俄高速直升机先进旋翼技术发展

2015年第十二届莫斯科航展上,俄罗斯直升机公司米里设计局公开展示了新一代高速直升机验证样机。该机在米-24“雌鹿”武装直升机基础上采用新的机体和旋翼设计而成,被称为米-24 PSV“先进高速直升机”。该机将米-24上面的长方形主旋翼桨叶,换成了新翼型的复合材料桨叶,翼尖形如少林寺武僧手持的方便铲,锋利无比。这证明了俄罗斯下一代高速直升机研制已进入关键技术研究阶段,美俄之间在这一领域的竞争也愈加激烈。

受到传统旋翼系统基本原理的限制,从20世纪60年代开始,传统直升机的最大前飞速度就一直难以逾越340千米/小时这个极限。由于现代直升机普遍采用前后两个旋翼的构造,分别具有产生升力和控制飞行两个功能,而这一模式的缺点有三个方面:一是主旋翼在产生升力的同时还要产生向前飞的推力,因此主旋翼一般是往前倾斜而不是水平安置的,也造成了能量的分散。二是旋翼的直径和转速受到限制,由于旋翼直径的关系使不很高的转速也能使翼尖达到甚至超过音速,桨叶的“挥舞”使旋翼转速提高受到很大限制,主旋翼产生的强大下洗气流在直升机周围形成强大的气幕并增加前飞阻力。三是控制方向的尾部旋翼消耗掉了部分能量,但不产生升力。

2014年底,俄工业贸易部表示已经停止资助米-X1、卡-90、卡-92这三个高速直升机研制。在俄民用领域拒绝高速直升机的同时,军方却显示出对高速直升机的极大兴趣。2015年莫斯科航展上俄空军司令维克多·邦达列夫向记者证明“平飞速度270节的高速直升机项目仍然在继续”。270节约相当于500千米/小时,总体指标要高于米-X1和卡-92的水平。

此次展出的米-24 PSV既可以看成是米里民用版米-X1项目的技术验证机,也可以看成是军用高速直升机项目的旋翼验证机。该机主要用于验证新机体气动布局和全新旋翼系统,而新型旋翼系统将被用于新机型的研制或米-24、米-28、米-35、米-171等现有机型的改造,为其升级作铺垫。不过,米-X1上的涵道推进螺旋桨技术并未在该机上出现,估计是为了降低验证机项目的整体风险。

上世纪60年代米-24直升机的研制过程中,苏联就已经采取了诸多增速技术。比如将主旋翼直径缩短使其转速加快,在不减小升力情况下减小迎风阻力,提高速度;采用5桨旋翼,桨叶数越多,在同样旋翼直径和转速下的升力就越大,或者同样升力下转速可以较低,有利于降低振动和噪音;较长的短翼采纳了米-6 直升机经验结果,在前飞时可以为主旋翼卸载 19-25%,将主旋翼“解放”出来产生更多的推力。诸多因素作用下,米-24直升机最大平飞速度达到330千米/小时。因此这种服役了近半个世纪的武装直升机再次被选为新型旋翼技术的技术验证机。

在旧型直升机上试验新机型的旋翼系统是俄航空业的传统。1965~1970年,M·M·格罗莫夫飞行研究院就使用一架米-4“猎狗”直升机(c/n0581号)进行主旋翼桨叶失速飞行试验,为米-6、米-8、米-24直升机主旋翼设计提供了有价值信息。1965~1969年,该研究院还使用另一架米-4直升机(c/n04122号)试验各种主旋翼桨叶,并在旋翼顶部安装了一个圆锥形整流罩,研究旋翼涡流系统。

1975年,米里设计局将一架米-6“吊钩”重型直升机(“红色88”、c/n8683904V号)改装成旋翼试验机,用于试验米-26“光环”重型直升机旋翼系统,旋翼由米-6的5叶主旋翼和4叶尾桨换成了米-26的8叶主旋翼和5叶尾桨。1966~1977年,格罗莫夫飞行研究院先后使用了3架米-8/米-8T(分别为c/n0102、c/n127、无号)试验主旋翼桨叶失速、主旋翼气动优化、直升机低速稳定性和操作品质等。1975年,一架无编号的米-24A直升机(可能是V-24原型机或预生产型)安装了较大直径的8叶涵道试验性尾桨,以验证涵道尾桨在武装直升机上的应用,最后证明在“雌鹿”这个重量级别的直升机上涵道尾桨并不适合。

而在米-28“浩劫”武装直升机的研制过程中,又有多架米-24被改装成试验机,其中一架无编号米-24A用于试验新型主旋翼,而另一架米-24则试验了米-28上面采用的286型X型尾桨。因此,在新型高速直升机研制中,气动布局,特别是旋翼系统的前期研究非常重要,这也是米-24 PSV的使命所在。

米-24 PSV上呈现出诸多不同于传统“雌鹿”直升机的新技术,比如整体式黑色玻璃驾驶舱、风阻较小的高速气动外形、新型克里莫夫VK2500涡轴发动机等,而其最关键的技术却是外形独特的宽弦旋翼桨叶。直升机最具特色的翼型开发和设计是支撑先进高速直升机装备研制的基础。旋翼翼型是构成直升机旋翼外形的基本元素,翼型的性能直接决定了旋翼的气动效率和机动能力,而高气动效率、高机动能力的旋翼是新一代直升机发展的必然趋势。

米-24 PSV仍然采用5叶主旋翼,但翼型与传统“雌鹿”的长方形旋翼已经变化迥异。该旋翼桨叶从翼根到翼尖有多处大角度大幅度扭转,特别是在翼尖处呈现出弧形变掠翼型。由于旋翼360°旋转一圈,有一半桨叶从后向前转,另一半从前向后转。前行、后行阶段都产生升力,但后行阶段产生推力,而前行阶段将产生额外阻力。在前飞状态下后行桨叶相对于静止空气的相对速度较低,效率大降,严重的时候可能造成失速。此外,由于旋翼直径的关系,不很高的转速还能使翼尖达到甚至超过音速,使旋翼转速提高受到很大限制。因此,新剖面桨叶进一步加大了扭转角,在同等功率条件下旋翼总拉力可提高10%以上,对于推迟后行桨叶失速和降低翼尖速度、提高转速等都有利,可以提高总升力和气动效率,而复合材料加工而成的桨叶综合受力性能好,使用寿命长,成本低。不过,该机是否采用了无轴承旋翼技术尚不清楚。

根据邦达列夫介绍,采用新技术后,米-24 PSV最大速度可提升13%,达到370千米/小时以上,而巡航速度也将提高30%。该旋翼技术可以用于改进现役米里系列直升机,也为完全状态的军用高速直升机打下良好的基础。在航展上,米里设计局也证实,该验证机将于2016年首飞,完整技术状态的新型PSV验证直升机将于2018年首飞,值得我们拭目以待!


更多精彩!欢迎关注“科普中国-军事科技前沿”官方微信(jskjqy)。

本作品为“科普中国-军事科技前沿”原创 转载时务请注明出处