国产直升机跨越“旋翼”高峰

时间:2017-05-03  来源:《瞭望》新闻周刊 

   旋翼技术的持续进步,推动了国产直升机技术不断加快追赶世界先进水平,这背后是多达几十年的技术积淀和设计理念的与时俱进。

 
  当前,我国已大量装备以直-10为代表的第三代技术水平的直升机,国产民用直升机AC313、AC311等已具备较强的市场竞争力。
 
  从早期探索阶段到测绘仿制和对外合作研制,再到独立自主创新研制,60年时间里,我国直升机研发制造之路殊为不易。回顾我国直升机产业快速升级换代,旋翼技术的持续进步功不可没。
 
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  自主研发缩短30年差距
 
  数片桨叶连在桨毂上,与周围空气相互作用产生气动力,桨毂装在旋翼轴上由发动机经传动系统带动旋转在普通人印象中,直升机旋翼与电扇造型颇为相似,但实际上,旋翼系统却是直升机最具特色、最为关键的标志性部件。
 
  “桨叶不同于扇叶,它要实现上下挥舞、变距、摆振等三个方向的独立运动。旋翼系统既相当于升力系统,又帮助直升机操作完成前飞、侧飞、后飞等各种飞行状态。”在接受《瞭望》新闻周刊记者采访时,中航工业直升机所旋翼研究室副主任郑俊伟介绍。
 
  旋翼设计工作在业内被称为“刀锋上的行走”,每一项旋翼技术的进步,都意味着直升机关键性技术的突破。世界各大直升机行业巨头均将旋翼技术视为核心机密,不惜花费巨资进行研究,旋翼技术水平也成为衡量直升机先进程度的关键指标之一,某种意义上也是一架直升机的“脸面”和“颜值”。
 
  球柔性旋翼构型研究是我国直升机旋翼技术发展的关键一环。它具有结构简单、安全可靠、使用寿命更长等特点,是当代世界先进直升机旋翼系统的主流。但其结构简单的背后是高强度长寿命桨毂设计、大载荷金属/橡胶叠层复合弹性元件研制和更加复杂的气动和结构动力学设计等难题。
 
  为尽快缩短与国外先进技术水平的差距,实现旋翼技术跨越发展,直升机所瞄准国际发展趋势,把仅有欧美掌握的球柔性旋翼技术作为着力点。利用专项预研和直-10相关研究课题,启动以球柔性旋翼为代表的“25B”旋翼原理样机研究工作。
 
  这项任务是对直升机所整体技术能力的艰巨挑战。然而,尽管困难重重,按照参研人员的话说是“几乎掉了一层皮”,历经近十年攻关,我国第一幅完全自主研制的先进球柔性旋翼系统,拥有包括翼型、国产复合材料桨叶、钛合金桨毂和弹性轴承、粘弹阻尼器等诸多创新在内的旋翼原理样机,于1999年12月底实现了首飞。
 
  彼时,欧洲的A-129、EC155、NH-90、EH101和美国的S-92等具备代表意义的新研直升机,全都采用球柔性旋翼系统。这一成果标志着我国跨入世界先进旋翼技术的行列,与国外先进技术水平的差距缩短了近30年,荣获国防科技进步一等奖。
 
  “增强独立自主研发能力,不仅防止别人卡我们脖子,也有利于提高我们在市场上的议价能力。”直升机所旋翼研究室桨毂组研究员童国荣对此深有感触,他说无论是照搬照抄还是测绘仿制都是被动的,只有掌握核心技术才能实现自主。
 
  在13吨级大型直升机直-8平台的升级换代和直-10旋翼系统的国产化项目中,球柔性旋翼系统相继获得了成功。以此为基础,采用球柔性旋翼系统的AC313、AC311等民用直升机也相继取得适航证。
 
  二十载勇攀旋翼技术高峰
 
  通过几代中航直升机人的不懈努力,直升机所已吃透球柔性旋翼技术,并朝着发展更先进的旋翼技术迈进。“十二五”期间,无铰/无轴承旋翼技术、主动挥舞控制(ACF)智能旋翼技术、倾转旋翼技术等取得重大进展。
 
  在直升机领域,无轴承旋翼作为常规构型直升机旋翼技术先进水平的代表,散发着令直升机设计者痴迷的独特魅力。它不仅结构简单、零件数目少、重量轻,还具有操纵功效高、敏捷性好、可靠性高、维护简单、较低的全寿命周期成本等优点。
 
  相比国外,我国无轴承旋翼技术研究起步较晚。“九五”期间,直升机所通过预先研制,初步进行了无轴承尾桨变截面、大变形柔性梁元件的刚度特性研究。“十五”期间进行了无轴承尾桨的全面技术攻关,实现了无轴承尾桨的国产化研制,到“十一五”期间进行了前期的无轴承旋翼技术的基础研究,“十二五”期间正式开展了全尺寸旋翼的研制和装机验证。
 
  2015年5月,历经近10年的探索研究、攻坚破难,我国第一幅无轴承旋翼实现装直-11验证机首飞成功,标志着直升机所在国家“863”项目——先进直升机技术研究课题任务达到预期目标,完成了无轴承旋翼的装机考核,无轴承旋翼技术获得创新突破。
 
  与此同时,无铰旋翼技术也得到长足发展。历经10年技术积累,直升机所紧扣未来型号需求,建立专业研发团队。“十二五”期间,直升机所完成无铰旋翼原理样机的桨毂和桨叶根段设计,基本掌握新型无铰旋翼总体构型设计技术,突破新型无铰旋翼的设计、制造和试验等关键技术。
 
  “旋翼技术的突破需要多达几十年的技术积淀和设计理念的与时俱进。”郑俊伟告诉《瞭望》新闻周刊记者,发展旋翼技术不能等靠要,要独立自主去摸索、去研制。“未来旋翼系统发展大趋势是朝仿生学方向发展,结构日趋简单、控制日趋智能。”
 
  旋翼桨叶像“鸟翅膀一样”感知外界信息,并根据信息自行调整状态,实现减振、降噪2016年3月,由直升机所“胡和平班组”抓总的“基于ACF的智能旋翼悬停试验”宣告完成,这是国内首次四米智能旋翼的主动控制试验,也是国内转速最快、最接近真机使用情况的智能旋翼试验。
 
  通过此次试验,技术人员建立了多种控制条件下不同工况的试验数据,掌握了智能旋翼研究中的一整套研发流程和关键技术,同时孕育了推动后续发展的新项目,为推进第五代智能旋翼的发展奠定基础。
 
  目前,欧洲空直公司研发的新一代智能旋翼系统“BluePulse”已经完成了在H145上的装机验证,并将应用在H160直升机上。“胡和平班组”的研发成果显示,直升机所正迎头赶上世界的最新发展潮流。
 
  创新释放人才潜能
 
  技术创新人才是关键。导师传帮带、创新基金激励、组建技术“天眼”直升机所旋翼技术的不断升级很大程度上得益于其内部不断创新的人才培养模式。
 
  为加快青年人才培养,2011年,直升机所正式建立“导师带徒”长效机制。每名新员工自进入工作岗位第一天,由基层单位指定一名业务骨干担任导师,新员工在导师指导下制定职业生涯规划以及年度发展计划。
 
  周云2009年进入直升机所,2011年6月硕士毕业,被破格晋升为工程师。回顾自己的成长历程,周云认为导师的影响非常大。周云的导师胡和平研究员是直升机所一级技术专家,长期从事直升机旋翼设计和动力学分析研究。周云说:“导师对我的影响,不仅在于他传授了专业知识,更重要的是他的敬业精神和严谨作风深深地熏陶了我。”
 
  2010年5月,周云跟随胡和平开展直升机模型旋翼气弹稳定性试验及其阻尼识别技术研究。在试验验证阶段开始测得的数据无效让他们很苦恼。“通常旋翼性能载荷试验只要一周就能完成,这项试验我们前后花了一个多月。”周云回忆。为什么测得的数据会无效?刚入所不久的周云跟着胡和平收集查阅资料,反复思考交流,在此过程中,周云打开了眼界,直升机旋翼技术轮廓在他的头脑里越来越清晰,他也越来越痴迷于这项工作。
 
  2009年入所、现已是旋翼室副主任的郑俊伟同样对直升机所的“师徒文化”感触很深。“只要有疑问,老专家都是毫无保留地加以解答,同时还把他们走过的一些弯路提前告诉我们。”
 
  为激励创新,2015年初直升机所正式设立“创新基金”。所内各单位、项目团队或个人都可以进行技术或管理创新项目申报,由创新基金管理委员会进行开题评审和结题验收,按一定比例对项目团队及相关个人予以嘉奖。为支持创新,让大家关注创新基金,直升机所总设计师邓景辉甚至将个人在重大项目中获得的30万元奖金全部捐献出来。
 
  “旋翼技术的突破需要全方面发展,创新基金的设立大大激励了员工的干劲。过去,一些员工原本有想法有思路,但苦于没有资金支持,想干也干不成。”郑俊伟说。
 
  2015年6月,“赛羚”旋翼式汽车入选创新基金项目,并很快完成样机组装和系统调试,进行了样机飞行试验。在第三届天津直升机国际博览会上,“赛羚”旋翼式汽车精彩展出,引发一阵“飞行汽车热”。2016年初,直升机所为首批7个示范项目颁发了近50万元的创新奖金,项目涵盖产品开发和创意探索。
 
  此外,直升机所还创新机构设置,召集有经验的老专家成立“技术发展组”,让他们从日常事务性的研究中解脱出来,开展预先研究,扮演技术“望者”角色。“技术发展到一定阶段后越来越需要预先研究,需要更大的想象力,这一块直升机所正在不断加强。”郑俊伟说。
 
  在第十一届珠海航展上,直升机所以超前思维,创新展示了磁悬浮旋翼飞行器和“短尾隼”横列式高速直升机原理验证机2款新概念旋翼机。这些新构型直升机承载着研发人员突破直升机瓶颈的设想,他们希望能研制出一种航空器,既有直升机独特的各种近地面机动能力,又具有常规固定翼飞机的高速度、大航程。