出品：科普中國軍事科技前沿
監製：光明網科普事業部
自1939年9月14日，美籍俄裔工程師西科斯基發明了VS-300型直升機併成功首飛以來，直升機的歷史已逾79年。在79年的漫長歲月裡，隨著現代科技與工業的不斷進步，直升機的各項性能與指標也經歷了大規模地進化。進化與積累最終引起了質變，進而在直升機間產生了代差。直至今日，直升機已經歷了四次質變，發展出了四代直升機。
想對直升機劃代，必須先認識直升機的劃代標準。而標準主要包括四大項指標。它們分別是：發動機、槳轂、飛控與機體材料。
世界上第一臺直升機——西科斯基VS-300
首先是發動機。
第一代直升機使用的動力系統均為星型活塞發動機。如美國的貝爾-47直升機，採用一臺萊康明V0-435-A1B星型6缸活塞發動機，最大輸出功率153千瓦。蘇聯的米-4直升機，採用一臺活塞-7星型14缸活塞發動機，最大輸出功率1301千瓦。中國的直-5直升機即為蘇聯米-4的仿製產品。同樣使用活塞-7發動機。活塞發動機有著油耗低，結構簡單，燃燒溫度低，壽命較長等優點，很適合作為早期直升機動力。但是，活塞發動機扭矩小，超頻冗餘度低，進氣密度不足等缺點卻嚴格限制著直升機的最大速度，實用升限以及機動性。因此，工程師們開始把目光轉向了一種新的動力——渦軸發動機。
中國直-5型第一代直升機（圖片來源於哈飛集團官網）
渦軸發動機在分類上從屬於燃氣輪機，與螺旋槳運輸機使用的渦槳發動機原理及循環模式最為相近，通過壓氣機對吸入的空氣進行加壓，推入燃燒室與煤油燃料混合點燃後噴出，噴出的高溫燃氣直接推動燃氣渦輪葉片與動力渦輪葉片轉動，最終將高速轉動的輸出軸接入減速器，降低到最優轉速帶動直升機旋翼進行旋轉，進而產生升力。渦軸發動機以其強悍的超頻能力，更高的進氣密度以及優異的扭矩而成為直升機的完美動力，自二代到四代直升機均採用渦軸發動機作為動力源。
第二代直升機使用的渦軸普遍為單轉子渦軸，如UH-1休伊直升機使用的T-53-L-1渦軸發動機，其燃氣渦輪與動力渦輪均位於同一轉子，因此轉速相同。與此相同的直升機還有法國的SA-321超黃蜂直升機以及中國引進超黃蜂后自產的直-8直升機，該兩款直升機均採用Tromo-3C型單轉子渦軸發動機，該發動機國內引進自產代號為渦軸-6。單轉子渦軸最大的問題在於輸出軸轉速過高，由於直升機旋翼轉速普遍不超過400轉/分鐘，因此想把轉速高達上萬轉的輸出軸轉速降低到幾百轉，對齒輪減速器是一個嚴峻的考驗，因此會造成可靠性下降問題。同樣由於轉速過高，單轉子渦軸不得不增加渦輪級數，降低壓比來改善轉速問題，這也同樣造成了重量增加，發動機軸向長度增加以及油耗增大等問題。最後，由於啟動轉速過高，會造成壓氣機喘振，因此需要在壓氣機後方佈置放氣活門來減少喘振，進一步降低了可靠性。
單轉子核心機示意圖
有著以上這些弊端，因此二代直升機的渦軸動力普遍性能還處於“勉強夠用”階段。比如美國通用電氣的T-53-L-1渦軸，起飛油耗0.37千克/千瓦時，總壓比僅為7.4。蘇聯的TV-2-117A渦軸，起飛油耗0.374千克/千瓦時，總壓比僅為6.6。雖然已經比第一代直升機的活塞動力有不小的改善，但單轉子渦軸指標的落後依然嚴重影響著二代直升機的航程，可靠性以及任務靈活性。隨著航空動力學的進步，工程師終於找到了解決單轉子渦軸弊端的途徑，那就是——雙轉子渦軸，也成功推動了第三代直升機的出現。
美國第二代直升機代表UH-1休伊直升機（圖片來源於參考消息網）
第三代直升機開始使用雙轉子渦軸，與單轉子渦軸不同，雙轉子渦軸引入第二根同心軸與自由渦輪概念，燃氣渦輪推動壓氣機，而自由渦輪充當動力渦輪，單獨驅動輸出軸。這樣做的好處在於可以將高壓轉子的轉速提高到最優區間，而低壓轉子通過合理的葉片變距來實現轉速控制，進而降低輸出軸轉速，減輕減速器負擔，有效提高了可靠性。並且雙轉子渦軸的高壓轉子可以有效減少壓氣機級數，有效增大喘振裕度，不再需要放氣活門。增大壓比和渦前溫度以提高循環係數，在更小的尺寸下達到更高的功率水平，增大了功重比。最後，更優的高低壓渦輪配比在降低油耗的同時也提高了輸出軸的扭矩，為直升機的單發失效狀態下的應急功率帶來了更大的冗餘度，提高了三代直升機的安全性。例如俄羅斯的米-17河馬直升機所使用的TV3-117VM渦軸，其採用雙轉子構型，其起飛油耗僅0.319千克/千瓦時，增壓比提升至了9.4，而功重比更是高達5.16。而中國的三代渦軸主要有渦軸-9，其應用於直-10武裝直升機。採用的雙轉子構型，擁有957千瓦的起飛功率和5.4的功重比，油耗也降低到了0.311千克/千瓦時。是一款完全自主研製的三代渦軸發動機。
渦軸-9是中國株洲動力研究所研製的三代渦軸
隨著材料水平的進步，可以承受更高溫度的燃燒室和可以承受更大轉速的葉片相繼問世，工程師們開始採用溫度更高的燃燒室和離心式壓氣機來提升渦軸發動機的指標，而電子技術的進步也讓渦軸發動機開始引入數字化控制概念。硬指標與數字化控制的發展使得直升機動力產生了第四次質變，推動了四代直升機動力的誕生。
四代渦軸典型結構（圖片來源於透博梅卡官網）
第四代直升機開始採用引入了離心壓氣機甚至純離心壓氣機概念，例如歐洲虎式武裝直升機，採用兩臺透博梅卡MTR-390渦軸，該渦軸壓氣機僅有兩級，且均為離心壓氣機，離心壓氣機由於形狀特殊性，可以承受更大的扭矩，因此該發動機增壓比有了質的提升。在高達1423開的渦前溫度下，其總壓比高達14。這是三代渦軸所無法達到的指標。而0.28千克/千瓦時的油耗和5.8的功重比也相較於三代渦軸有所提升。除了硬指標的提升，MTR-390渦軸還引入了全權限數字式發動機控制器（FADEC）。通過數字控制實現更精確的燃油計量、發動機故障檢測、穩定引氣與放氣以及壓氣機控制。對發動機的輸出性能，運行可靠性，油耗及功率調節的精確性有了質的提升。
中歐合作的直-15直升機，裝備兩臺渦軸-16四代渦軸。
目前我國擁有兩款四代渦軸，首先是與法國透博梅卡共同開發的阿蒂丹-3C型發動機，中國稱為渦軸-16，主要用於直-15中型直升機。渦軸-16採用兩級離心壓氣機設計，帶有FADEC控制器。起飛功率1250千瓦，油耗低於0.3千克/千瓦時，且功重比達到了6一級。是中航工業與歐洲空客直升機集團的合作典範。中國的第二款四代渦軸就是直-20的動力渦軸-10發動機，功率高達2000千瓦級，最早於2013年直博會曝光。擁有兩級離心壓氣機與超過1600開的渦前溫度，功重比也達到了7一級，屬於四代渦軸中的翹楚。
梳理完直升機發動機的四代構型，後續我們將重點講一講直升機劃代的另一大指標——槳轂，請繼續關注科普中國軍事科技前沿。
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