认识直升机划代标准系列





楼主 飞飞飞one  发布于 2018-12-11 13:29:00 +0800 CST  

自1939年9月14日,美籍俄裔工程师西科斯基发明了VS-300型直升机并成功首飞以来,直升机的历史已逾79年。在79年的漫长岁月里,随着现代科技与工业的不断进步,直升机的各项性能与指标也经历了大规模地进化。进化与积累最终引起了质变,进而在直升机间产生了代差。直至今日,直升机已经历了四次质变,发展出了四代直升机。
想对直升机划代,必须先认识直升机的划代标准。而标准主要包括四大项指标。它们分别是:发动机、桨毂、飞控与机体材料。

楼主 飞飞飞one  发布于 2018-12-11 13:30:00 +0800 CST  
各代发动机构型的变化
第一代直升机使用的动力系统均为星型活塞发动机。如美国的贝尔-47直升机,采用一台莱康明V0-435-A1B星型6缸活塞发动机,最大输出功率153千瓦。苏联的米-4直升机,采用一台活塞-7星型14缸活塞发动机,最大输出功率1301千瓦。中国的直-5直升机即为苏联米-4的仿制产品。同样使用活塞-7发动机。活塞发动机有着油耗低,结构简单,燃烧温度低,寿命较长等优点,很适合作为早期直升机动力。但是,活塞发动机扭矩小,超频冗余度低,进气密度不足等缺点却严格限制着直升机的最大速度,实用升限以及机动性。因此,工程师们开始把目光转向了一种新的动力——涡轴发动机



星型活塞发动机


中国直-5型第一代直升机
涡轴发动机在分类上从属于燃气轮机,与螺旋桨运输机使用的涡桨发动机原理及循环模式最为相近,通过压气机对吸入的空气进行加压,推入燃烧室与煤油燃料混合点燃后喷出,喷出的高温燃气直接推动燃气涡轮叶片与动力涡轮叶片转动,最终将高速转动的输出轴接入减速器,降低到最优转速带动直升机旋翼进行旋转,进而产生升力。涡轴发动机以其强悍的超频能力,更高的进气密度以及优异的扭矩而成为直升机的完美动力,自二代到四代直升机均采用涡轴发动机作为动力源


楼主 飞飞飞one  发布于 2018-12-11 13:35:00 +0800 CST  
第二代直升机使用的涡轴普遍为单转子涡轴,如UH-1休伊直升机使用的T-53-L-11涡轴发动机,其燃气涡轮与动力涡轮均位于同一转子,因此转速相同。与此相同的直升机还有法国的SA-321超黄蜂直升机以及中国引进超黄蜂后自产的直-8直升机,该两款直升机均采用Tromo-3C型单转子涡轴发动机,该发动机国内引进自产代号为涡轴-6。单转子涡轴最大的问题在于输出轴转速过高,由于直升机旋翼转速普遍不超过400转/分钟,因此想把转速高达上万转的输出轴转速降低到几百转,对齿轮减速器是一个严峻的考验,因此会造成可靠性下降问题。同样由于转速过高,单转子涡轴不得不增加涡轮级数,降低压比来改善转速问题,这也同样造成了重量增加,发动机轴向长度增加以及油耗增大等问题。最后,由于启动转速过高,会造成压气机喘振,因此需要在压气机后方布置放气活门来减少喘振,进一步降低了可靠性
有着以上这些弊端,因此二代直升机的涡轴动力普遍性能还处于“勉强够用”阶段。比如美国通用电气的T-53-L-1涡轴,起飞油耗0.37千克/千瓦时,总压比仅为7.4。苏联的TV-2-117A涡轴,起飞油耗0.374千克/千瓦时,总压比仅为6.6。虽然已经比第一代直升机的活塞动力有不小的改善,但单转子涡轴指标的落后依然严重影响着二代直升机的航程,可靠性以及任务灵活性。随着航空动力学的进步,工程师终于找到了解决单转子涡轴弊端的途径,那就是——双转子涡轴,也成功推动了第三代直升机的出现


楼主 飞飞飞one  发布于 2018-12-11 13:43:00 +0800 CST  
第三代直升机开始使用双转子涡轴,与单转子涡轴不同,双转子涡轴引入第二根同心轴与自由涡轮概念,燃气涡轮推动压气机,而自由涡轮充当动力涡轮,单独驱动输出轴。这样做的好处在于可以将高压转子的转速提高到最优区间,而低压转子通过合理的叶片变距来实现转速控制,进而降低输出轴转速,减轻减速器负担,有效提高了可靠性。并且双转子涡轴的高压转子可以有效减少压气机级数,有效增大喘振裕度,不再需要放气活门。增大压比和涡前温度以提高循环系数,在更小的尺寸下达到更高的功率水平,增大了功重比。最后,更优的高低压涡轮配比在降低油耗的同时也提高了输出轴的扭矩,为直升机的单发失效状态下的应急功率带来了更大的冗余度,提高了三代直升机的安全性。例如俄罗斯的米-17河马直升机所使用的TV3-117VM涡轴,其采用双转子构型,其起飞油耗仅0.319千克/千瓦时,增压比提升至了9.4,而功重比更是高达5.16。而中国的三代涡轴主要有涡轴-9,其应用于直-10武装直升机。采用的双转子构型,拥有957千瓦的起飞功率和5.4的功重比,油耗也降低到了0.311千克/千瓦时。是一款完全自主研制的三代涡轴发动机

楼主 飞飞飞one  发布于 2018-12-11 13:47:00 +0800 CST  
目前我国拥有两款四代涡轴,首先是与法国透博梅卡共同开发的阿蒂丹-3C型发动机,中国称为涡轴-16,主要用于直-15中型直升机。涡轴-16采用两级离心压气机设计,带有FADEC控制器。起飞功率1250千瓦,油耗低于0.3千克/千瓦时,且功重比达到了6一级。是中航工业与欧洲空客直升机集团的合作典范。中国的第二款四代涡轴就是直-20的动力涡轴-10发动机,功率高达2000千瓦级,最早于2013年直博会曝光。拥有两级离心压气机与超过1600开的涡前温度,功重比也达到了7一级,属于四代涡轴中的豪杰


涡轴16


楼主 飞飞飞one  发布于 2018-12-11 13:54:00 +0800 CST  
桨毂结构的变化
桨毂是直升机旋翼传动轴与旋翼桨叶的连接结构,它的主要作用有两点,一是将传动轴动力传递给旋翼,二是控制旋翼桨叶在三个方向上的运动来实现直升机机动。除此以外,桨毂还直接影响着直升机桨叶的寿命及噪音水平。由此可见,在一架直升机的设计中,桨毂的作用至关重要。如果说发动机是直升机的肌肉,那么桨毂就是直升机的骨骼


直升机通过加大或减小旋翼的迎角,在转速不变的情况下改变旋翼升力,使直升机在垂直方向上下移动,这种改变旋翼迎角的运动叫做变距。当每片旋翼固定旋转到前方时将迎角减小,旋转到后方时将迎角加大,这种运动被称为周期变距。通过周期变距,直升机将会整体向着前方倾斜,这时由于旋翼盘有了一定倾斜角度,因此在产生升力的同时也会产生向前的推力,推动整个直升机前行,同样的原理还可以控制直升机的后退与左右偏移。而如果周期变距力度加大,直升机甚至会整个滚转起来,中国风雷直升机表演队的“筋斗”动作就是如此完成的。因此,桨毂必须拥有变距能力,这是直升机机动的核心。






楼主 飞飞飞one  发布于 2018-12-11 16:39:00 +0800 CST  
而为了抵消直升机飞行速度改变带来的风阻变化,旋翼还应具备改变后掠角来抵消风阻的能力,这种运动被称为摆振。同样,在直升机遇到侧风时机身倾斜,如同人们歪着身子骑自行车,此时整个旋翼盘也随直升机一起倾斜于地面。想要在这种状态下恢复水平,则需要低处旋翼向上摆动,高处旋翼向下摆动来将整体旋翼盘水平于地面,这种动作被称为挥舞。
控制旋翼完成变距,摆振,挥舞,这就是桨毂的三大任务。自出现至今,桨毂经历了三次大的改进。而桨毂的更新换代,正是围绕着如何优化这三个动作而来的。
第一代桨毂为金属全铰接式桨毂,其变距,摆振,挥舞三个动作全部由金属轴承与铰链完成,采用金属全铰接式桨毂的直升机典型代表有苏联的米-4,美国的CH-47支奴干以及中国的直-8直升机。从以上这些例子不难发现,金属全铰接桨毂的使用机型并非仅限于米-4这样的一代直升机,而是包含了直-8与支奴干这样的二代直升机。事实上桨毂对直升机划代的影响与发动机不同,每一代发动机直接改变着直升机的代差。而一代桨毂却可以相继应用于两代直升机,这是由于人类的材料发展速度远低于机械结构创新速度导致的



MH-47G,加大油箱

楼主 飞飞飞one  发布于 2018-12-11 17:03:00 +0800 CST  


米-6重型直升机的金属铰接桨毂
然而金属桨毂有着其自身的弊端,首先是重量较大,这在纤毫必争的飞行器设计中是个很扎眼的缺陷。其次,全铰接结构零件极多,机械轴承需要大量的零件进行组装,这大大降低了直升机的可靠性。最后,金属轴承长时间使用造成的金属疲劳更是一个巨大的隐患,这导致直升机的旋翼随时会失效。有着以上这些缺陷,工程师们不得不着手设计新一代桨毂。而这次,工程师们将目光放在了柔性材料的身上


第二代桨毂为柔性轴承桨毂。通过将金属轴承替换为具有弹性的抗拉材料。成功消除了金属轴承桨毂的一系列风险与问题。球形柔性桨毂是柔性桨毂里的代表。其结构是将每片旋翼连接到一个单独的球形万向轴上,这样当桨毂控制旋翼做变距挥舞摆振三大动作时,扭力与拉力被柔性材料吸收,金属结构只保留一个万向节接头。这大大增加了桨毂与旋翼的寿命,且由于取消了金属轴承与铰链,也减少了零件数量,直升机的可靠性有了质的飞跃

楼主 飞飞飞one  发布于 2018-12-11 17:05:00 +0800 CST  
柔性桨毂的发明提升了直升机可靠性的同时,也降低了直升机的噪音,由于其简化了桨毂结构,因此外形更加简洁,在高速旋转中产生的激波减少,噪音水平自然下降。由于这个原因,柔性桨毂受到了各国军方的青睐,以美国黑鹰为代表的三代直升机开始大规模使用柔性桨毂,在一系列需要隐蔽突击的作战任务中,黑鹰表现出色,可以伴随特战队员无声地猎杀目标。优秀的柔性桨毂一直延续到了第四代直升机的身上。诸如英国的EH-101灰背隼与欧洲的NH-90这两款公认四代直升机也采用了球形柔性桨毂设计






楼主 飞飞飞one  发布于 2018-12-11 17:09:00 +0800 CST  


楼主 飞飞飞one  发布于 2018-12-11 19:10:00 +0800 CST  
第三代桨毂的出现依然伴随着材料水平的发展。由于碳纤维等复合材料抗拉寿命的进步,工程师开始设计“无轴承桨毂”。这种无轴桨毂甚至取消了柔性桨毂的金属万向节。完全依靠复合材料制造的柔性梁本身的形变来控制旋翼变距与抵消挥舞,摆振力矩。这种整个桨毂都不采用金属零件的设计代表了目前直升机桨毂发展的最高水平。只有材料技术雄厚的少数国家掌握。例如美军的AH-1Z第四代武装直升机与欧洲的虎式第四代武装直升机就采用了无轴承桨毂。2015年,采用了无轴承桨毂的直-11验证机成功首飞,标志着我国成功掌握了这项技术


楼主 飞飞飞one  发布于 2018-12-11 19:22:00 +0800 CST  
机体材料


直升机的机体材料发展是紧密贴合着直升机整体技术换代的。正所谓一代材料一代飞行器,材料的发展除了影响着发动机的耐热性及桨毂的可靠性外,自然还影响着直升机机体构造

楼主 飞飞飞one  发布于 2018-12-11 19:49:00 +0800 CST  
在第一代直升机上,世界各国工程师受限于当时的材料水平,普遍采用了全金属铆接式机身,如中国的直-6型直升机,其采用变截面金属半硬壳铆接技术分别制造前机身,后机身与尾梁,而后焊接而成。再如美国贝尔-47型直升机,由于技术更加原始,其尾梁甚至直接采用钢制桁架焊接而来,无论是钢材料本身的重量问题还是桁架尾梁带来的空气阻力问题都十分突出。这也是技术的限制直接作用于直升机设计上的表现


楼主 飞飞飞one  发布于 2018-12-11 19:51:00 +0800 CST  
而到了第二代直升机,虽然机身框架与蒙皮的材料依然为金属,但是随着轻质铝合金的运用,各国二代直升机在重量控制上有了一些进步,如苏联的米-10重型直升机,其蒙皮采用铝合金焊接。而到了1967年,苏联在二代直升机米-8的设计上甚至加入了钛合金材料,米-8的中机身顶部隔框与桁条均由钛合金制造,并与钛合金蒙皮一体式铆接而成。新型金属材料的运用降低了二代直升机的单位重量,这对直升机载荷与高空高原运输能力的提升有着不小的意义
米10太骚了



楼主 飞飞飞one  发布于 2018-12-11 19:53:00 +0800 CST  
时间到了二十世纪七十年代,随着各国材料力学水平的不断进步,复合材料与新型合金材料开始大面积应用于第三代直升机。如苏联的米-28浩劫武装直升机,其复合材料比例占到了机体总重量的25%,而竞争对手卡莫夫设计局的卡-50直升机则应用了占机体总重30%的复合材料,与此同时,卡-50机体主结构采用第三代铝合金盒型梁制造。再如法宇航AS-365海豚轻型直升机,其机身树脂基复合材料比例达到了25%。而蜂窝状铝合金夹层也应用于其机身蒙皮、地板、涵道垂尾与整流罩等部位。复合材料更轻薄的质量与更强的韧性有效的提升了三代直升机的机体寿命,且进一步降低了自重,为载荷能力腾出了空间

楼主 飞飞飞one  发布于 2018-12-11 19:57:00 +0800 CST  
第四代直升机机体材料的发展主要集中在两点。一是进一步加大复合材料占机体总重量的比例,二是采用新概念材料。如欧洲的NH-90直升机,其树脂基复合材料比例高达95%,而空客直升机集团最新研制的H-160直升机,更是号称全复合材料制造,整机机体找不到一块金属结构。这样高比例的采用轻质材料,无疑大幅度提升了直升机的性能冗余度。第二方面,对新概念材料的运用也在各国的四代直升机上有所体现。如美军的RAH-66科曼奇武装侦查直升机,其蒙皮涂抹有吸收雷达波反射的隐身涂料,大幅度提升了该直升机的突防侦查能力。增加了战场存活率。而英国的EH-101灰背隼直升机,则大量采用航天工业级别的铝锂合金制造,因此其具有13吨级直升机中顶级的性能

楼主 飞飞飞one  发布于 2018-12-11 19:59:00 +0800 CST  
飞控系统
机体材料的进步,正如同发动机的更新换代一般,深深影响着直升机的划代。而作为一款飞行器,在高空复杂的气动环境与湍流之中,想要尽情驰骋,同样离不开优秀的飞控系统。
第一代直升机与第二代直升机均采用传统的机械式飞控,通过机械连杆与液压助力结构对直升机的旋翼与各个气动舵面进行直接操控,飞行员的操纵杆直接连着直升机的可活动翼面。这种飞控系统仅能满足早期直升机的飞行要求,但随着直升机越做越大,速度越来越高,液压助力这种需要介质传递的飞控模式导致了飞行员的操纵与直升机的响应时间间隔过长,在高速飞行过程中,难以快速改变姿态。且操纵杆越来越沉重,对飞行员的体力造成了严峻的考验。为此,工程师将目光盯上了电传系统



机械式飞控原理,操纵杆直连舵面严重影响效率

楼主 飞飞飞one  发布于 2018-12-11 20:04:00 +0800 CST  
第三代直升机开始普遍使用电传飞控,通过将飞行员的指令转化为模拟信号,由模拟计算机传递到液压系统上,飞行员操纵杆不直连各个翼面,这极大的减轻了体力负担。也一定程度提升了直升机响应速度,对机动性有了更高的发展。但是,由于模拟飞控系统的模拟波形信号受传递线路影响较大,因此在线路状况不佳时,可能造成信号失真,这严重威胁着直升机的安全

楼主 飞飞飞one  发布于 2018-12-11 20:08:00 +0800 CST  
因此,在第四代直升机上,各国开始采用数字式电传飞控系统。通过将飞行员指令以数字信号形式传递给航空计算机,再由计算机通过电缆传递给各翼面,直升机避免了信号失真问题,且由于计算机可以修正飞行员的错误操作指令,因此飞行容错率有了极大的提升,飞行员只需下达标准指令,计算机即可根据目前飞行状态,高度,姿态以及气压气流状况对直升机进行最优控制。数字式电传飞控以其优异的特性而普遍应用于诸如EH-101,NH-90,以及直-15,直-20等四代直升机上


使用数字电传飞控的EH101直升机座舱


数字式电传飞控系统

楼主 飞飞飞one  发布于 2018-12-11 20:12:00 +0800 CST  

楼主:飞飞飞one

字数:6241

发表时间:2018-12-11 21:29:00 +0800 CST

更新时间:2019-06-14 06:13:40 +0800 CST

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