楊玉騰 李治權(quán) 冷俊杰

摘 要：高速旋翼機(jī)能夠滿足我國(guó)復(fù)雜地理環(huán)境對(duì)航空裝備提出的特定任務(wù)需求，是未來(lái)飛行器重點(diǎn)研究方向之一。為探究在特定任務(wù)下不同高速旋翼機(jī)構(gòu)型的性能特點(diǎn)和任務(wù)能力，本文圍繞我國(guó)高原、遠(yuǎn)洋任務(wù)需求，提出滿足大速度、遠(yuǎn)航程、強(qiáng)機(jī)動(dòng)等要求的雙傾轉(zhuǎn)旋翼、四傾轉(zhuǎn)旋翼構(gòu)型概念方案?；谌蝿?wù)需求指標(biāo)建立總體參數(shù)估算模型、飛行性能計(jì)算模型和任務(wù)效能評(píng)估模型，從懸停效率、巡航性能、投送能力、機(jī)動(dòng)能力等多個(gè)維度對(duì)不同構(gòu)型方案進(jìn)行對(duì)比分析，為未來(lái)高速旋翼機(jī)研究提供參考。

關(guān)鍵詞：高速旋翼機(jī)； 任務(wù)需求； 總體設(shè)計(jì)； 飛行性能； 任務(wù)效能

中圖分類號(hào)：V275+.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2023.05.002

直升機(jī)具備垂直起降、空中懸停、機(jī)動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)代航空裝備體系中不可或缺的組成部分。經(jīng)過多年的發(fā)展，常規(guī)直升機(jī)平臺(tái)技術(shù)已日趨成熟，飛行性能的提升空間越來(lái)越小。隨著飛行環(huán)境日益復(fù)雜，為提高直升機(jī)的任務(wù)能力和生存能力，對(duì)其性能水平尤其是飛行速度提出了更高要求[1-2]。高速旋翼機(jī)除了具有常規(guī)直升機(jī)垂直起降、機(jī)動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)外，還具有速度快、航程遠(yuǎn)等突出優(yōu)勢(shì)，能夠更好地滿足未來(lái)任務(wù)場(chǎng)景對(duì)旋翼機(jī)提出的性能和能力要求，使航空裝備的整體任務(wù)能力，尤其是靈活投送、遠(yuǎn)程運(yùn)輸和應(yīng)急救援保障能力得到顯著提升[3]。

另外，我國(guó)國(guó)境線漫長(zhǎng)、高原山地眾多、河流海域遼闊，同時(shí)具有廣袤的森林草原，這些鮮明的地理特征對(duì)我國(guó)航空裝備發(fā)展提出了特定的任務(wù)需求[4]，高原救援、遠(yuǎn)程運(yùn)輸、海上搜救等任務(wù)成為后續(xù)航空裝備發(fā)展的關(guān)鍵考慮因素。高速旋翼機(jī)可作為我國(guó)未來(lái)航空裝備體系中高速裝備的重要補(bǔ)充，在高原、海上等復(fù)雜環(huán)境下，承擔(dān)包括突擊運(yùn)輸、后勤補(bǔ)給、應(yīng)急救援在內(nèi)的多種任務(wù)。因此，推動(dòng)直升機(jī)高速化發(fā)展，突破高速旋翼機(jī)技術(shù)，對(duì)我國(guó)航空裝備體系建設(shè)具有重要意義。

自20世紀(jì)50年代開始，國(guó)外一直在進(jìn)行高速新構(gòu)型旋翼機(jī)技術(shù)研究，并涌現(xiàn)了大量高速旋翼機(jī)型號(hào)和概念方案，如XV-1、XV-3、XV-15、V-22、V-280、AW609、V-44等。其中，V-22“魚鷹”傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)最大巡航速度可達(dá)508km/h，航程最高可達(dá)3892km；四傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)V-44在具備原有傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)飛行性能的基礎(chǔ)上，具有更強(qiáng)的裝載能力[5]。

目前國(guó)內(nèi)針對(duì)高速新構(gòu)型旋翼機(jī)技術(shù)已開展過相關(guān)研究，但大多數(shù)研究仍停留在設(shè)計(jì)、計(jì)算等工作上，尚未開展過技術(shù)驗(yàn)證機(jī)研制和飛行試驗(yàn)等相關(guān)工作，技術(shù)成熟度較低，與國(guó)外差距較大。

為促進(jìn)我國(guó)高速旋翼機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，探究在我國(guó)特殊地理環(huán)境下，不同高速旋翼機(jī)構(gòu)型的性能特點(diǎn)和任務(wù)能力，本文基于任務(wù)需求，對(duì)不同構(gòu)型的高速旋翼機(jī)方案進(jìn)行飛行性能和任務(wù)效能分析研究。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 任務(wù)需求分析

我國(guó)有2/3的地區(qū)是高原、次高原、山地地形[4]，高海拔地區(qū)空氣稀薄、大氣壓低、天氣復(fù)雜多變，對(duì)人員及裝備都會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響[6]。此外，高原地區(qū)機(jī)場(chǎng)數(shù)量不足使得固定翼飛機(jī)的運(yùn)輸、救援能力受到嚴(yán)重制約。具備垂直起降能力的高速旋翼機(jī)能夠不受機(jī)場(chǎng)限制，將人員、物資等快速運(yùn)送到指定地點(diǎn)，顯著提高運(yùn)輸效率和救援能力。因此，高原任務(wù)能力是高速旋翼機(jī)構(gòu)型設(shè)計(jì)階段的重要考慮因素。

隨著海上任務(wù)向立體化、多層次發(fā)展，提升航空裝備體系海上任務(wù)能力的需求也愈加緊迫[7]。現(xiàn)有常規(guī)直升機(jī)無(wú)法做到廣域高速搜救，常規(guī)固定翼飛機(jī)的近海面懸停和低速機(jī)動(dòng)能力弱。高速旋翼機(jī)具有行動(dòng)敏捷、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、受天氣海況影響小、搜尋范圍大等優(yōu)點(diǎn)，可用于執(zhí)行海上運(yùn)輸和海上救援任務(wù)，為船艦、航母、島礁等提供快速的應(yīng)急物資遠(yuǎn)程運(yùn)輸保障，以及在軍事行動(dòng)或民用活動(dòng)中，為墜機(jī)人員、遇險(xiǎn)船員等實(shí)施快速救援。

基于對(duì)高速旋翼機(jī)的基本特征和任務(wù)需求分析，本文構(gòu)建了高原救援、高原運(yùn)輸、海上運(yùn)輸、貼海搜救4個(gè)任務(wù)場(chǎng)景，并針對(duì)每個(gè)任務(wù)場(chǎng)景，分別對(duì)高速旋翼機(jī)提出關(guān)鍵指標(biāo)需求。其中，裝載能力需求主要參考我國(guó)現(xiàn)有的救援及運(yùn)輸任務(wù)，搭載人員按每人90kg重量（質(zhì)量）計(jì)算，搭載的物資及裝備按實(shí)際救援設(shè)備重量及有可能搭載的物資裝備進(jìn)行設(shè)計(jì)。各任務(wù)場(chǎng)景的具體描述如下。

高原救援（任務(wù)1）：高速旋翼機(jī)搭載5.6t有效載荷（2名駕駛?cè)藛T，2名機(jī)務(wù)人員，4名醫(yī)療人員，10名傷員，救援物資及搭載設(shè)備3.98t）及1t燃油，在4500m高度下飛向200km外的任務(wù)區(qū)快速、高效地開展救援。

高原運(yùn)輸（任務(wù)2）：高速旋翼機(jī)搭載2.6t有效載荷（2名駕駛?cè)藛T，2名機(jī)務(wù)人員，2名運(yùn)輸人員，運(yùn)輸物資及裝備2.06t）及4t燃油，在4500m高度下以400～500km/h的速度飛向1300km外的任務(wù)區(qū)，利用大速度、遠(yuǎn)航程等技術(shù)優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距機(jī)動(dòng)投送。

海上運(yùn)輸（任務(wù)3）：高速旋翼機(jī)搭載9.6t有效載荷（2名駕駛?cè)藛T，2名機(jī)務(wù)人員，6名運(yùn)輸人員，運(yùn)輸物資及裝備8.7t）及3t燃油，在1000m高度下以400～500km/h的速度飛向720km外的任務(wù)區(qū)，在較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)島礁機(jī)動(dòng)投送和航母補(bǔ)給等。

貼海搜救（任務(wù)4）：高速旋翼機(jī)搭載4.6t有效載荷（2名駕駛?cè)藛T，2名機(jī)務(wù)人員，3名醫(yī)療人員，8名傷員，救援物資及搭載設(shè)備3.25t）及8t燃油，在1000m高度下，完成覆蓋周邊近900km范圍內(nèi)的貼海搜救任務(wù)（航程不少于2000km）。各任務(wù)場(chǎng)景的需求指標(biāo)匯總見表1。

1.2 構(gòu)型參數(shù)設(shè)計(jì)

目前，國(guó)際在役、在研的高速遠(yuǎn)程運(yùn)輸飛行器構(gòu)型的近地（海）任務(wù)能力弱，在我國(guó)特有的高原環(huán)境下近地機(jī)動(dòng)、垂直起降能力差，無(wú)法滿足特定任務(wù)需求。因此，亟須開展適用于我國(guó)高原及海上任務(wù)的高速旋翼機(jī)構(gòu)型方案設(shè)計(jì)。

高速旋翼機(jī)構(gòu)型主要有共軸剛性旋翼構(gòu)型和傾轉(zhuǎn)旋翼構(gòu)型兩種，這些構(gòu)型形式各有其特定的性能優(yōu)勢(shì)和局限[8]。共軸高速直升機(jī)具備良好的機(jī)動(dòng)性和垂直起降能力，主要用于攻擊和偵察，但是航程和飛行速度（400km/h左右）具有一定局限性，且不適用于中型以上直升機(jī)；傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)在運(yùn)輸方面的性能尤為突出，巡航效率、經(jīng)濟(jì)性、巡航高度、航程、振動(dòng)噪聲水平等相對(duì)較好，具有更高的飛行速度（超過500km/h）和實(shí)用升限，同時(shí)具有更大的有效載荷、航程以及更快的響應(yīng)速度，適用于高原及海上運(yùn)輸投送、應(yīng)急救援等任務(wù)場(chǎng)景[9]。因此，結(jié)合本文提出的任務(wù)場(chǎng)景需求，選取傾轉(zhuǎn)旋翼構(gòu)型為研究對(duì)象。

傾轉(zhuǎn)旋翼構(gòu)型主要有雙傾轉(zhuǎn)旋翼和四傾轉(zhuǎn)旋翼兩種。雙傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)巡航效率高、航程遠(yuǎn)，相比于四傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟，但是機(jī)動(dòng)性較差，主要用于兩棲登陸運(yùn)輸；四傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)具備較強(qiáng)的載重能力，同噸位下全機(jī)尺寸更緊湊，近地機(jī)動(dòng)性和生存能力也更強(qiáng)，飛行速度和航程比現(xiàn)役的雙傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)或在研的共軸高速直升機(jī)更優(yōu)，能夠更好地滿足未來(lái)使用場(chǎng)景對(duì)直升機(jī)性能和能力的要求。為進(jìn)一步分析傾轉(zhuǎn)旋翼構(gòu)型的性能特點(diǎn)，根據(jù)提出的任務(wù)場(chǎng)景和需求指標(biāo)，基于直升機(jī)總體設(shè)計(jì)相關(guān)文獻(xiàn)提出的總體參數(shù)設(shè)計(jì)流程[10]，對(duì)傾轉(zhuǎn)旋翼構(gòu)型開展總體方案設(shè)計(jì)，同時(shí)設(shè)計(jì)在相同功率下滿足4500m懸停高度的單旋翼帶尾槳常規(guī)直升機(jī)構(gòu)型方案作為參照，設(shè)計(jì)結(jié)果見表2。

2 飛行性能分析

四傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)相比于雙傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)增加了一副旋翼/機(jī)翼系統(tǒng)，所以空機(jī)重量相對(duì)較大，但是增加旋翼可提高設(shè)計(jì)重量，從而增加任務(wù)載重，因此，四傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)可能具備更大的高原載重潛能。為進(jìn)一步探究?jī)A轉(zhuǎn)旋翼構(gòu)型的性能特點(diǎn)，對(duì)構(gòu)型方案進(jìn)行飛行性能分析。

2.1 主要性能參數(shù)

懸停性能主要包括無(wú)地效懸停升限和有地效懸停升限兩種。任務(wù)需求中對(duì)高速旋翼機(jī)懸停性能做出了明確要求，即能夠搭載所需的任務(wù)載荷在要求的懸停高度處懸停。具體計(jì)算流程如圖1所示。

旋翼機(jī)的爬升性能主要是指旋翼機(jī)在前飛時(shí)的斜向爬升速度。理論分析和飛行經(jīng)驗(yàn)表明，飛行器以經(jīng)濟(jì)速度平飛時(shí)，需用功率最小，剩余功率最大，此時(shí)可獲得最大爬升率。

固定翼飛行器的飛行速度主要受發(fā)動(dòng)機(jī)可用功率和機(jī)體阻力的限制。定義在飛機(jī)飛行過程中，可用功率等于需用功率時(shí)的速度為前飛最大速度，同時(shí)也需要根據(jù)其他限制條件對(duì)其進(jìn)行修正。

升限是指給定飛行器重量和發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)，飛行器能保持等速水平直線飛行的最大高度，也就是最大爬升率為零時(shí)的飛行高度。在計(jì)算實(shí)用升限時(shí)，一般選取亞聲速飛行最大爬升率為0.5m/s時(shí)對(duì)應(yīng)的飛行高度。

2.2 性能計(jì)算分析

分別計(jì)算四傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)、雙傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)和單旋翼常規(guī)直升機(jī)在4種任務(wù)場(chǎng)景下的飛行性能，結(jié)果見表3～表6。

由結(jié)果可知，傾轉(zhuǎn)旋翼構(gòu)型方案均滿足4個(gè)任務(wù)場(chǎng)景提出的飛行速度、航程、懸停高度等要求，且巡航速度和航程明顯高于常規(guī)構(gòu)型直升機(jī)。單旋翼常規(guī)直升機(jī)的巡航速度為249km/h，而傾轉(zhuǎn)旋翼構(gòu)型的巡航速度可達(dá)到450km/h，速度提升明顯。航程方面，常規(guī)直升機(jī)受速度和載重限制，航程遠(yuǎn)不能滿足任務(wù)需求，因此，在進(jìn)行后續(xù)任務(wù)效能評(píng)估時(shí)，單旋翼構(gòu)型采用分段飛行方式完成任務(wù)；而傾轉(zhuǎn)旋翼構(gòu)型在巡航階段采用固定翼模式飛行，巡航效率和航程得到大幅提高，能快速、高效地完成運(yùn)輸投送、后勤補(bǔ)給、廣域搜救等任務(wù)。

相比于雙傾轉(zhuǎn)構(gòu)型方案，四傾轉(zhuǎn)構(gòu)型在運(yùn)輸能力和運(yùn)輸效率方面都存在明顯優(yōu)勢(shì)。四傾轉(zhuǎn)旋翼構(gòu)型通過增加旋翼數(shù)量，擴(kuò)大了槳盤面積，雖然使得空機(jī)重量增加，但也提高了裝載能力，使其能夠在單架次運(yùn)輸中裝載更多的任務(wù)載荷，或者裝載更多的燃油來(lái)增加航程；且四傾轉(zhuǎn)構(gòu)型的最大平飛速度高于雙傾轉(zhuǎn)構(gòu)型，飛行速度范圍更大，運(yùn)輸效率更高。

3 任務(wù)效能分析

旋翼機(jī)任務(wù)效能是指旋翼機(jī)完成任務(wù)的能力和效果。對(duì)高速旋翼機(jī)的任務(wù)效能進(jìn)行評(píng)估，可為高速旋翼機(jī)未來(lái)發(fā)展規(guī)劃提供決策支持。本文基于設(shè)計(jì)的任務(wù)場(chǎng)景，使旋翼機(jī)帶載荷飛行，抽取飛行過程中的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行效能評(píng)估分析。

3.1 效能評(píng)估模型

高原救援、遠(yuǎn)程運(yùn)輸、海上搜救等任務(wù)，主要關(guān)注旋翼機(jī)的飛行速度、巡航能力、反應(yīng)速度等，因此，抽取空中投送能力指標(biāo)和空中機(jī)動(dòng)能力指標(biāo)作為任務(wù)效能評(píng)估指標(biāo)。

空中投送能力是指通過空中投送裝備投送人員、裝備、物資的能力，指標(biāo)包括單位時(shí)間投送量、反應(yīng)速度、投送對(duì)象適應(yīng)性、投送環(huán)境適應(yīng)性、投送速度、投送距離、單次投送量、可持續(xù)投送次數(shù)等；空中機(jī)動(dòng)能力是指一定時(shí)間內(nèi)改變飛行狀態(tài)的能力，指標(biāo)包括任務(wù)半徑、轉(zhuǎn)場(chǎng)航程、最大平飛馬赫數(shù)、巡航速度、實(shí)用升限、航時(shí)、空中環(huán)境適應(yīng)能力、空中受油能力等。

由于上述確立的高速旋翼機(jī)任務(wù)效能評(píng)估指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)和尺度不一，尚無(wú)法直接綜合起來(lái)評(píng)估任務(wù)效能，需對(duì)上述效能評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理。

3.2 效能仿真分析

概念設(shè)計(jì)階段暫不考慮機(jī)載設(shè)備，僅針對(duì)平臺(tái)效能進(jìn)行評(píng)估。基于高速旋翼機(jī)飛行性能計(jì)算結(jié)果，分別對(duì)高原救援、高原運(yùn)輸、海上運(yùn)輸、貼海搜救等任務(wù)場(chǎng)景下的高速旋翼機(jī)空中投送效能、空中機(jī)動(dòng)效能和總體效能進(jìn)行評(píng)估。

效能評(píng)估指標(biāo)極值設(shè)置見表7。效能仿真結(jié)果見表8～表11（表中數(shù)值表示構(gòu)型的任務(wù)效能，是無(wú)量綱量）。不同構(gòu)型的任務(wù)效能對(duì)比如圖2（圖中縱坐標(biāo)表示任務(wù)效能，是無(wú)量綱量）所示。

由仿真結(jié)果可知，相比于單旋翼常規(guī)構(gòu)型，傾轉(zhuǎn)旋翼構(gòu)型的任務(wù)效能提升明顯，尤其是空中機(jī)動(dòng)效能。無(wú)論是雙傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)還是四傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)，在4個(gè)任務(wù)場(chǎng)景下的總體任務(wù)效能較單旋翼構(gòu)型提升幅度均在39%以上。其中，由于飛行速度的提升，傾轉(zhuǎn)旋翼構(gòu)型的空中機(jī)動(dòng)效能提升尤為明顯，增幅均在90%以上。

在4個(gè)任務(wù)場(chǎng)景中，四傾轉(zhuǎn)構(gòu)型的任務(wù)效能均為最優(yōu)。與單旋翼常規(guī)構(gòu)型相比，四傾轉(zhuǎn)構(gòu)型在4個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景下的總體效能提升分別為64.63%（高原救援）、114.95%（高原運(yùn)輸）、49.54%（海上運(yùn)輸）、145.33%（貼海搜救）。尤其是空中機(jī)動(dòng)能力方面，與單旋翼相比優(yōu)勢(shì)明顯，機(jī)動(dòng)效能提升幅度在120%～220%之間。

與雙傾轉(zhuǎn)構(gòu)型方案相比，四傾轉(zhuǎn)構(gòu)型的任務(wù)效能有較明顯的優(yōu)勢(shì)，尤其是高原任務(wù)效能和空中投送能力方面。四傾轉(zhuǎn)方案在4個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景中的總體任務(wù)效能與雙傾轉(zhuǎn)相比分別提升了18.09%、16.89%、6.16%、12.65%。其中，高原場(chǎng)景的任務(wù)效能提升尤為明顯（任務(wù)1、2），均在15%以上；此外，四傾轉(zhuǎn)構(gòu)型的空中投送能力也尤為突出，與雙傾轉(zhuǎn)構(gòu)型相比，其空中投送效能的提升幅度分別為24.13%、19.18%、4.8%、15.03%，具有較明顯的提升。

4 結(jié)論

本文提出的高速旋翼機(jī)優(yōu)化組合了常規(guī)直升機(jī)垂直起降、空中懸停作業(yè)、近地靈活機(jī)動(dòng)等功能，以及固定翼飛機(jī)飛行速度快、航程遠(yuǎn)等功能，實(shí)現(xiàn)了高速、遠(yuǎn)程、強(qiáng)近地機(jī)動(dòng)等功能特性。計(jì)算結(jié)果表明速度和航程都超越了現(xiàn)役飛得最快、最遠(yuǎn)的V-22雙傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)，近地機(jī)動(dòng)能力達(dá)到甚至超越了常規(guī)直升機(jī)和共軸復(fù)合推力高速直升機(jī)等新概念飛行器，可滿足我國(guó)未來(lái)復(fù)雜地形對(duì)高速旋翼機(jī)提出的任務(wù)需求。

為滿足我國(guó)未來(lái)航空裝備發(fā)展需求，高速旋翼機(jī)將是未來(lái)旋翼機(jī)重點(diǎn)研究方向之一。四傾轉(zhuǎn)旋翼構(gòu)型具有速度快、航程遠(yuǎn)、機(jī)動(dòng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在高原、海上環(huán)境執(zhí)行運(yùn)輸投送、應(yīng)急救援等任務(wù)具有明顯優(yōu)勢(shì)，可與其他構(gòu)型的高速直升機(jī)搭配使用，形成我國(guó)高速直升機(jī)裝備體系。

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Comparative Study on Multi-Plan of High-speed Rotorcraft Based on Mission Requirements

Yang Yuteng， Li Zhiquan， Leng Junjie

Chinese Aeronautical Establishment， Beijing 100029， China

Abstract： High-speed rotorcraft can meet the specific mission requirements of aviation equipment in China’s complex geographical environment， and is one of the key research directions of future aircraft. In order to explore the performance characteristics and mission capabilities of different types of high-speed rotor mechanisms under specific tasks， this paper focuses on the problem of insufficient equipment required by China’s plateau and maritime missions， proposes the concept scheme of dual-tilt rotor and quad-tilt rotor configurations to meet the requirements of high speed， long range and good maneuverability. The overall parameter estimation model， flight performance calculation model and mission effectiveness evaluation model are established based on mission requirements indicators. The comparison and analysis on different configuration schemes are carried out from the aspects of hovering efficiency， cruising performance，projection capabilities， maneuverability and other dimensions， thus providing reference for the future research of high-speed rotorcraft.

Key Words： high-speed rotorcraft； mission requirements； overall design； flight performance； mission effectiveness