未来直升机的技术发展

未来直升机的技术发展

第二代战争理论美国和印度于2004年2月开展了一次名为“与印度4号作战”的联合军事训练，主要研究未来战争中作战飞机的作战能力。俄罗斯专家斯里普琴科近年来提出了“第六代战争”的理论,给出了未来战争的许多新的作战形式,包括空天战、无人机战、网络信息战等。这些对作战飞机的战技要求和战争形式是军事理论发展和军事革命演变的产物,必然对现阶段作战飞机的研发重点和未来的发展方向提出新的要求。1未来战斗机技术的进步1.1加式智慧航天器高超声速飞行器可能包括:可以加速到Ma=15～20的高超声速可操纵再入式飞行器;可以在2h内到达地球上任意一个角落的全球跨大气层轰炸机等。高超声速飞行器的关键技术包括高超声速推进系统、机体/推进一体化设计、材料和结构、热防护系统以及气动力研究等,这些技术都是航空航天技术中的尖端。1.2飞机一体化技术飞机一体化设计,包括技术集成,即将各种航空专业技术互相交叉渗透;系统集成,即将彼此独立的系统综合在一起,实现信息和资源共享;过程集成,即将飞机设计、制造、使用维护和改进改型中将要遇到的技术问题进行统一考虑,实现设计/制造一体化,并为今后的改进改型做好预先规划。目前,飞机一体化技术的主要发展方向是:继续探索新材料、新结构、新型气动力布局和新的控制手段,并把这些新技术集成到飞机设计中;进一步完善CAD/CAM软件和仿真、虚拟现实软件,为设计人员提供更加直观、高效的设计平台;进一步扩大并行工程在飞机研制中的应用,进一步提高飞机研制的信息化水平。1.3等离子体屏热压法“全频谱”隐身的一个方向是研制出能对雷达波、红外线和光波都有效的隐身涂料,包括可同时应付多种频谱的多层或多功能隐身涂料和新型的导电涂层、放射性同位素涂层等涂料。另一个方向是通过在机体内放置等离子发生器或将某种放射性物质覆盖在机体上,使飞机表面附近的局部空间发生电离,形成能吸收雷达波的等离子体。在高空,此种等离子屏可以在很宽的频带范围内吸收绝大部分雷达波。它还有一大特点,即它的吸波能力会随飞行高度的增加而提高,因而,用于高空高速无人机上非常理想。1.4飞行状态的智能化控制目前,美国正在研究可在任意方向上进行可控变形的机翼,采用先进的智能结构和材料,加上智能化的控制系统,可使空中飞行的飞机在不同速度、迎角状态下,根据指令自动改变机翼的后掠角、平面形状、弯度、扭转度、弧度、翘曲度等。这种智能变形机翼对于改善飞机的机动性能、起降性能和安全性能具有不可估量的价值。1.5气动力控制面目前,先进主动流场控制技术已成为空气动力学发展中最具潜力的前沿技术。高级的主动流场控制技术可以用来构筑“虚拟”的气动力控制面,对全机流场实现完全自如的控制。未来的主动流场控制技术的开发和应用还需要深入地开展对三维非定常流、层流与湍流、附着与分离流动的物理机理研究,并能对这些复杂流场的时间和空间变化实现数值模拟,并大力发展微米、纳米传感器和作动器技术。1.6虚拟出租车的实现和验证虚拟驾驶舱(VC)技术通过人机接口输出三维视觉、听觉和触觉信息,多通道刺激人的感官而使人在头脑中形成身临其境的感觉。美、英、法、德等国未来先进飞机驾驶舱设计都是在虚拟驾驶舱的基础上进行的。美国空军计划下一代战斗机驾驶舱到2005年前达到“大图像”水平,2015年达到临境虚拟驾驶舱水平。1998年美国无人机操纵员控制室的虚拟增强接口已达到24%,在2005年的部分临境接口要达到50%,在2015年的全临境接口要达到90%。到2020年以后,美国空军计划无人机操纵员控制室最终实现全临境虚拟驾驶舱。虚拟驾驶舱所涉及的关键技术包括:全色、高分辨率、高亮度的大视场头盔显示器以及高精度头位跟踪器甚至视线跟踪器;交互式大屏幕显示器;三维声音告警系统;语音识别器;智能信息管理系统以及驾驶员助手。以上介绍的这些技术由于具有相当的超前性,因而研究所需的投资大、周期长、风险高,但它们潜在的使用价值和对未来航空技术领域的重大影响对各军事强国有着巨大的诱惑力。2美国提出航空科技发展规划继美国第四代战机F/A-22发展成功后,为迎接航空领域存在的重要技术挑战和继续发展美国的新一代战机,NASA最近提出了一份2002—2025年间的航空科技研究发展规划。在这份规划中,NASA在作战飞机的研究方面提出了一系列新技术和新概念的发展计划,主要包括三项飞行研究计划和三种新概念试验研究机。2.1关于飞机研究计划NASA的飞行试验研究计划由德莱顿飞行研究中心实施。目前正在进行的重点项目包括:2.1.1无人机技术开发ERAST项目是一项于1994年开始实施的计划,目标之一是开发无人机技术。其技术验证机是一种能够昼夜飞行的太阳能飞机,称为太阳神无人机。该机在2001年的一次试飞中飞行高度突破29.5km,创造了无火箭动力飞机的飞行高度纪录。2.1.2控制面面为复合机翼主动气动弹性机翼研究计划的最终目标是掌握如何利用机翼扭转进行跨声速和超声速滚转控制,将整个机翼作为一个控制面来使用。如果计划成功,未来高速飞机有可能无需飞机尾部的水平控制面。NASA认为主动气动弹性机翼计划是其“变形飞机”计划的第一步,柔性变形机翼所应用的灵敏材料、主动流场控制和其它新技术都是本世纪航空航天飞行器的关键技术。2.1.3神经网络控制器软件NASA从2001年开始一项智能飞行控制系统验证飞行试验,该系统能使未来的飞机在出现主系统失效、作战损坏的情况下仍能安全、受控地着陆。损坏的机载计算机可“重学习”,用专用神经网络控制器软件使飞机飞行。没有这种灵巧软件,严重的事故问题,如部分机翼损坏、机身分解或传感器失灵,都会大大改变飞机的处理方式,飞机可能会出现奇特的响应,控制装置也将不能正常工作。IFCS的飞行研究由NF-15B试验研究机承担。研究重点放在为飞机的飞行控制计算机开发具有自学能力的神经网络软件,这种软件能自动将飞机系统数据与正常飞行状态数据进行比较,并自动调整飞行控制律来补偿已损坏的或不起作用的飞行控制面或系统功能。飞行研究成功后可能首先将IFCS应用于C-17之类的运输机平台上。2.2三种新的概念研究为促进航空试验飞行器的发展,长期以来NASA一直持续不断地探索研究先进飞行器概念。2.2.1x-33a无人机X-43A是NASA为其“超高声速”计划研制的一种缩小的高超声速研究机,用于验证超燃冲压发动机作为高超声速飞行器动力装置的可行性。X-43A是世界上第一种使用冲压发动机的高超声速飞行器,而且使用范围将延伸到Ma=10以上。2004年3月27日,一架经过改装的B-52轰炸机搭载着X-43A无人机(图2),从爱德华兹空军基地起飞。在大约12.2km的高空,B-52轰炸机与X-43A分离。接下来,与X-43A捆绑在一起的飞马火箭点火,将X-43A推至大约30km的高空。此时,X-43A启动自身发动机与火箭分离,开始一个短时的无动力飞行准备进入加力试验程序,接着打开超燃冲压发动机,以大约8000km/h(Ma=7)开始独立飞行。约6min后,飞机按预定程序坠入太平洋。到目前为止,NASA已经研制成功了两架X-43A,在经历了首架机失败后,仍在用第二架机进行Ma=10的飞行试验,并将试验结果用于NASA和空军的X-43C先进航天运输联合项目中。2.2.2飞行性能好目前NASA与波音公司正在设计和研制一种具有革命意义的复合式飞机——蜻蜓鸭式旋翼/机翼(CRW)无人机(图3)。这种无人机有像直升机一样的旋翼,当无人机起飞降落时它具有直升机的旋翼功能,当无人机垂直升到所需高度时旋翼被锁定在机身上作为固定机翼,从而使飞机既具有直升机一样的垂直起降和空中悬停能力,又具有固定翼飞机那样的高速巡航飞行能力。这种设计不仅融合了两种不同种类飞机的飞行性能,提高了各自的飞行包线,而且还具有较低的信号特征值和很好的高速飞行性能。按照设计者的构想,实用型的有人驾驶和无人驾驶CRW的巡航速度要求达到693km/h,飞行高度达到10668m。目前NASA和波音公司已制造出两架蜻蜓无人驾驶样机,其中一架已经成功进行了首飞。2.2.3x-45a新的飞机从1999年开始,NASA、美空军、洛克希德·马丁公司和普惠公司联手设计研制一个全新的矢量推力试验飞机——X-44AMANTA,称之为“多轴无尾飞机”。该机采用F/A-22的机体加上一个硕大的三角翼,去掉了F/A-22的垂尾和所有可动操纵面,从而可使其飞机雷达反射截面减至最低,并且结构简单、质量轻、燃油容量较大、机动性能突出。X-44A计划旨在验证纯推力矢量控制的飞机的可操纵性,从而取消全部气动操纵舵面,成为真正的无尾飞机。这样不仅大大改善了飞机的过失速机动能力,提高空战效能,而且还将大大减小飞机几何阻力和质量,进一步增强隐身能力,提高飞机性能,降低成本。3关于五代机的发展3.1世纪前20年,全球军队发展迅速,为我国航空工业的发展提供保障目前,从美国开始,在世界各军事大国掀起了一场新军事革命的浪潮,各国都争相提高军费来迎接这场新军事革命的挑战。新军事革命的核心是作战平台的信息化、网络化、数字化和一体化。这场新军事革命可能在2015年内形成。那时世界上多数大国军队都将完成武器装备的更新换代,而作为保持科学技术领先地位的超级大国——美国将于2007—2010年间首先具有打一场新军事革命战争的能力。这场新军事革命也给我国军机产业的发展带来积极影响。21世纪前20年是我国国民经济发展的重要战略机遇期,同时也给我国航空工业的快速发展提供了极好的投入保障。从海湾战争、科索沃战争和第二次伊拉克战争可以看出,即使在信息化和电子战十分发达的今天,作为现代化战争的重要武器平台——作战飞机不仅在未来战争中将占有重要的地位,而且由于大量新技术和新装备的应用、新的作战思想的确立、新的组织体制的形成,其作战效能和作战作用将进一步增强和提高。3.2对中国的影响我国军机下一步向什么方向发展?这不但要分析国外战机未来可能采用的前沿技术,更要分析未来战争的空战模式,对未来战争的构架有一个清晰的认识。目前,我国的第三代战机已经开始装备部队,第四代机也处于发展之中,第五代机的研发思路还不太明确。但与此同时,美国的四代机F/A-22已经服役,虽然美国对自己的第五代战机的发展方向还没有提出一个明确的概念,但一些基础研究项目(如无人作战飞机)已经研制成功并投入了飞行验证,美国的一些专家近年来也在国际上大力制造无人机代替有人机的舆论。已经有一些国家认为未来的蓝天就是无人机的天下了。如何实现“跨越式”发展,也就是我国的军机产业如何跨越F/A-22,在美国第五代机研制成功前后,研制出我国的第五代机的问题,这就要求我们突破美国的研发思路,不能被美国牵着鼻子走。国内有人认为这个第五代机也是无人作战平台,甚至举出了无人作战飞机的种种好处。如果沿美军的舆论导向研制无人作战飞机,我个人认为这个方向还需商榷。这是因为我国的国情、军情与美军有较大不同。一是就我国航空工业的基础,无人作战平台所需的网络信息技术、材料技术、隐形技术、发动机技术等诸多方面还难以与美国匹敌;二是未来战场的制电磁权很可能在我军完成新军事革命的任务后还没有把握比美军占有较大优势;三是军用无人机存在固有的重大缺陷,这些无人机的缺陷包括:无人机的抗干扰技术与突飞猛进的电磁干扰技术相比,还非常落后,因而常常出现无人机因受到有意或无意干扰而导致工作失常、效率降低,甚至坠毁或被敌方利用的情况。无人机升天以后的飞行控制,以及无人机获得情报后向后方的实时传输,均需要通过无线电指令来传输。但这种双向远程通信的保密问题一直未能得到有效解决,以致无人机的飞行安全和情报传输安全难以得到保障,往往给敌方破坏无人机飞行,阻拦情报传输,甚至俘获无人机创造可乘之机。在现代空中作战中,无人机面对的将是大量伪装技术(如迷彩、伪装网、假目标、烟雾、红外及雷达诱饵等),由于无人机依赖于预先储存的目标信息识别目标,或地面遥控人员通过视频信号辨别目标,缺乏智能化辨识系统,一旦敌方改变目标特征或设置与目标相类似的假目标,就容易诱使无人机误认、误炸。所以说,第五代机以无人机为发展方向,很可能最后落得“东施效颦”的结果。3.3x-45a高超声速研究机“空天飞机”推进有中国特色的军事变革要有前瞻的眼光,尤其在发展我国的第五代机方面。空天战机是一种集航空、航天技术于一身,兼有航空和航天两种功能,能执行军事任务的载人航天器。有人把X-43A高超声速研究机叫“空天飞机”,但它的设计是不载人的,目前也是不能作战的;也有人认为可以把“航天飞机”发展为“空天战机”,但航天飞机是以火箭助推、垂直起飞、水平着陆的,很难发展为本文的“空天战机”。我认为,我军的第五代机的发展方向应以载人的空天战机为发展方向,这种空天战机应具备以下主要特点。3.3.1发动机马来冲直飞飞式飞行空天战机安装有变循环式发动机,在不同的飞行高度发动机可在喷气式与冲压式发动机之间转换,这种发动机的尾喷口可以360°转向,实现推力矢量变化。战机可以去掉平尾和垂尾,以发动机尾喷口的差动转向实现飞机姿态的变化。这种战机以喷气式发动机起飞并加速到Ma=2,再过渡到冲压式发动机工作,加速到Ma=6以上的高超声速并上升到30km以上的亚轨道,然后关闭发动机以惯性方式跃飞,上升到近百千米的高度,当跃飞到顶点后,下降高度再开启冲压式发动机工作加速,接着进行下一个跃飞,如此往复,称作“跃飞”式飞行,一个跃飞可达几百公里。空天战机目前存在的主要技术难关是这种变循环发动机的研制问题。3.3.2高超声速空天机动机动经过30多年的不懈努力,高超声速技术研究在20世纪90代后取得了重大突破,已从概念和原理探索阶段进入以飞行器为应用背景的先期技术开发阶段。目前,美国、俄罗斯、法国、德国、日本和印度等经过多年研究已取得不少技术成果,尤其在推进技术、结构材料、空气动力和飞行控制等关键技术研究方面不断取得突破。高超声速空天战机的出现会使战场空间更加广阔,速度为Ma=6以上的空天战机,能在6h内在30km以上的高空环绕地球一周,迅速打击数千或上万公里外的各类目标,这大大地拓展了战场的空间。空天战机既能作为航空兵参加空地联合作战,又能加入天军行列,征战太空,还能发射、维修和回收卫星,担负侦察监视与预警任务,更能打击低轨道的敌方卫星,作为空间武器发射平台、战时太空预备指挥所等。高超声速飞行的空天战机飞行速度太快、高度太高,使得现有的防空系统的拦截概率大幅度下降,因而具有较高的突防成功率,可有效地制约敌方预警和武器系统整体功能的发挥。图4为美军的两种高超声速轰炸机构想图。3.3.3精确打击时附带损伤高超声速动能武器不仅能通过热辐射和冲击波对目标造成毁伤,而且能依靠直接命中来破坏目标的内部结构。精确打击时附带的损伤比常规精确制导武器要小得多。高超声速导弹、炮弹或炸弹的体积比一般射弹要小许多,因此空天飞机可大量装载,作战威力显著增强。3.3.4空天机动发动机由于在近地大气层外的亚轨道上飞行,阻力小,又不涉及领空问题,所以空天战机的航程可达上万公里,能用于执行全球作战任务,且无需空中加油和各种保障基地。如果大量使用,作战保障费用将会大为减少。空天战机采用变循环发动机,可在一般的机场象现代战机一样水平起降,快速回收、快速补充燃料和弹药,重新起飞执行作战任务。现役的歼击机飞行员在经过一定培训后就可以驾驶空天战机,费用比培训航天员低得多。3.3.5等离子体技术的特点等离子体技术的关键是在飞行器飞行环境下在其周围产生等离子云团,且对等离子体能量、电离度、振荡频率和碰撞频率等特征参数进行设计,使其能满足对雷达波的吸收和绕射的特定要求。等离子体隐身技术具有如下独特的优点:吸波频带宽、吸收率高、隐身效果好、使用简便、使用时间长、价格极其便宜;无需改变飞机等装备的气动外形设计,由于没有吸波材料和涂层,维护费用大大降低。俄罗斯近年来在等离子体技术方面已经取得了突破性的进展,已经领先于美国。俄罗斯的实验证明,利用等离子体隐身技术不但不会影响飞行器的飞行性能,还可以减少30%以上的飞行阻力。采用等离子体