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参展飞机速览:德国BO-105直升机

2020-01-28 14:31

10月17日-10月21日,两年一度的中国国际通用航空大会在西安市曲江国际会展中心与渭南市蒲城内府机场同步举行。由欧洲直升机德国公司所剩产地多座双发轻型直升机BO-105直升机参加了本届航展的飞行器静态展示环节。

Review on Helicopter Technology Development 徐德康直升机发展经历了人类科学发展史上少有的曲折,相比固定翼飞机要艰难得多,究其原因是它的独特的旋翼飞行方式带来的技术拦路虎太多,需要多方面技术的进展才会带来直升机突破性的进展。但是未来直升机的发展趋势却正在向直升机与固定翼飞机功能合二为一的方向发展直升机的概念最早可追溯到中国古代的竹蜻蜓。据有据可查的历史记载,在晋朝葛洪所著的《抱扑子》一书中就描绘了通过旋转的竹蜻蜓垂直升空的情景和可以通过旋转的螺旋桨产生垂直的向上拉力, 它被认为是世界上最早的对垂直起降直升机基本原理的描述。尽管这些记载都缺乏可靠的依据,但竹蜻蜓对世界航空发展的贡献是举世公认的。早在热气球发明之前,竹蜻蜓就作为玩具传到了欧洲,它的奇妙的垂直升空原理被欧洲人看作是一种航空器来进行研究。西方的许多航空先驱者都是从竹蜻蜓中悟出了一些重要航空原理。三只拦路虎延阻了直升机的问世当人类于1903年发明飞机后,飞机很快就被用于战争和民用航空运输并发展极为迅速,但直升机从公元前3世纪人类开始探索至带机械动力的直升机出现,却历时2200多年,经历了人类科学发展史上少有的曲折。 阻碍直升机迟迟不能诞生有三只拦路虎:1.要能产生能提升起包括发动机和自身重量及结构重量的升力或举力;2.要能够平衡旋翼旋转时产生的转动力矩;3.要能实现对直升机飞行时的控制。在很长一段时间内,人类正是在逐步解决了这三个关键问题后,直升机才有了突破性进展。 蒸汽机的出现为航空事业带来了生机,也曾为直升机带来了一线希望,但是众多的动力飞行器研制的失败,使人们越来越认识到蒸汽机用作航空动力具有先天的缺陷。它不仅功率 / 重量比太低,而且其性能大幅度提高的可能性很有限,直到1876年德国人奥托发明了四冲程内燃机,才使发动机的功率 / 重量比达到了一个合乎航空要求的值,为直升机乃至各种重于空气飞行器的发明提供了动力保证,使动力技术问题初步得到了解决。 直升机旋翼的翼型问题是早期发展的难点,原因在于当时对旋翼的升力产生原理不是很理解。 直到20世纪,一批科学家建立起比较完善的空气动力升力理论,并开展了大量试验后,才逐渐弄清了直升机旋翼与飞机螺旋桨出自同样的工作原理,从而可以直接把为螺旋桨提供的现成的翼型用到直升机上。这样,第一个关键技术就基本上有了眉目了。 旋转的旋翼带来了直升机独有的力矩平衡问题。 直升机最常见的力矩平衡形式就是采用加尾桨,有些直升机先驱者还采用过用多个旋翼布局,通过不同的旋翼以相互反方向旋转产生互相抵消的力矩。经过不断的实践后,双旋翼布局被保留了下来,并出现了纵列双旋翼、横列双旋翼和共轴双旋翼布局形式的直升机。 这样第二个关键技术也初步得到了解决。 1906年法国直升机设计师保罗·科尔尼研制出世界上第一架有热动力、能载人离开地面的直升机。这架直升机采用了纵列式双旋翼布局,其主构架是一根大口径的钢管,由钢索系紧并与6个辅助构件连接在一起。 它的动力装置是一台水冷式安托瓦内特发动机。 这架直升机的最初试验是在1907年11月13日,试飞时由于直升机振动太大,驾驶员很难操纵,只好用绳子拴在地面上,作了离地30厘米、留空20秒的飞行。此后又进行了多次改进,操纵问题有了明显的改进,试飞终于得以成功。这也是"人力直升机"进入"带热机械动力直升机"的重要转折点,它标志着直升机的发展进入了新阶段。 由于三个关键问题都初步得以解决,许多航空设计人员开始研制实用性的直升机。 被认为世界上第一架带机械动力、具有正常操纵性能、真正实用的直升机是德国著名飞机设计师海因利希·福克设计的FW-61并列双旋翼单座载人直升机,于1936年6月26日首次试飞,成功地飞行了28秒。关键部件和技术的进展带动直升机不断完善动力效率不断提高20世纪50年代以前,各国研制的直升机无一例外都采用活塞式发动机。这种发动机除了存在噪声高、振动大、功率重量比和功率体积比都很小、操纵困难、调节系统复杂等严重问题外,最大的缺点是速度太低,航程也太短, 所以各国在50年代初开始投入大量精力探索先进的直升机发动机。英国在第二次世界大战期间,率先研制成功了涡轮螺旋桨发动机,接着专为直升机研制的涡轴发动机进展也很快。1850年,美国波音直升机公司发动机部最早试验成功了涡轮轴发动机,并于1951年成功地安装在直升机上。 西科基斯公司采用这种发动机于1954年研制成功世界上第一种涡轮轴式直升机S-59。法国宇航公司利用这种发动机研制了有名的"云雀"Ⅱ式直升机,于1955年试飞成功。它在50年代中期多次打破直升机世界纪录,飞行速度接近每小时300千米,并曾创造10911米的飞行高度纪录。由于有涡轮轴发动机提供动力保证,直升机技术获得迅速发展,主要体现在:先进的旋翼气动设计技术,旋翼桨毂向无轴承式过渡,尾桨结构发生重要变化,复合材料的广泛使用,倾转旋翼概念的突破以及其他新概念研究进展和验证等方面。 旋翼设计越来越精细 旋翼是直升机最关键部件。近年来,一些国家发展一系列变弯度桨叶翼型,从而取代了过去普遍采用的对称桨叶翼型。根据后掠机翼能有效推迟压缩性这一原理,一些直升机设计人员通过将旋翼桨叶外段后掠,改善了前行桨叶的桨尖特性。美国的S-76、UH-60、AH-64等直升机应用了这一设计原理后,不仅提高了飞行品质,同时也改善了直升机前飞时的速度稳定性和悬停性能。 现代直升机已经分为单旋翼加尾桨和双旋翼两大流派。目前世界上制造单旋翼直升机的除了美国的西科斯基公司和俄罗斯米里设计局外,比较出名的还有美国的麦道直升机公司、贝尔直升机公司、欧洲直升机公司、英国韦斯特兰公司和意大利的阿古斯塔公司。在双旋翼流派中,目前只剩下三种机型发展得比较成熟:美国波音直升机公司的前后纵列式双旋翼"支奴干",美国凯门公司的横列交叉式双旋翼K-MAX"空中起重机"和俄罗斯卡莫夫设计局的共轴式双旋翼的卡氏系列直升机。尾桨布局越来越新奇 单旋翼直升机为了平衡旋转扭矩,一般需用10%~15%的总功率来驱动尾桨,以抵消旋翼扭矩。传统的直升机尾桨直径较大,安装较低, 向外较突出,因而容易引起飞行事故或造成地面人员伤害。从50年代起,科研人员先后就尾桨结构布局形式进行了新的研究与探索。 法国在20世纪70年代研制的"海豚" 直升机,将尾桨嵌在直升机垂尾的下部分,形成了所说的涵道尾桨。它克服了常规尾桨的诸多缺点,提高了尾桨的效率。由于尾桨不再突出在外面,所以地面安全性有了很大的改善。 美国麦道直升机公司还在80年代研制了一种没有机械尾桨的直升机MD 520,它是靠从尾部吹出的一股气流来平衡旋翼的力矩。这种气动尾桨的直升机不但提高了飞行性能和地面安全性,而且噪声也大大下降。 复合材料广泛使用复合材料由于重量轻、弹性强度好、疲劳寿命长,因而在直升机上得到非常广泛的应用。在20世纪60年代中期,已经出现了玻璃钢复合材料桨叶,其寿命比金属桨叶提高了3倍,重量大大减轻,维护也十分方便。 到20世纪70年代中期,桨叶已改用新型复合材料,寿命达到无限期水平。与此同时,复合材料也在直升机结构材料中大量运用。这些材料包括碳纤维、玻璃钢、蜂窝夹层、玻璃纤维、合成树脂、芳伦纤维等。它们可以按设计要求,加工成复杂的整体形状,不仅重量轻、部件少,而且安装、拆卸维护非常方便。80年代中期,美国波音直升机公司还研制出了世界上最大的全复合材料直升机波音369 。 广泛采用复合材料使直升机重量大大下降,结构重量减轻25%,总重减小15%,制造成本下降了50%。 航空电子进展迅速 除了旋翼和发动机这两个关键方面的重大进展之外,航空电子系统迅速发展也为直升机的发展做出了重要贡献,包括信息、显示、任务管理、故障监测、增控增稳、火力控制等各系统,对提高直升机的使用效能和飞行安全的改善起着重要作用。这方面的技术进步目前仍在迅速发展之中。系统综合程度加快 战场严酷的作战环境,复杂的气象条件,长时间贴地飞行,多种任务管理,对现代武装直升机的航空电子系统提出了越来越高的要求,因此,美、俄和西欧等国家十分重视航空电子系统的发展,并逐步实现了系统高度综合和自动化。 例如美国正在研制之中的RAH-66直升机的航空电子系统代表了这种发展潮流,它配备有三条数据总线,从而加快了数据传能力。 此外它还采用了三余度数字式飞行控制系统,具有超低空增稳和自动驾驶功能,从而大大改善了飞行人员的工作环境,减轻了飞行人员的负担,同时也有利于提高武装直升机的作战能力。重大技术突破推动直升机更新换代花开四代 在过去的大约半个世纪中,直升机在技术上经历了几项重大的突破性进展,从技术特征来看,大体可以分为以下四代。 从第一架可以正式飞行的直升机问世至20世纪60年代初期,是第一代直升机发展的阶段。这一代直升机的主要技术特征是:以活塞式发动机为动力;旋翼桨叶为金属 / 木质混合式;机体为由钢管焊接成的桁架式或铝合金半硬壳式结构;装有简易的仪表和电子设备。直升机最大平飞速度约每小时200千米,全机振动水平和噪声水平均较高。典型的机型如米-4、贝尔47等。 从20世纪60年代初期到70年代中期,为第二代直升机阶段。这一代直升机的主要技术特征是:动力为第一代涡轮轴式发动机;旋翼采用全金属桨叶与金属铰接式桨毂结构;机体仍主要为铝合金半硬壳式结构;开始装有最初的集成微电子设备。直升机的最大平飞速度约每小时250千米,振动水平和噪声水平有所降低。典型的机型有米-8、"超黄蜂"等。 从20世纪70年代中期至80年代末,属于第三代直升机阶段。这一代直升机主要技术特征是:动力为第二代涡轴发动机;旋翼由全复合材料桨叶及带有弹性元件的桨毂构成;机体结构部分使用复合材料;采用大规模集成电路的电子设备和较先进的飞行控制系统。直升机的最大飞行速度约每小时300千米,振动和噪声又进一步得到控制。典型的机型有"海豚"、"山猫"、"黑鹰"、"阿帕奇"等。 从20世纪90年代以来,直升机技术发展进入第四代,也是当今最先进的一代。这一代直升机的主要技术特征包括:安装第三代涡轴发动机;装有进一步优化设计的翼型、桨尖和先进的复合材料旋翼桨叶;采用无轴承或弹性铰式等新型桨毂;机体结构大部分或全部使用复合材料;操纵系统改为电传操纵;机载电子设备采用数据总线、综合显示和任务管理,以及先进的飞行控制、导航设备等系统;最大平飞速度约为每小时315千米,振动和噪声已得到良好的控制,还有很好的隐身性能。典型的机型有"科曼奇"、"虎"、NH-90等。集现代技术于一身的现代武装直升机 在直升机的发展中,武装直升机是最集中地体现了现代直升机的技术特点。随着直升机技术的发展、武器火控系统性能的提高,以及最新微电子技术的应用,武装直升机正在发展成为一种完整、独立、具有高度机动能力的多功能的武器系统。 多功能的武装直升机既有对地攻击能力,又有空战能力和侦察探测能力。这种设计思想要求直升机从基本型研制开始就需要考虑同时兼顾其他任务的要求。美国新研制的第四代隐身武装直升机RAH-66"科曼奇",就同时考虑了武装侦 察、反坦克、对地攻击和空战等多方面的作战需要,因而派生出多种型号,即武装侦察型、攻击型和空战型等。 俄罗斯的卡-50"黑鲨"、卡-50H"夜鲨"和卡-52"短吻锷"也是俄罗斯系列战斗直升机,是从武装侦察型、反坦克型/对地攻击型和空战型等多方面考虑设计的。 德国和法国联合研制的"虎"式直升机也有反坦克型和战斗支援型。意大利研制的A-129也有反坦克型和空战型。现代武装直升机武器的有效载重量更大,挂载的武器种类更多,武器的精确度更高。例如RAH-66的机体虽然不大,空机重量只有3500千克,但机内武器舱和短翼武器挂架就能带约1600千克的导弹、火箭,达到了机体重量的一半。RAH-66装有先进的航空电子设备,具有在昼夜及恶劣气象条件下执行任务的能力。现代武装直升机的最大特点就是在敌之前先敌发现先敌攻击或在敌地面火力范围之外先行攻击。例如与AH-64"阿帕奇"直升机相比,RAH-66"科曼奇"直升机发现目标的距离可增加40%,而且现在直升机装备的新型反坦克导弹的射程已从原来的3~4千米增加到5~10千米。在提高破甲威力的同时,特别着重发展导弹 "发射后不管" 的主动搜寻目标制导技术,以减少发射导弹后直升机的暴露时间。 武装直升机作为一种战争武器,既要有很强的攻击能力,又必须具有在恶劣的战场环境下的高生存能力,包括防控探测性、机动规避、易损性、抗坠毁机体和抗战伤能力。许多国家已经或正研制各种新材料和应用各种新技术,以提高直升机的抗弹击能力。如用陶瓷材料和复合材料等新式装甲防护材料,可极大提高直升机的抗弹伤能力;采用多余度设计,当其中一套不能工作时,其余的系统仍可继续工作。 为了使直升机在遭到极大破坏的情况下仍能生存,未来直升机将更广泛地采用"跪"式吸能起落架、抗坠毁座椅、防弹自密封抗坠毁油箱等抗坠毁吸能材料。 为适应未来战场环境,像RAH-66这类现代武装直升机将真正具有24小时全天候飞行和作战能力,而且还能在核武器、生化武器及各种电磁威胁的环境下作战。 更好的隐蔽性,是未来直升机提高自身生存力最有效的手段。美国的RAH-66被认为是世界上第一种隐身直升机。它的雷达反射截面积仅为普通直升机的1%,加上雷达干扰器,可使敌方探测手段基本失灵。 RAH-66还是一种最"冷"的直升机,它把红外抑制技术综合运用到机体中,使排气温度降低,从而保护直升机不受热寻的导弹攻击。RAH-66采用纵列式座舱,机身细长,武器内藏,起落架可收起,座舱采用平板玻璃,能有效地减少阳光漫射,全机表面采用暗色的无反光涂料,以减少直升机的反光强度,这些都有利于对目视隐身 。 另外,RAH-66采用了5片桨叶旋翼,试验证明5桨叶被目视探测的机会,比采用2片桨叶的直升机减少85%左右。还采用了新式尾桨、减少了桨叶间的气动干扰,大大降低了尾桨部分的噪声,可降低噪声60%。新概念的出现把直升机推向未来自二次世界大战以来,虽然直升机技术有了很大的进展,如采用了涡轮发动机、发展了新的旋翼翼型和结构工艺等,但从总体布局来看却没有多大的变化。现在国外已出现了不少采用各种新技术的布局新颖而性能优异的直升机,并取得了一些突破性的进展,展示了直升机发展的广阔前景。未来的直升机不仅其布局与现在的大相径庭,而且其功能也将进一步与固定翼飞机相融合,以至必须使用新的名称、定义和概念了。 倾转旋翼机 新概念直升机之一的"倾转旋翼机"突破了传统直升机的传统概念,和固定翼飞机融合成一种既具有直升机垂直起落特性,又具有固定翼快速飞行特性的新飞行器了。 为了提高倾转旋翼机悬停和巡航飞行时的效率,美国波音公司正在研究在倾转旋翼机桨叶中采用"智能"材料,如压电动器和形状记忆合金,以使桨叶能根据不同飞行方式,达到扭转最佳化,致使倾转旋翼机有效载荷增加400千克或航程增加130千米。 美国西科斯基公司还在为倾转旋翼机研制可变直径旋翼,其旋翼桨叶可以伸长和缩短,以适应不同的飞行方式,如在悬停时桨叶可以伸长,旋翼直径变大,在前飞时桨叶则缩短,旋翼直径变小。 研究表明,如果V-22的每片桨叶伸长50%,则有效率载荷提高35%,把它换算成燃油载量,则其航程可增加70%至100%。 欧洲也提出了一个"欧洲倾转旋翼机"计划。这种设计方案只转动发动机短舱前面的旋翼部分,而发动机仍保留在水平位置不动。这样,发动机不必为自身的倾转运动进行修改,机翼结构设计也简单。"欧洲倾转旋翼机"为19座10吨级,巡航速度每小时556千米,航程约1 500千米。 一个以意大利阿古斯塔公司为主的欧洲联合研究小组,还提出了一种20座倾转旋翼机方案,其特点是机翼外段随发动机短舱和旋翼一起倾转,而内段机翼是固定的。该机在作悬停与垂直飞行时,旋翼下洗气流不会打击在固定的水平机翼上,升力效率可提高约12%。 倾转机翼-旋翼机 与倾转旋翼异曲同工的是"倾转机翼-旋翼机",即飞机作直升机模式和飞机模式的相互转换飞行时,机翼与旋翼一起旋转。实际上,在这种飞行器上体现出的直升机和旋翼机特点都不明显了,可以说是一种新概念直升机的远亲。该机采用左右侧反向旋转的旋翼和分裂式襟翼与副翼进行横向操纵,既没有尾翼,也没有尾桨,是一种无尾倾转机翼-旋翼机。 但该机不像加拿大的CL-84 那样,能真正做90度的垂直起飞和着陆,而是一种能运载30吨重物的超短距起落的运输机。它能在简易机场的180米长的临时跑道上起降,起飞离地速度只有每小时80千米,而C-130J运输机的起飞速度为每小时200千米,起飞滑跑距离约1000米。 波音公司正在研制的"超蛙" 倾转机翼-旋翼机比C-130J略小,但最大起飞重量为270吨,是C-130J运输机的3倍,在满载时,航程可达到3300千米,和C-130J差不多。如果经费充足,该机有望在2011年研制成功。 复合式直升机 直升机与固定翼机的进一步结合是复合式直升机,或组合式直升机,它们都是在直升机布局上再加一个固定机翼和专门用于平飞的发动机 。 现在在研制中的一个方案是"前翼-旋翼-机翼"三种飞行模式的组合:叶尖喷气翼直升机;旋翼在飞行中被固定的直升机;三翼面固定机翼飞机。 在起飞时,发动机的排气流通过管道从旋翼桨叶的梢部喷出,驱动旋翼旋转,同时,气流也被引导到尾部两侧的喷嘴喷出,以控制飞行方向。 起飞后,随着飞行速度的增加,旋翼上的升力逐渐被转移到前置机翼和水平尾翼上。随着飞行速度的增加,旋翼转速将减慢,然后停转并锁住,旋翼就成为与机身成90度的一副固定机翼,整个飞行器就完全以固定翼飞机的方式飞行。 这种旋翼直升机的最大速度达到每小时700千米。 现在波音公司也在美国国防部预研局的合同下,正在研制一种无人驾驶的"前翼-旋翼-机翼"直升机验证机--"蜻蜓",重量约1100千克,动力为一台低涵道比发动机。 可以预见,在新的世纪里,直升机必将会冲破传统设计框框的束缚,向更高、更远、更快腾飞。

该机搭载了2台艾利逊公司的250-C20B涡轴发动机,单台功率313千瓦,单台最大连续功率298千瓦。旋翼直径9.94米,尾桨直径1.90米,包括旋翼与尾桨在内的机身长度为11.86米,至旋翼桨毂顶的机身高度可达3.02米。空机重量1301千克,最大起飞重量2500千克。

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