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俄高速直升機先進旋翼技術發展

2015年第十二屆莫斯科航展上,俄羅斯直升機公司米里設計局公開展示了新一代高速直升機驗證樣機。該機在米-24「雌鹿」武裝直升機基礎上採用新的機體和旋翼設計而成,被稱為米-24 PSV「先進高速直升機」。該機將米-24上面的長方形主旋翼槳葉,換成了新翼型的複合材料槳葉,翼尖形如少林寺武僧手持的方便鏟,鋒利無比。這證明了俄羅斯下一代高速直升機研製已進入關鍵技術研究階段,美俄之間在這一領域的競爭也愈加激烈。

俄高速直升機先進旋翼技術發展

受到傳統旋翼系統基本原理的限制,從20世紀60年代開始,傳統直升機的最大前飛速度就一直難以逾越340千米/小時這個極限。由於現代直升機普遍採用前後兩個旋翼的構造,分別具有產生升力和控制飛行兩個功能,而這一模式的缺點有三個方面:一是主旋翼在產生升力的同時還要產生向前飛的推力,因此主旋翼一般是往前傾斜而不是水平安置的,也造成了能量的分散。二是旋翼的直徑和轉速受到限制,由於旋翼直徑的關係使不很高的轉速也能使翼尖達到甚至超過音速,槳葉的「揮舞」使旋翼轉速提高受到很大限制,主旋翼產生的強大下洗氣流在直升機周圍形成強大的氣幕並增加前飛阻力。三是控制方向的尾部旋翼消耗掉了部分能量,但不產生升力。

2014年底,俄工業貿易部表示已經停止資助米-X1、卡-90、卡-92這三個高速直升機研製。在俄民用領域拒絕高速直升機的同時,軍方卻顯示出對高速直升機的極大興趣。2015年莫斯科航展上俄空軍司令維克多·邦達列夫向記者證明「平飛速度270節的高速直升機項目仍然在繼續」。270節約相當於500千米/小時,總體指標要高於米-X1和卡-92的水平。

俄高速直升機先進旋翼技術發展

此次展出的米-24 PSV既可以看成是米里民用版米-X1項目的技術驗證機,也可以看成是軍用高速直升機項目的旋翼驗證機。該機主要用於驗證新機體氣動布局和全新旋翼系統,而新型旋翼系統將被用於新機型的研製或米-24、米-28、米-35、米-171等現有機型的改造,為其升級作鋪墊。不過,米-X1上的涵道推進螺旋槳技術並未在該機上出現,估計是為了降低驗證機項目的整體風險。

上世紀60年代米-24直升機的研製過程中,蘇聯就已經採取了諸多增速技術。比如將主旋翼直徑縮短使其轉速加快,在不減小升力情況下減小迎風阻力,提高速度;採用5槳旋翼,槳葉數越多,在同樣旋翼直徑和轉速下的升力就越大,或者同樣升力下轉速可以較低,有利於降低振動和噪音;較長的短翼採納了米-6 直升機經驗結果,在前飛時可以為主旋翼卸載 19-25%,將主旋翼「解放」出來產生更多的推力。諸多因素作用下,米-24直升機最大平飛速度達到330千米/小時。因此這種服役了近半個世紀的武裝直升機再次被選為新型旋翼技術的技術驗證機。

在舊型直升機上試驗新機型的旋翼系統是俄航空業的傳統。1965~1970年,M·M·格羅莫夫飛行研究院就使用一架米-4「獵狗」直升機(c/n0581號)進行主旋翼槳葉失速飛行試驗,為米-6、米-8、米-24直升機主旋翼設計提供了有價值信息。1965~1969年,該研究院還使用另一架米-4直升機(c/n04122號)試驗各種主旋翼槳葉,並在旋翼頂部安裝了一個圓錐形整流罩,研究旋翼渦流系統。

俄高速直升機先進旋翼技術發展

1975年,米里設計局將一架米-6「吊鉤」重型直升機(「紅色88」、c/n8683904V號)改裝成旋翼試驗機,用於試驗米-26「光環」重型直升機旋翼系統,旋翼由米-6的5葉主旋翼和4葉尾槳換成了米-26的8葉主旋翼和5葉尾槳。1966~1977年,格羅莫夫飛行研究院先後使用了3架米-8/米-8T(分別為c/n0102、c/n127、無號)試驗主旋翼槳葉失速、主旋翼氣動優化、直升機低速穩定性和操作品質等。1975年,一架無編號的米-24A直升機(可能是V-24原型機或預生產型)安裝了較大直徑的8葉涵道試驗性尾槳,以驗證涵道尾槳在武裝直升機上的應用,最後證明在「雌鹿」這個重量級別的直升機上涵道尾槳並不適合。

而在米-28「浩劫」武裝直升機的研製過程中,又有多架米-24被改裝成試驗機,其中一架無編號米-24A用於試驗新型主旋翼,而另一架米-24則試驗了米-28上面採用的286型X型尾槳。因此,在新型高速直升機研製中,氣動布局,特別是旋翼系統的前期研究非常重要,這也是米-24 PSV的使命所在。

米-24 PSV上呈現出諸多不同於傳統「雌鹿」直升機的新技術,比如整體式黑色玻璃駕駛艙、風阻較小的高速氣動外形、新型克里莫夫VK2500渦軸發動機等,而其最關鍵的技術卻是外形獨特的寬弦旋翼槳葉。直升機最具特色的翼型開發和設計是支撐先進高速直升機裝備研製的基礎。旋翼翼型是構成直升機旋翼外形的基本元素,翼型的性能直接決定了旋翼的氣動效率和機動能力,而高氣動效率、高機動能力的旋翼是新一代直升機發展的必然趨勢。

俄高速直升機先進旋翼技術發展

米-24 PSV仍然採用5葉主旋翼,但翼型與傳統「雌鹿」的長方形旋翼已經變化迥異。該旋翼槳葉從翼根到翼尖有多處大角度大幅度扭轉,特別是在翼尖處呈現出弧形變掠翼型。由於旋翼360°旋轉一圈,有一半槳葉從後向前轉,另一半從前向後轉。前行、後行階段都產生升力,但後行階段產生推力,而前行階段將產生額外阻力。在前飛狀態下後行槳葉相對於靜止空氣的相對速度較低,效率大降,嚴重的時候可能造成失速。此外,由於旋翼直徑的關係,不很高的轉速還能使翼尖達到甚至超過音速,使旋翼轉速提高受到很大限制。因此,新剖面槳葉進一步加大了扭轉角,在同等功率條件下旋翼總拉力可提高10%以上,對於推遲後行槳葉失速和降低翼尖速度、提高轉速等都有利,可以提高總升力和氣動效率,而複合材料加工而成的槳葉綜合受力性能好,使用壽命長,成本低。不過,該機是否採用了無軸承旋翼技術尚不清楚。

根據邦達列夫介紹,採用新技術後,米-24 PSV最大速度可提升13%,達到370千米/小時以上,而巡航速度也將提高30%。該旋翼技術可以用於改進現役米里系列直升機,也為完全狀態的軍用高速直升機打下良好的基礎。在航展上,米里設計局也證實,該驗證機將於2016年首飛,完整技術狀態的新型PSV驗證直升機將於2018年首飛,值得我們拭目以待!



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俄高速直升機先進旋翼技術發展

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作者寫於2016-05-10
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