俄羅斯高速直升機發展簡析

俄罗斯高速直升机发展简析

米-24LL PSV改裝後並未加裝推進槳裝置,而是用2臺克里莫夫設計局的VK-2500渦軸發動機替換了原來的TV3-117渦軸發動機,並採用了新的旋翼槳葉。俄聯邦政府為該驗證機的發展一共提供了6.3億盧布(8500萬美元)的經費,這包括對旋翼系統部件進行臺架試驗的費用

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克里莫夫公司2011年展出的VK-2500渦軸發動機,該發動機配裝米-24LL PSV驗證機。按計劃,該公司將以此為基礎發展VK-2500M渦軸發動機,以配裝高速直升機裝備,並可用於改進俄現役米-28N和卡-52攻擊直升機

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2015年12月,米-24LL PSV驗證機完成首飛。2016年10月28日,俄國防部透露該機在試飛中已實現超過405千米/時的平飛速度

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米-24LL PSV準備在2015年8月的莫斯科航展上展示,可以清楚地看到新主旋翼槳葉的特點

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由米-24K直升機改裝的米-24LL PSV高速直升機驗證機(俄稱為飛行實驗室)

軍用直升機是保證現代化軍隊作戰能力的重要航空裝備之一,承擔了突擊運輸、武裝攻擊、後勤補給、人員運輸、反潛反艦、戰鬥搜救、預警掃雷在內的多種戰鬥任務,其性能直接影響部隊的戰術執行效果。隨著武器裝備性能水平的提高,軍事行動對直升機性能提出了新的要求,尤其是對飛行速度的要求越來越高,高速直升機的發展能夠顯著提升未來軍隊的作戰、救援和投送能力。俄羅斯在直升機研製方面具有獨特的設計理念和思路,俄羅斯直升機公司等相關航空企業產品在國內外擁有較高的市場份額。作為未來直升機發展重點方向,俄羅斯對高速直升機也在持續投資佈局和進行技術準備,目前已經獲得了初步的研究成果。

俄羅斯早先曾計劃開展幾個先進的飛行器項目,包括米里設計局的直升機米-Kh1,卡莫夫設計局的卡-90和卡-92直升機。按原定計劃,卡-90直升機將安裝雙轉子渦扇發動機,速度可能超過800千米/時,但這些項目都停留在紙面狀態,由於經濟和技術等原因並沒有推進。直至2014年,俄羅斯國防部提出將在未來高速直升機研製項目上花費大約75億盧布,研製資金將由國家預算劃撥。俄羅斯直升機公司也表示將進行財政撥款,完成技術儲備工作。

在政府和企業資金的支持下,俄羅斯直升機公司開展了米-24LL高速直升機驗證機(米-24LL PSV)項目和高速軍用直升機(SBV)項目;茹科夫斯基中央氣動和流體力學研究院對停轉旋翼佈局進行了研究。

(1)米-24LL PSV驗證機

俄羅斯直升機公司在2015年的莫斯科航展上展示了在米-24K直升機基礎上研製的未來高速直升機技術驗證機米-24LL PSV,該機擁有改進的機身和單座駕駛艙。根據俄羅斯直升機公司公佈的計劃,最初技術驗證機的飛行速度要達到400千米/時,後續將提高到450千米/時。米-24LL PSV技術驗證機2015年12月29日完成首飛,試驗時沒有安裝水平尾翼,但是帶有較長的機翼。該驗證機可用於升力系統飛行試驗,在試驗中能夠評估旋翼槳葉、不同氣動佈局的機翼等技術和工藝方案,以及完成高速飛行時的振動和載荷水平。2016年10月,米-24LL PSV驗證機在一次飛行試驗中創下非官方的平飛速度紀錄,超過405千米/時,這一速度打破了常規直升機平飛速度世界紀錄,該紀錄過去由一架安裝“英國試驗旋翼項目”(BERP)槳葉的“山貓”直升機於1986年創造,為400.87千米/時。米-24LL PSV技術驗證機的研製為俄羅斯未來高速直升機發展提供了有效的驗證平臺。

(2)高速軍用直升機項目

2017年8月,在俄羅斯“軍隊-2017”國際軍事技術論壇上,俄羅斯直升機公司與俄國防部簽署了高速軍用直升機概念機研發合同。項目的名稱是高速軍用直升機(SBV)。根據合同要求,雙方將在為期兩年的規定時間內共同開展設計工作,以確定高速軍用直升機的技術參數。合同執行結束後將確定高速直升機形貌並編制技術任務書用於進行實驗設計工作。在整個研發過程中,計劃使用俄羅斯直升機公司在以前的預先研究工作中所儲備的技術信息,計劃研發出巡航速度可達350—360千米/時的高速直升機,並在2025年前投產。俄羅斯直升機公司將研製階段稱為科學研究工作階段(NIR),該階段預計在2018年結束。下一階段為試驗設計工作(OKR),時間將超過4年,其準備工作正在進行,預計很快將同國防部簽訂獨立的合同。在此過程中,將持續修訂直升機方案,制定試驗計劃。

為完成科學研究工作階段的合同,俄羅斯直升機公司將在2018年向國防部提交2份高速直升機設計方案,分別由米里和卡莫夫設計局將進行相關工作,俄國防部確定最終選擇結果。截至目前俄羅斯直升機公司的研究人員已開展了大量的研究工作,預計高速直升機將於2019年進行飛行試驗。

(3)停轉旋翼試驗

2017年2月前,俄羅斯中央空氣動力和流體力學研究院(TsAGI)已經進行了停轉旋翼佈局的風洞試驗,驗證了停轉旋翼佈局穩定、高效的直升機和固定翼飛行狀態。TsAGI的初步研究結論表明,這種旋翼的最大飛行速度可達400—700千米/時。TsAGI直升機氣動分部已經開發了“許多針對停轉旋翼研製難題的關鍵技術”,並於2016年秋天進行了風洞試驗。此前,美國國防預先研究計劃局和多家直升機公司都探索過這一佈局技術,包括休斯公司的三角翼翼梢帶短葉片方案,西科斯基的X翼方案(使用環量控制的4旋翼),以及波音的X-50“蜻蜓”方案(停轉旋翼鴨式佈局,主翼為採用環量控制的2個葉片)。但目前為止這種佈局的飛行器還沒有進入工程應用階段。TsAGI對此技術方案的研究為高速直升機發展提供了新的可能。俄羅斯工貿部部長傑尼斯·曼圖羅夫強調:“不能百分百的確定傳統佈局的高速直升機是最有效的,不排除高速直升機採用新佈局的可能。”

技術性能特點

直升機高效的商業應用一直是俄羅斯研製新型未來直升機的設計原則之一。早先俄羅斯直升機公司宣佈,未來高速直升機起飛重量約10.6噸,載客量21人,飛行距離900千米,最大巡航速度在340—360千米/時,運營費用降低20%—25%。目前俄羅斯高速軍用直升機項目還處於科研階段,除飛行速度外,實際能確定的技術性能特點有限,僅能在佈局、槳葉和發動機等方面進行初步判斷,具體如下。

(1)兩型佈局方案。針對未來高速直升機(PSV)項目,俄羅斯直升機公司下屬的兩家主要企業:米里和卡莫夫設計局都有各自的方案和技術儲備,具體外形或將根據經濟可行性確定,當前所有方案都在研製當中。卡莫夫設計局採用是其優勢的共軸佈局,這是該設計局的最顯著的設計特點。而米里設計局認為採用傳統佈局較為適宜。兩種計劃的共同點是都有較大尺寸的水平尾翼。值得注意的是,俄羅斯現有的軍用直升機上較小的翼面主要用於吊掛武器,氣動能力是衍生性能,因此需要有新的佈局形式來提高飛行速度。

(2)新旋翼系統。早先俄羅斯開展的高速直升機項目方面的科研與設計工作往往因為不能降低運營成本獲得相應成果而停止,但是飛行試驗室對米里和卡莫夫設計局的計劃兩個都有用。例如,米-24LL PSV驗證機的主要特點是換裝新的旋翼系統,尚未加裝推進槳裝置,如加裝後續可能達到更高的飛行速度。在新的旋翼系統中採用了俄在氣動、強度和工藝製造方面的最新研究成果。同時新的旋翼葉片在飛行試驗室上驗證後還可用於新的直升機,並改進現有型號,例如米-28N“夜間獵手”由於採用新的槳葉最大速度提高了10%,巡航速度提高了13%。

當然,也不排除高速直升機上應用停轉旋翼的設計思想,保證直升機在垂直起飛、懸停、低速飛行、垂直著陸時以傳統的直升機狀態飛行,靠旋轉的旋翼提供升力和推力;在進行高速飛行時將旋翼固定,由停轉旋翼充當固定翼的角色提供升力。這種設計主要是為了解決傳統直升機旋翼後行槳葉易失速,前飛速度受限等問題。停轉旋翼設計的關鍵技術之一是直升機和固定翼狀態在相互轉換時的穩定性、操縱性如何保證。

(3)發動機。根據俄羅斯《國家武器裝備發展規劃》,俄將持續研製先進發動機系統和關鍵部件,以便逐步進行發動機驗證試驗和系統認證。俄羅斯位於聖彼得堡的克里莫夫公司預備在2018年開始新一代先進直升機發動機VK-2500M的批生產。克里莫夫公司是世界知名的俄羅斯燃氣渦輪發動機研製單位,主要從事中小型軍民用飛機和直升機的發動機、輔助動力裝置和航改地面燃氣輪機設計和生產。公司確認,VK-2500M是全新的發動機,而非VK-2500批生產型的改進型。新發動機起飛推力為2600馬力,極限狀態下達到2950馬力,比VK-2500(起飛推力2400馬力,極限狀態2700馬力)推力更大。同時,VK-2500M型發動機重量減少了20%,零件數量減少了16%。燃油消耗率也減少了7%,大修間隔增加,模塊化結構還支持在外場修理。俄羅斯有消息稱,預計VK-2500M型將在2023年隨高速軍用直升機同時取證,未來VK-2500M發動機還將用於改進的米-28N和卡-52直升機。

工業能力需求

隨著軍用高速直升機項目的不斷推進,俄羅斯直升機公司將逐步建立起對應的研製試驗能力,如飛行實驗室、材料需求等。除新發動機、傳動軸和旋翼外,俄羅斯還將研製新的航空電子系統和武器系統用於軍用高速直升機項目。由於項目的創新程度很高,俄羅斯現有的系統大多落後於西方同類產品,因此工業界需針對高速直升機的性能要求開展專項能力研究,具體包括:

(1)加快發展機載設備。俄羅斯在直升機上配裝的雷達、目標發現系統、近地告警系統等都表現出較差的性能,直升機的電子設備沒有國際競爭力。其中,尚無研製單位達到高速直升機所需的目標捕獲系統批生產能力。高速直升機需要安裝的改善駕駛員觀測和圖像合成能力的近地告警系統也未在俄羅斯任何一架軍用直升機上安裝。在此條件下,俄羅斯將在OES-52系統經驗基礎上研製高速軍用直升機的陀螺穩定光電觀測系統(GOES),用於確定反坦克導彈目標等任務。目前卡-52E攻擊直升機已經用OES-52代替了笨重而老舊的GOES-41系統,從2017年開始交付埃及。

(2)加強武器系統能力。武器方面,俄羅斯直升機反坦克導彈的作用距離很短,現有的“衝鋒”和“旋風”導彈作用距離為6—8千米,且不具有“發射後不管”的能力。因此,需要按照“發射後不管”原則針對軍用高速直升機研製輕型多功能制導導彈(LMUR),採用多通道導引頭,並使飛行距離達到15—18千米。

(3)提升材料結構儲備。根據俄羅斯直升機公司未來創新計劃,可發現其正在樹脂基複合材料一體化結構、旋翼和舵面螺旋槳電傳動技術、新一代升力和舵面螺旋槳葉片等方面積極開展研究。同時俄直公司的重要夥伴“俄羅斯技術”國家公司下屬的“RT-化學複合材料”公司,為直升機製造業提供了25種產品,包括適用於各種天氣條件的、用於頭部整流罩的石英纖維和玻璃纖維;硅酸異質有機座艙玻璃;機載高亮度、高對比度濾光鏡;用於製造槳葉的樹酯基蜂窩塑料;用於製造內部設備和承力機構的玻璃蜂窩塑料。這些技術儲備為軍用高速直升機的快速研製打下了紮實的基礎。

值得注意的是對於軍用高速直升機項目,俄羅斯直升機公司和其他航空企業還需要開展大量的科研設計和批生產準備工作,且考慮到項目的進度和當前經濟形勢,未來五年內項目很難達到批生產水平,但不排除通過安裝過渡的系統滿足作戰需求的情況。


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