋翼实验室试验、旋翼塔试验、装机地面试验等，实现装机悬停飞行验证，为后续开展飞行演示验证奠定了基础。

在无轴承旋翼取得新突破的同时，无铰旋翼技术也得到长足发展。无铰旋翼的特点是取消了挥舞铰和摆振铰，保留变距铰，使得它相对于铰接式旋翼来说，结构更简单，零件数目大为减少，重量轻，可靠性高，维护简单，具有很低的全寿命周期成本。新型无铰旋翼同样是第四代直升机旋翼系统的典型代表，同样适合武装直升机对高机动性、高敏捷性的要求，为了突破新型无铰旋翼关键技术，直升机所历经十年的技术积累，紧扣未来型号需求，建立了专业研发团队，着力发展先进的新型无铰旋翼技术。首先，对新型无铰旋翼的总体方案设计进行了深入研究，初步摸清了如何确定新型无铰旋翼的总体参数和动力学特性参数。在此基础上，进一步实施了旋翼总体设计、动力学特性分析和关键构件设计。“十二五”期间，研发团队完成了无铰旋翼原理样机的桨毂和桨叶根段设计，开展典型构件试验验证，基本掌握了新型无铰旋翼总体构型设计技术，突破了新型无铰旋翼的设计、制造和试验等关键技术，为未来新型号无铰旋翼研制奠定了基础。

新型无轴承和无铰旋翼技术是常规直升机划代的重要标识，其关键技术的突破，使国产直升机旋翼技术朝着世界先进水平又迈出了坚实的一步。同时，先进旋翼技术的应用又将进一步提升型号技战术性能和市场竞争力，并直接拉动国产直升机的快速发展。

发展新型先进旋翼技术，大步走向未来

2016年3月，直升机所“基于ACF的智能旋翼悬停试验”宣告完成。这是国内首次四米智能旋翼的主动控制试验，也是国内转速最快、最接近真机使用情况的智能旋翼试验。通过此次试验，技术人员建立了多种控制条件下不同工况的试验数据，为摸清旋翼主动控制与减振规律奠定了基础，掌握了智能旋翼研究中的一整套研发流程和关键技术，同时孕育了推动后续发展的新项目，为推进第五代智能旋翼的发展奠定基础，这意味着，直升机所科研人员已经开启了实现我国直升机旋翼智能化、绿色化的新路，直升机旋翼全新的未来，即将来到。

课题组由直升机所“胡和平班组”抓总，试验设备安装了旋翼操纵控制、动力系统控制、旋翼测控系统，还增加了内置旋翼桨叶驱动机构与后缘小翼主动控制机构，解决了调试、同步触发、控制等诸多难题。智能旋翼是传统直升机旋翼同现代控制技术相结合的产物，其旋翼桨叶能够识别外界信息，桨叶可根据获得的信息自行调整自身状态，从而使旋翼能够减振、降噪，如此一来，直升机的舒适性将大幅度提升。目前，欧洲空直公司研发的新一代智能旋翼系统“Blue Pulse”已经完成了在H145上的装机验证，并将应用于H160直升机上。“胡和平班组”的研发成果显示，直升机所正迎头赶上世界的最新发展潮流。

此外，直升机所还在旋翼防除冰、自动折叠等技术领域实现重大突破，打破了欧美技术垄断。以高速飞行为标志、作为五代直升机特征的共轴刚性双旋翼首次悬停试验获得成功，新构型旋翼技术发展方兴未艾。

在十一届珠海航展上，直升机所以超前的思维，创新展示了磁悬浮旋翼飞行器和“短尾隼”横列式高速直升机原理验证机2款新概念旋翼机。这些新构型的直升机承载着研发人员突破直升机瓶颈的设想，他们希望能研制出一种航空器，既有直升机独特的各种近地面机动能力，又具有常规固定翼飞机的高速度、大航程。也许不用多久，科幻大片中的那些酷炫飞行器就将从你的全世界飞过。

（作者单位：中航工业直升机所）