重型直升機

重型運輸直升機的問世可追溯到20世紀60年代，所謂重型運輸直升機是指起飛重量大於20噸的運輸直升機。由於重型運輸直升機有較快的速度，運載能力大，能通過內載或外部吊掛方式載運重型施工設備或大型武器裝備，且無需機場起降，是一種較好的兵員和軍事裝備的運載工具，在歷次重大自然災害中都發揮了巨大作用，因此普遍受到世界各國的重視，發展非常迅速。

現代多次局部戰爭表明，運輸直升機在戰爭中的廣泛使用，導致傳統的作戰模式和戰術發生了重大變革，在諸軍兵種協同作戰中具有重要地位，同時也加快了快速反應部隊的建設。在海灣戰爭中，美軍一次出動的300多架直升機中，主要是CH-47,”黑鷹”等運輸直升機，在武裝直升機的保護下實施縱深突擊機降作戰。機降中很快將三個空中突擊營的2000人、50輛軍車和榴彈炮、大批燃料和彈藥運到伊軍縱深80千米的位置。緊接着美軍大批運輸直升機連續空運12小時，向這一地區運送了數以千噸物資，開闢了一個面積150平方千米的前進基地。這可以説是現代戰爭大規模運用運輸直升機成功機降的典範。

另外，重型運輸直升機在重大搶險救災中對受困人員或傷員撤離，救援人員或物資運輸，大型設備吊運等方面能發揮巨大且獨特的作用，大大提高了搶險救災效率。例如2004年的印度洋海嘯搶險和2008年我國汶川地震唐家山堰塞湖搶險，重型運輸直升機都立下了汗馬功勞。 ^[1] 

重型直升機的作用無可替代，但研製起來有很多難點，如氣動、機械等方面。理論上，重型直升機可採用多種構型，但實際上主要用單旋翼、縱列式雙旋翼和傾轉旋翼三種。

重型直升機最常見的構型還是單旋翼帶尾槳。旋翼提供升力、推進力和操縱力；尾槳用於平衡旋翼的扭矩和航向操縱，對主旋翼軸的力臂通常稍大於主旋翼半徑。單旋翼構造簡單，只需一套旋翼操縱系統和一套傳動系統，技術較成熟，槳盤載荷低。缺點是旋翼和主減速器尺寸大，直升機重心範圍小，飛行高度低，存放空間大，尾槳易撞到障礙物或地面人員引起事故，尾槳在主旋翼和機身尾渦引起的不利氣動環境下工作，降低了其氣動效率並增大了尾槳載荷與振動等。而且尾槳在對抗主旋翼扭矩時也要消耗百分之幾的發動機功率。

重型直升機採用單旋翼，相對縱列式及傾轉旋翼，技術難度最小，與中小型直升機也沒有本質區別，只是由於尺寸的增大，設計製造中有所不同。 ^[1] 

這種構型其前後旋翼反轉，扭矩是平衡的，不需要佔用功率的尾槳。但兩副旋翼間的氣動干擾損耗了差不多與單旋翼直升機的尾槳同量的功率。

懸停時，縱列式直升機由於其較大的俯仰阻尼和較大的操縱功效，縱向操縱品質要優於單槳式直升機。但另一方面，由於它較低的偏航阻尼和較大的偏航和滾轉慣性，橫向操縱品質又差於單槳式直升機。前飛時，縱列式直升機有較大的迎角不穩定性。另外兩副旋翼之間的干擾會影響縱列式直升機的操縱品質。

龐大的機身是縱列式的特性，因為它有兩副旋翼要安裝在機身上。由於需利用差動拉力來平衡直升機的俯仰，所以縱列式直升機還有縱向重心範圍大的特點。後旋翼在前旋翼的尾渦中工作，振動、交變載荷、噪聲和功率損失就來源於此。不穩定的機身氣動力矩以及偏航操縱功效低都對直升機的操縱品質不利，後旋翼支架使結構重量增加。

縱列式重型直升機的技術難點有很多。如總體設計、各升力面氣動佈局、總體參數優化等。氣動干擾技術更復雜，包括旋翼/旋翼、旋翼/短翼、旋翼/機身等氣動干擾分析，機內減振降噪技術等。電傳/光傳飛控技術及飛行控制律等也很複雜。 ^[1] 

傾轉旋翼構型與常規直升機構型相比，有幾個優點。首先是速度快。直升機旋翼旋轉時槳尖處的切線速度一般為200米/秒，那麼當飛行速度為360千米/時，即100米/秒時，旋翼前行槳葉處於900處槳葉的槳尖相對氣流速度就會達到300米/秒，接近聲速340.2米/秒，這時再增加速度就很容易產生激波失速了。而此時後行槳葉在270°槳尖處相對氣流的速度只有100米/秒，槳根部分還會出現氣流從槳葉後緣流向前緣的反流區，從而使槳葉產生的升力減少。為使升力保持與前行槳葉相同，需要增加後行槳葉的槳距，但槳距過大會出現氣流分離。因此常規直升機最大速度超過360千米/時、巡航速度超過300千米/時的很少，而V-22傾轉旋翼機巡航速度509千米/時，最大速度650千米/時。

其次是噪聲和振動小。傾轉旋翼機因巡航時一般以固定翼飛機的方式飛行，因此噪聲比直升機小得多。比如在150米高度懸停時，其噪聲只有80分貝，僅相當於30米外卡車的噪聲。由於傾轉旋翼佈置在遠離機身的機翼尖端，且直徑較小，因此其座艙的振動比一般直升機要低得多。

另一優勢是航程遠。如V-22作戰距離大於1 850千米，若加滿兩個轉場油箱，航程可達3 890千米。如進行空中加油可從美國本土直飛歐洲，而直升機的航程很少超過1 000千米。

載重量大也是一優勢。V-22懸停重量已達21 800千克。貝爾直升機公司計劃研製的下一代四旋翼傾轉旋翼機V-44可裝載80-100名士兵或10-20噸貨物。

傾轉旋翼機巡航飛行時，因機翼可產生升力，旋翼轉速較低，基本相當於兩副螺旋槳，所以耗油率比直升機低。

綜合考慮傾轉旋翼機耗油量少、速度快、航程大、載重大等優點，其運輸的成本僅為直升機的1/2。

傾轉旋翼機因既有旋翼又有機翼，旋翼還要在垂直和水平位置間反覆傾轉，因此它的結構、氣動、控制等技術比一般飛機和直升機複雜得多，兩者的難點它都有，還有自己特有的問題。

第一是旋翼和機翼間氣動干擾。涉及到旋翼-機翼、旋翼-旋翼、旋翼-機身、旋翼-尾部等方面，其中以垂直飛行和懸停時旋翼-機翼的氣動干擾最重要。它主要表現在兩方面：一是機翼由於旋翼的尾流衝擊引起下洗載荷，二是機翼對旋翼的氣動性能產生影響，兩者都對傾轉旋翼機的有效載荷有較大影響。要搞清楚這種氣動干擾，需建立旋翼尾流與機翼結合的模型，確定旋翼尾流中的誘導速度，還需要更先進的算法及實驗技術。

第二是旋翼傾轉過程中的氣動問題。傾轉旋翼機垂直飛行和懸停時的氣動特性與橫列式直升機相似，巡航飛行時與渦槳飛機類似，這兩種狀態的氣動特性都有類似經驗可借鑑。但旋翼傾轉過程中的氣動特性是其獨有的，是複雜的非定常氣動問題。

旋翼傾轉過程中氣動特性的確定，要建立正確的數學模型和選擇適合的算法都很難。建立數學模型，首先要解決旋翼槳葉翼型的非定常動態氣動特性，即翼型氣動力隨迎角變化的動態響應問題。其次是旋翼的非定常誘導速度的確定，即誘導速度隨旋翼氣動力變化的動態響應。雖然國內外建立了各種各樣的數學模型，但都不成熟。對旋翼傾轉過程的非定常氣動力、扭矩、表面壓力及誘導速度等任一物理量的測定也都相當困難。

第三是傾轉旋翼機的結構設計問題。旋翼在直升機模式飛行時要產生升力，在以飛機模式飛行時又要產生推進力，協調這兩種飛行狀態，使旋翼達到一個較理想的設計是關鍵。因此傾轉旋翼系統的槳葉形狀、翼型、扭轉度等與常規的旋翼系統都有較大差異。另外，由於在機翼兩翼尖處要裝旋翼系統和發動機艙，並且旋翼軸相對機翼要傾轉，這就對機翼強度和穩定性提出了很高的設計要求，同時還要考慮以飛機模式飛行時槳葉揮舞可能引起的安全問題及旋翼-機翼的氣動干擾問題，因此對機翼的設計也是一個技術難題。

第四是傾轉旋翼機的動力學問題。傾轉旋翼機的槳葉揮舞/擺振耦合、槳葉之間通過槳轂的相互運動、動力耦合等都無法用傳統的直升機旋翼動力學方法分析。傾轉旋翼機運動和振動部件多，不僅把螺旋槳飛機和橫列式直升機的振動問題集於一身，還帶來它們的振動耦合。另外，飛行模式較多和旋翼轉速變化較大引起傾轉旋翼機的振動模態特別多。這些振動模態會與機身、機翼或其它部件的固有頻率相接近，或在某些飛行條件下，一些振源的振動模態，正好與旋翼機的某些固有頻率接近，引起共振。通過動力學分析來預估這些振動模態，並通過控制旋翼轉速、飛行速度、飛行狀態等來避免引起共振是非常困難的。

第五是傾轉旋翼機飛行力學與控制問題。由於傾轉旋翼機應用範圍和飛行領域比常規直升機廣泛得多，因而它的飛行力學模型也複雜得多。傾轉過程中，旋翼軸的方向和旋翼轉速發生較大變化，導致旋翼機的升力、推力及力矩也發生較大變化，在非定常非線性氣動因素的影響下，傳統的直升機飛行力學分析方法會失效，需建立新的分析模型和方法。此外，傾轉旋翼機飛行狀態在很大範圍內變化，為確保飛行員在正常負荷下工作，需要研製自動操縱系統。這需要對飛行控制規律作深入研究並驗證。自動操縱控制技術已成為研製傾轉旋翼機的關鍵之一。 ^[2] 

目前，國際上只有俄羅斯、美國兩個國家生產重型直升機。國外典型的現役重型直升機主要有俄羅斯的米-26、美國的CH -53系列和CH -47系列。

米-26“光環”直升機是由米里莫斯科直升機股份公司研製，為當今世界上最大的單旋翼直升機，1971年開始研製，1978年2月21日首飛。發展有米-26、米-26A、米-26T、米-26 M等11種型別。共生產300架左右，出口到20多個國家。

該機採用單旋翼帶尾槳構型，最大起飛重量56000 kg，主要使命任務為兵員運送、醫療救護、電子對抗、大型設備運輸、空中加油、客運、消防和地質探測等，其裝載能力為：最大有效載重27800 kg，內載和外吊最大重量20000 kg，可運載80名士兵或60名擔架傷員和4 -S名醫護人員。 ^[3] 

CH -47“支奴幹”系列直升機是經典的現役重型運輸直升機，1956年開始研製，1961年9月21日首飛，已服役40多年，已發展有CH-47A , CH -47B,CH-47C,CH-47 D等16種型別。現有18個國家和地區使用，美國共有746架，其中479架升級為CH -47D，計劃服役至2030年。

該機採用縱列雙旋翼佈局，最大起飛重量24494 kg，主要任務使命為後勤支援、搜索救援、特種作戰運輸等，其裝載能力為：最大有效載重12944kg，最大吊掛載重12700 kg；可運載33 -55名全副武裝的士兵或24副擔架和2名護士。 ^[3] 

S -80( CH -53E)系列直升機是美國西科斯基飛機公司研製的3發重型多用途直升機，為西方國家中尺寸和載重量最大的直升機，1971年開始研製，1974年3月1日首飛。共發展有CH-53E“超種馬”及出口型S -80E,MH -53E“海龍”及出口型S-80 M等四種型別。

該機交付總量為238架，其中美國海軍和海軍陸戰隊裝備了219架CH -53E/MH -53E，日本海上自衞隊裝備11架S - 80 M，土耳其裝備了8架S-80E。

該機最大起飛重量33340 kg，主要任務使命為艦隊垂直補給，損壞飛機的運送、掃雷、搜索救援等，其裝載能力為：最大外部有效載重16330 kg；可運載55名全副武裝的士兵。 ^[3] 

V-22“魚鷹”時全球目前唯一現役的傾轉旋翼機。為彌補常規直升機固有的速度慢、航程短的缺陷，美國貝爾公司長期以來一直堅持傾轉旋翼機技術的探索，先後研製了XV-3傾轉旋翼原理驗證機和XV-15傾轉旋翼工程驗證機，並取得了巨大成功，引起了世界各國特別是美國軍方的高度關注。

鑑於XV-15的優異表現，美國國防部於1981年提出了“三軍聯合先進垂直起落飛機(JVX )”項目，要求在XV-15的基礎上，為美國陸、海、空三軍研製共用的傾轉旋翼機。最初，這個項目由美國陸軍負責，但由於美國陸軍經費不足，1983年，這項計劃轉由美國海軍負責。同年4月，美國海軍便與貝爾和波音公司簽訂了研製合同。1985年1月這種傾轉旋翼機被正式命名為V-22“魚鷹”，美國海軍陸戰隊的突擊運輸型稱為MV-22，空軍特種作戰型稱為CV-22，而海軍戰鬥搜索型稱為HV-22。

美國貝爾/波音公司一共製造了10架V - 22原型機用於各種地面試驗和飛行試驗，這在世界直升機發展史上實屬罕見。而在各種飛行試驗和作戰評估飛行中，共發生過4次重大事故，導致30人死亡。這些足以證明傾轉旋翼機的技術難度大大超乎人們的預想。

1989年3月，第一架V-22原型機實現首飛。在經歷了一系列挫敗、調整、改進和技術與質量審查後，直到1999年5月，第一架生產型MV-22才交付給美國海軍陸戰隊。首架生產型CV-22於1999年10月首飛，2000年交付給美國空軍。到目前為止，美軍仍然是世界上第一支，也是唯一一支裝備了傾轉旋翼機的軍隊。 ^[4]