绿色直升机

前言

世界上直升机经100多年的发展，已进入成熟期，成熟期的标志是指其基本技术已经成熟，且产品在社会上已有大量使用。如今全世界有5万多架直升机遍布军事和国民经济建设的各个领域，可以说直升机是现代社会不可缺少的飞行器。它的特殊功能体现在垂直起降，空中定点悬停，空中任意方向、任意速度运动等方面，故直升机有万岁和万用飞行器之说，它最大程度地实现人类飞马和魔毯的梦想。

直升机的特殊功能体现其在航空器中的优势，但自上世纪70年代以来，直升机在飞行性能、噪声控制等方面并没有突破性的进展，现代直升机研发在注重基本性能的同时，其竞争力主要体现在保障性、经济性、舒适性等综合性能上。但现代直升机仍存在三个不可回避的缺点：一是噪声大；二是速度低；三个振动大。如果这三个问题得到解决，直升机将是完美的飞行器。造成这三个缺点的原因是直升机构型决定的，旋翼是直升机的唯一升力面，同时又是操纵面，其设计已接近物理学极限，旋翼桨盘面必然会出现升力不对称的现象，即直升机飞行时前行桨叶和后行桨叶的气动状态是不一样的，出现后行桨叶失速、前行桨叶马赫阻力以及回流区，这种现象导致了直升机不能高速飞行和并产生较大振动和噪声。

从目前技术状况看，要同时解决这两三个问题很难，只能分别去解决。对第二个缺点，目前有一些新构型直升机的发展，称之为高速直升机，如西科斯基公司的X2和欧直的X3，将直升机的巡航速度由300千米/时提高到400～500千米/时，并且已通过原理样机飞行演示验证，预计10年之后，可能会逐步投入使用。对第三个缺点，目前采取的振动主动抑制技术，可使驾驶员乘员处的振动水平控制在0.05g，这个问题可望得到解决。对第一个缺点，欧美国家现也已开展大量的专项研究，不但要降低噪声对环境的污染而且也要降低发动机排放物的污染，并已取得初步的成果，这类直升机称之为绿色直升机，是本文讨论的内容。

直升机在国民经济建设中的重要作用带来了公众的广泛关注，直升机的环境污染问题逐渐进入公众的视野。随着公众环保意识的增强，降低污染已成为民用直升机必须解决的问题。在可以预见的未来，直升机的市场竞争必然由“用户满意”进入“公众满意”时代。

绿色直升机的内涵

直升机在使用过程中所引起的周边环境变化，或多或少会侵扰周边的居民，主要包括直升机外部噪声引起的噪声污染和发动机排放物引起的空气污染。直升机与固定翼飞机不同，为了避免这些污染，固定翼飞机可以将机场建在城市周边；但是直升机的应用强调低空和运输便捷性，一般距离较短，如果机场建在城市周边，会降低直升机的使用价值。因此，对直升机引起的外部环境污染的有效控制是绿色直升机的特征，是直升机适用性的重要指标。降低噪声和发动机排放物的污染技术称之为绿色直升机技术。

2008年2月5日，欧盟启动了“洁净天空计划（Clean Sky）”，该计划由欧盟和飞机相关行业共同完成，目标是为未来飞机开发绿色环保技术。作为“洁净天空”计划六个项目之一的“绿色旋翼机（Green Rotorcraft）”项目，要求直升机削减10分贝噪声；涡轴直升机的二氧化碳排放量减少26%，发动机本身的改进必须降低10%的二氧化碳排放量，另外气动布局和系统方面的改进必须降低16%的二氧化碳排放和65%的氮氧化物排放量。

2009年3月，美国国防部预先研究计划局（DARPA）启动自适应旋翼（MAR）项目，项目设定了明确的性能目标：有效载荷增加30%；航程增大40%；旋翼声学可探测范围减小50%；旋翼诱发振动减少90%。作为最低要求，该技术不得降低直升机的速度、灵敏性和有效性。

这两个研究项目为直升机环境保护技术的发展指明了方向，也提出了未来民用直升机的设计方向。因此，降低噪声污染和发动机排放污染的绿色直升机技术，是未来民用直升机必然的发展方向。

外部噪声抑制技术发展

直升机的外部噪声源

直升机的外部噪声主要来自旋翼、尾桨和发动机。在直升机的三种外部声源中，尾桨和发动机噪声都属于高频部分，在空气中衰减速度快，旋翼噪声是直升机外部噪声的主要成分，因此目前直升机外部降噪研究主要针对旋翼开展。

旋翼气动布局设计

通过旋翼桨叶气动外形优化降低旋翼噪声的技术属于被动降噪技术，主要是通过对翼型、扭转角、桨尖等气动布局参数优化进行低噪声旋翼设计。当前流行的旋翼被动降噪主要通过先进桨尖优化开展旋翼降噪设计，包括采用后掠、尖削、下反、BERP等桨尖形式，国际上先进的直升机公司均拥有自主发展的桨尖构型。

欧直公司开展的旋翼气动噪声优化项目（ERATO）在旋翼被动降噪设计领域进一步向前发展。该项目研究的“蓝边”（Blue-Edge）桨叶是一个创新型桨叶设计概念，“蓝边”桨叶通过减小桨尖弦长的设计降低桨尖涡强度，通过非均匀的弦长分布和前掠再后掠的弯曲形弦线分布设计避免桨尖涡与桨叶平行干扰产生大的噪声；通过先进的翼型并降低翼型厚度降低旋翼的厚度噪声和载荷噪声；通过后掠、优化的桨尖避免桨尖的气动分离。“蓝边”桨叶独特的设计使其外形大异于常规桨叶。

“蓝边”桨叶已经在一架EC155直升机上接受了大量的疲劳和飞行试验。截至2010年底，试验已经获得了令人满意的结果，直升机安装了“蓝边”桨叶后，在工作条件进行近地飞行时，地面感知噪声能够减少3～4分贝。

主动襟翼旋翼

主动襟翼旋翼概念是将桨叶某段的后缘部分通过襟翼代替，通过作动器或智能材料按一定的策略进行驱动，能够有效降低旋翼的桨涡干扰和失速，从而降低旋翼振动和噪声。

西科斯基公司在智能旋翼项目中重点开展旋翼桨叶上放置前缘和后缘装置进行降低振动和噪声的研究。通过研究让旋翼桨叶前缘或后缘襟翼在某个频率下运行，从而使得桨叶处于前行侧时具有较好的阻力发散特性，运行到低速后行侧时具有较好的失速特性。

欧直公司在“蓝色脉冲”（Blue-Pulse）控制项目中研发了通过双襟翼特殊设计降低桨涡干扰噪声的ADASYS旋翼。双襟翼通过压电材料装置进行驱动，每分钟周期运动15～40次，从而改变桨叶的气流和运动，降低直升机降落时的振动和噪声。最有效的飞行状态，能够减少5分贝的噪声。

自适应旋翼

自适应旋翼是目前最先进的旋翼设计理念，其设计思想是通过在桨叶中内置压电材料作动器，桨叶能够根据桨叶气动环境的变化改变形状，包括扭转、弦长、桨尖形状等，从而确保桨叶具有最佳的气动性能，并能最大限度的降低噪声。

美国的自适应旋翼（MAR）项目是这方面研究的典型代表。项目要求设计并研发出一种“变形”旋翼系统来改进直升机的整体性能，该系统的旋翼可改变很多参数，包括长度、后掠角、弦长、翼型弧度、桨尖形状、扭转角、刚度以及其他参数。

减排技术发展

直升机减排常规技术措施

直升机尾气由发动机产生，主要成分是二氧化碳和氮氧化合物、水汽。减少发动机的尾气排放直接要求降低耗油率，提高燃油效率。

提高燃油效率，除发动机的技术发展外，也可以从直升机设计方面入手。一是减少机身和非升力旋转部件阻力，在直升机大速度前飞中有50%的发动机功率被废阻消耗。机身需要通过外部附件减阻；桨毂可以通过优化并加装整流罩，来实现减阻；起落架可以通过收放来减阻；这些措施在大速度飞行时非常有效，可能降低直升机的需用功率15%。二是减少发动机的安装损失，进气道、颗粒分离器、喷管产生的安装损失可达到5%，通过这部分的优化设计，可以降低至2%。

柴油发动机直升机

在“绿色旋翼机”项目中，欧直公司正在大力开展柴油动力直升机的研发。该公司以EC120直升机为平台，采用小型柴油发动机开展了方案设计和可行性研究。通过项目研究，先期目标是基于现有的柴油发动机技术实现降低30%的燃油消耗；远期目标是基于下一代的柴油发动机技术，并进行直升机总体方案优化，能够实现减少30%～40%燃料消耗。

电驱动直升机

全电驱动的直升机将具有巨大优势，电动发动机的使用将减少直升机复杂的动部件，从而使成本能够降低三分之一；同时能够降低振动和噪声从而使机舱内部通话系统成为历史；并且不需要航空燃料，从而避免了发动机的外部排放，更加绿色环保。

西科斯基公司的“萤火虫”全电直升机是对电驱动垂直起降飞行器的首次尝试。“萤火虫”在S-300轻型直升机上改装而成，采用的通用电力发动机以及蓄电池提供的输出功率足以将直升机提升至空中并让其在悬停状态保持一定时间。但电量问题是能否得到推广使用的关键。

欧直公司也在考虑电驱动直升机的飞行，计划将一架Guimbal Cabri轻型直升机改装成电驱动验证机。

混合动力直升机

EADS公司的混合动力直升机在2010年的柏林航展上首次亮相，其动力装置包含两台200轴马力两冲程活塞式航空发动机、两台发电机以及两组锂离子电池。混合动力直升机项目主要是改进发动机的整体效率，从而使得混合动力直升机的燃油消耗率与同级别的直升机相比减少30%，同时增加了直升机的安全裕度。

这种直升机尚处在概念研究阶段，还在进行相关的模拟和研发工作。

电力尾桨

欧直工程师正在研究电力尾桨，由一个高压电动机用于提供尾桨的动力，传统涡轮发动机可以继续用于驱动主旋翼。

采用电驱动的尾桨传动系统将可能大有作为，其理念是使用一个局部的电动机替换机械传动轴。这样，尾桨就独立于旋翼，从而使尾桨的转速变化范围很广，此种配置将降低噪声和减少燃油消耗。

此外西方国家也在探讨新能源发动机，如生物燃料、激光发动机等。

中国直升机的应对之策

中国直升机行业推出的AC311、AC312、AC313已取得中国民航适航证，满足现在的中国民航CCAR34部和36部的要求，但是其机外噪声水平和发动机排放与世界先进水平仍有一定的差距。中法联合研制的AC352/EC175直升机目前正处于取证阶段，其机外噪声水平可望比国际民航组织要求低5分贝，该指标处于现代直升机噪声控制水平前列。

在技术发展上，国内直升机行业和发动机行业也注意到噪声控制和发动机排放的问题，并积极开展相关技术研究。中国直升机设计研究为此专门建立旋翼噪声试验室，开展旋翼系统噪声机理、低噪声优化设计以及噪声抑制技术研究；国内南京航空航天大学等众多大学也在开始这方面研究；发动机行业仍在致力于降低发动机耗油率，同时也跟踪固定翼飞机的新能源发动机。

但是，我国对直升机噪声控制及发动机排放问题的研究工作，整体上处于无序状态，存在没有总体研究目标、研究内容分散不系统、也没有相应的保障措施和约束机制等问题，致使研究成果不能得到系统充分的试验验证，应用性不强。这种状况对未来民用直升机发展是极其不利的。

直升机绿色环保技术发展涉及直升机、发动机、新材料、电子控制、新能源等行业的众多学科，因此，需要统筹相关行业并借鉴欧美的研究发展经验，从国家层面对未来绿色环保直升机进行整体规划，确定研究目标和研究内容、制定研究实施计划，在国家政策上予以支持。

从研究途径看，一方面，通过国家有关部门协调各行业优势力量，立足自主研发，合力攻关、提高研发能力，这是最根本的途径；另一方面要加入相应国际航空环保组织，跟踪国际上的研究进展情况，鼓励国内直升机及发动机行业与国际先进公司及相关组织的合作。

欧盟、美国正大力推行绿色工业，通过“洁净天空”等项目计划的实施，预计到2020年，直升机绿色环保技术将会取得突破并推向市场，欧美等国将来极有可能推出新的适航规章，要求新研的民用直升机贯彻新的适航标准。如果我们在绿色环保技术方面不能有所作为，2020年后，中国民用直升机产业将会面临发展的重大技术门槛。

目前，中国民用直升机仅200架左右，预计到2020年，会有1000架的增量。中国民用直升机现处于发展的关键时期。对直升机绿色环保技术的专项研究已刻不容缓，只有采取切实的行动，才能实现中国直升机的持续发展。

（作者系中航工业首席技术专家，中航直升机有限责任公司副总工程师）