導讀
隨著技術的進步，直升機在國防和通用航空領域的應用不斷拓展。到目前為止，直升機技術已經歷了四代發展。近年，多旋翼無人機在大眾消費領域的普及以及在行業應用領域的拓展，使垂直起降飛行器在民用市場得到了廣泛關注。但目前市場上作為主流的多旋翼無人機由於其固有的載重小、航程短的限制，無法滿足重載、長航時的應用需求，制約了其在更廣泛領域的應用。近兩年火熱的城市空中交通概念中，垂直起降飛行器是關鍵環節之一。在重載垂直起降飛行器方面，傳統佈局的直升機形式仍然是氣動效率最高、可靠性最高的主流交通工具。面向不同應用，在世界各地出現了許多新構型垂直起降飛行器，如傾轉旋翼飛行器、垂直起降固定翼飛行器等，同時人工智能技術在航空領域也得到了更深入的探索和應用，比如基於視覺的自主飛控等方面。
那麼當下垂直飛行器技術所面臨的主要挑戰是什麼？國內外技術發展狀態如何？國外高速直升機技術的發展情況如何？隨著信息、能源、新材料、人工智能等技術的發展，直升機的功能也在不斷拓展，在今後一段時間內，直升機將呈現怎樣的發展趨勢？希望通過此次嘉賓的分享給予關注垂直起降飛行器技術的各界人士一些啟發與指導。
嘉 賓 介 紹
主講嘉賓：朱清華
南京航空航天大學直升機系副教授、研究生導師；工信部-中航工業集團共建直升機技術協同創新中心型號常務副總師；南航大學直升機技術國家重點實驗室、直升機系書記；中國航空學會直升機分會委員兼總幹事。
核 心 觀 點
1.當前旋翼技術特點
2.當前垂直起降技術及應用
3.未來出行旋翼技術
直 播 回 顧
我分享的主題是旋翼技術與自由出行。主要內容有以下三個方面：
1.旋翼技術特點
2.垂直起降技術及應用
3.未來出行旋翼技術。
從公元前的中國古代文明——竹蜻蜓，到15世紀意大利人達芬奇的直升機草圖，都為現代直升機的發明提供了啟示，指出了正確的思維方向。竹蜻蜓最早記載於晉朝葛洪所著的《抱朴子》一書中；達芬奇的直升機草圖是世界上最早的直升機設計方案圖。
1863年，Ponton創造了直升機helicopter這個詞。而旋翼的“Rotor”卻是已有的詞，國內還有人將之譯成“轉子”，也有很多人把它叫成“主槳”、“螺旋槳”。中國直升機學術泰斗——王適存教授第一次正式確定了“旋翼”這個詞。
旋翼是一種通過旋轉產生升力（克服自重的垂向氣動力）的翼形體。廣義上講飛行器上只要是用於產生升力的槳葉（包括螺旋槳、風扇）都可稱為旋翼；若旋翼傾轉變成產生推/拉力（水平力）了，那就要改稱為螺旋槳。
旋翼飛行器從動力角度可分為旋翼機（自轉旋翼）和直升機（驅轉旋翼），從構型角度又可分為單旋翼、雙旋翼、多旋翼等多類旋翼飛行器。但是四旋翼、多旋翼飛行器中，只要是以旋翼為主要升力和操縱部件，那就可以歸為直升機一類。
1907年，法國人科爾尼實現第一次載人飛行利用的就是旋翼技術。他的設計方案採用了縱列式雙旋翼佈局，由一具24hp(18hW)的內燃機驅動，旋翼轉速為90rpm。1923年，西班牙人蒂·拉·西爾瓦研製成功第一架旋翼機，為後來直升機技術的發展鋪平了道路。1937年，Focke教授研發的FW61是第一種真正可以操縱的直升機。Focke教授在直升機發展上的成功事蹟激勵了各國於二次大戰前對直升機發展的投入。西科斯基研製的VS300是第一種被批量生產的直升機。
直升機進入實用階段後，其重大技術進展仍集中在動力裝置和旋翼上。目前國際上還沒有統一的直升機劃際分代標準，但直升機主流研發機構認可的通用做法是根據直升機主要技術特徵（如旋翼槳葉材料、發動機類別、振噪水平等）進行劃分。比如旋翼系統，第一代是木質的槳葉，第二代是全金屬槳葉，第三代是複合材料槳葉，第四代是碳纖維、凱芙拉等高級複合材料槳葉，第一代旋翼系統採用對稱翼型，第二代逐漸出現了非對稱翼型，驅動效率越來越高，第一代旋翼懸停效率只有0.5，現在已經達到了0.8了。所以旋翼技術的發展也促進了直升機劃代的發展。
目前，旋翼技術主要向“三高”、“三低”的方向發展。“三高”指高速、高機動、高生存力，“三低”指低振動、低噪聲、低成本。四代直升機的噪聲水平逐漸降低，標誌著旋翼技術在逐漸地提升。南京航空航天大學在旋翼噪聲形成機理、低噪聲旋翼氣動外形設計（CLOR系列）方案及旋翼噪聲主動控制等方面有一定突破。
旋翼技術使飛行器具備了特殊的性能：定點垂直起降；點對點飛行；低空低速、高度機動靈活；高效懸停。這對應急救援、城市交通出行等都是非常有利的。
未來的旋翼技術怎麼發展呢？以直升機為例，近期也就是這5年範圍內，傳統直升機主要是以減振、降噪、提升綜合性能為主。中期也就是10年範圍內，以新構型、新概念的直升機的新特性為主，旋翼也圍繞著這些新特性來進行。遠期發展，以顛覆性技術、智能化技術、跨域多棲直升機為主。未來的旋翼技術要打破現在的通用型，而向專用型、特殊型方向發展。
垂直（起降）飛行技術包括矢量發動機技術、傾轉涵道技術或者傾轉槳技術、噴射工質技術和我們的旋翼技術。但事實證明，旋翼是實現懸停、垂直起降飛行的各項方式中是效率最高的、性價比最好、應用最便捷的技術。
垂直（起降）飛行技術應用最具代表的發展方向是飛行汽車。飛行汽車已經不僅僅是車的概念，更多的是一種交通工具的概念，是一種能夠垂直起降、便捷交通的空中工具，而不僅是一種能夠飛起來的汽車。所以飛行汽車指的是將來自由出行的空中交通工具。飛行汽車對於城市交通是非常重要的。
點對點實現飛行就要用到垂直起降技術，包括城市交通擁堵，自然災害等領域。提高它的效率，也是未來市場或者未來發展的一個主要方向。
雖然飛行汽車現在已經有人實現了，但都屬於固定翼的飛行汽車。雖然它摺疊起來是汽車，打開是固定翼飛機，但是這種汽車不是我們的發展方向，因為它需要跑道。而飛行汽車未來實現自由出行還是要靠垂直起降技術。
飛行汽車、未來自由出行的必然趨勢是智能飛行器。智能飛行器主要分三個發展階段，第一個是初級階段，應用了單項智能技術，可智能飛行；第二個階段是成長階段，綜合應用了多項智能技術，可智能執行某項任務；第三個階段是成熟階段，集成了需要的所有先進技術，能智能執行隨機複雜任務。現階段我們還處於初級階段，現在的技術路線主要是應用人工智能技術、智能識別信號，實現智能控制與管理；採用全電技術；應用現代及已出現的未來10年內可用的先進材料、設備；應用單項或多項智能技術，讓飛行器完成比人可以做得更好的特定任務。
總而言之，直升機領域的創業必須要先有創新，但是有創新卻不一定適合創業，創新必須要得到應用，有市場才可以創業。直升機領域的創新必須要掌握旋翼技術。
話題Q&A
Q：多旋翼飛行器的飛行效率有無可能提升到適合載貨的水平？
A：多旋翼目前應用的非常廣泛，好用但問題也有。首先它有氣動干擾問題，它的氣動效率不如單旋翼。從氣動效率來講多旋翼不如單旋翼，但並不代表多旋翼不能用。多旋翼載貨目前是可以的，只是性價比不高，因為它性能不好，抗風性、航時、速度等都還不太好，載貨能力有限。目前來說之所以較多領域使用多旋翼，不是因為多旋翼就安全，壞了一個旋翼也不影響整機安全性；也不是多旋翼飛控好做；其實單旋翼也很安全、飛控也做的不錯。
故目前來說安全和飛控都不是主要問題，之所以用多旋翼，主要是因為它用電動。電動可以提高可靠性，能夠使用效能更好，減少了機械傳動等複雜件。但是使用電動一般也有問題，主要有兩方面：一個是電機，一個是電池。電機目前來說與發動機或者活塞發動機相比，只要電機超過20千瓦以上。比如50千瓦，那麼功重比下降的很厲害，不如活塞發動機。所以這就有了限制，電機做不到大的（一般大電機還要做減速器才能用），都用小型的。這樣的話也就限制了多旋翼，不可能讓起飛重量太大。
另一方面，電池能量密度太低，只要用了電機，那麼就要用到電池。目前電池的能量密度是200Wh/kg。但是有的人說實驗室水平能達到300或者400瓦時每公斤，其實實驗室的水平真正拿到了應用，那水平也會降低很多的。目前電池的重量佔整機的重量比例可能達到50%以上，所以導致它的性能非常低，航時短。雖然能夠飛，但是沒有續航性能是沒辦法工業應用的，所以只能說多旋翼載貨性價比不高，也做不大。
結 語
隨著直升機在國防和通用航空領域的應用不斷拓展。旋翼無人機在大量領域的普及和應用，使垂直起降飛行器在民用市場得到了廣泛關注。近兩年火熱的城市空中交通概念中，垂直起降飛行器是關鍵環節之一。面對不同應用，在世界各地出現了許多新構型垂直起降飛行器，如傾轉旋翼飛行器、垂直起降固定翼飛行器等，人工智能技術在航空領域也得到了更深入的探索和應用。
作為專注航空產業創新創業與國際投資促進的平臺，中國航空創新創業大賽CAIEC和空天界一直在關注疫情的發展，我們堅信疫情是暫時的。一定能轉危為機，讓這段痛苦的時期成為我們反思、轉型升級的絕地反擊，成為中國航空航天產業和歐美國家重建格局的機遇。
第五屆中國航空創新創業大賽已於一月開啟報名通道，疫情當下大賽全面調整賽程設置，圍繞中小企業經營難、融資難推出《CAIEC在線》——空天創客營LIVE和伯樂計劃LIVE系列公益直播，開展在線幫扶、對接、培訓工作。CAIEC與中國空天創客共克時艱！
本文為CAIEC在線直播的文字內容整理
分享嘉賓：中國航空學會直升機分會委員兼總幹事，南京航空航天大學副教授/直升機系書記——朱清華教授
整理人：仰望
閱讀更多 空天界 的文章
