直升机 -高 正

    主讲人简介：

    高正：南京航空航天大学教授、中国航空学会直升机专业委员会主任，曾获得国家技术发明三等奖一项。2002年被授予“叶戈尔·西科斯基直升机研究奖”，是我国获此殊荣得第一人。

    （全文）

    自一九零三年人类发明了飞机，已经整整一百年了。这一百年里发明了多种载人的飞行器。像在航空器里边有飞机、直升机、自转旋翼机、动力伞，还有倾转旋翼机等等。在航天器里边，有航天飞机、宇宙飞船 ，空间站等。但是直升机的发明比飞机晚了三十多年。第一架成功的直升机是在一九三六年首飞，到了四十年代初开始实际应用，到现在经过六十年的进步已经成为用途最广的飞行器。飞机和直升机都是飞行器 ，都可以载人载物飞行 ，但是它们的飞行原理、飞行特点和操纵方式是不同的。

    大家知道机翼要产生升力，必须机翼和空气要有相对运动，或者说要有相对速度，而且升力的大小是和速度的平方成正比的。所以飞机机翼作为飞机的主升力面，要产生升力必须要有风 ，或者相对速度吹过机翼。那当然飞机就不能在原地起飞，必须在跑道上滑跑，通过滑跑加速，使速度达到一定值以后，机翼上的升力才能把飞机托起来。所以飞机的起飞和着陆都要滑跑。但是直升机可以不滑跑，它能够在原地起飞 ，也可以悬在空中不动。主要靠什么呢？主要靠它的升力面-旋翼。机体虽然不动，但是旋翼旋转起来以后，桨叶上就有了相对气流速度，这个速度使桨叶产生升力，就把直升机拉起来了。那么这个原理大家都看得清楚，有两个例子我们可以举一下。一个，飞机就像我们放风筝，放风筝必须有风，如果没有风，那我们就拉着风筝跑，这就有了相对风，等升到空中以后，空中有风了，那么风筝就可以飘在上面。像直升机，它虽然机体不跑，但旋翼旋转等于在桨叶上产生了相对风 。

    其实人类要想飞起来，最早想到的不是滑跑起飞。人没那么聪明，没有想到通过滑跑来加速起飞，是想到要原地垂直起飞的。像咱们中国早期的童话《西游记》，哪吒脚踩的风火轮，那是垂直起落的飞行器。像阿拉伯童话里面的阿拉伯的飞毡，希腊神话里面的希腊神的战车都是原地起飞的。但这个都是神话而已 ，要真正实现原地起飞，人们经过了长期的艰苦的努力，冒了很大的风险。比如说中国明朝的一位万户，他把火箭绑在椅子上，然后扎上个大风筝，让火箭的推力把他推到空中去垂直起飞，当然也失败了。后来国外也是，很多人经过艰苦努力，冒险进行实验，失败了非常多。所以为什么直升机比飞机要晚成功三十多年。要发明直升机，首先要解决三个大的技术关键问题。第一个技术关键就要让它原地升空。世界公认在原地产生升力，作为直升机旋翼的雏形就是竹蜻蜓。竹蜻蜓在中国至少有一千四百多年的历史，后来传到世界各地，许多地方都有。我这儿有一个竹蜻蜓，这就是旋翼原理的雏形。可能你们小时候都玩过，它可以原地起飞，不需要滑跑。那么人们受到这个启发就利用竹蜻蜓的原理，设计制造了旋翼，实现了垂直起飞，这是解决的第一个关键；第二个关键就是旋翼旋转以后产生升力了，但是空气对旋翼桨叶的阻力，要通过旋翼又传到机身上，会让机身反转。所谓反作用扭矩。这个就像我们划船，我们拿着桨去拨水，往后拨水，水给桨一个反作用推力，通过人的手和身体传给船，那么船就往前走，这就是作用力和反作用力。那么发动机让旋翼旋转，空气要阻止旋转，这个阻止力矩通过桨叶传给发动机，再传到机身，于是机身就要对旋叶反转。那么机身要反转起来，这个飞行器我们就没法用了。所以要发明直升机，要解决不让机身转动。早期人们想的办法就是用多个旋翼，最早想的是多旋翼、双旋翼或者是四旋翼。像左边那个图是上下两个旋翼反转，这叫共轴双旋翼式，它们的反扭矩彼此平衡了，不要传到机身上去。左边中间这个叫横列式双旋翼，把两个旋翼设计在机身的左右两边，它们也是反转。在下面这个叫交叉双旋翼式，两个旋翼都是交叉的。右边下面这个叫纵列双旋翼式，两副旋翼，同速，反向旋转，它们的反扭矩彼此平衡，所以可以保持机身就不转了。这个办法呢，特别是在早期，用两个或者四个旋翼是非常复杂的，振动得几乎没有办法飞行。后来在一九三九年，美国的西科斯基这个公认的直升机界的鼻祖和权威，他就发明了单旋翼式直升机，就是左上角这个。他在直升机的尾部加了一个垂直安装的旋翼，实际上我们叫它尾桨。它指向侧面的拉力对重心就有一个力矩，这个力矩来平衡旋翼旋转的反扭矩。所以现在世界上百分之九十五以上的直升机，是这种单旋翼带尾桨式的。第三个关键就是要可操纵。其实在一九零七年法国人，一个叫布雷盖蒂，一个叫卡努都已经实现了垂直起飞。它们的旋翼可以拉着机身垂直飞起来。但是不能操纵，不能控制。又经过了三十多年的努力，在德国首先成功地发明了直升机，就是德国的福克在一九三六年完成了直升机的发明，就是他实现了可控飞行。

    那么解决了这样三个方向的控制问题，直升机就发明了，就可以在人的控制下自由飞行了。虽然能够飞了，到三十年代、四十年代、一直到五十年代，甚至六十年代，直升机的声誉并不好。飞得慢，不如飞机快。振动大，嘈音强，难驾驶，而且出事故多。为什么会有这么多故障呢？主要是和直升机它的结构特点和飞行特点有关系。我们举个例子，现在一般直升机旋翼的旋转桨尖速度大约是每秒二百米左右，相当于每小时七百二十公里。如果直升机以三百公里的时速往前飞，那么往前转的桨叶那就是七百多公里加上三百公里速度，就是一千多公里了。往后转的桨叶就是四百来公里速度了。所以桨叶每转一圈，它的迎面气流速度，就是从四百多到一千多，然后到四百多这么转。那么既然气流速度这么变化，它的空气动力的变化，这就带来直升机旋翼上始终是处在交变载荷作用下。就由于这些原因，直升机的飞行特点和结构特点造成了振动大，容易疲劳，噪声强。另外还有飞行速度问题。为什么直升机速度大不了，就是三百公里的时速时，前进桨叶已经超过了一千公里的速度，如果飞得更快，前行桨叶会达到音速，而后行桨叶速度更慢。因为它是两个速度之差，所以这两个原因，旋转的旋翼限制了直升机的速度，不可能很大，这就是它的根本原因。

    但是经过六十年的进步，这些主要的困难和障碍在很大的程度上得到克服了。由于有了这么巨大的进步，使直升机就得到广泛地应用。它的优越性就显示出来了。我想它的优越性有两条是不可比的。一条，不要机场。它是飞行器，但是不要机场，任何地方它可以起飞，可以着陆，可以悬在空中不动，地面是个烂泥潭它可以离地半米悬停，轮子不接地，人可以照样上下，这是和飞机比。和各种车辆比，它不要道路，没有路的地方它都可以去。特别是发生泥石流的地方，闹水灾的地方，发生地震的地方，其他东西都去不了。像前一段发生泥石流老百姓困在山上没吃的，那么咱们武警战士一人扛上两箱方便面跋山涉水去往那运。结果老百姓在那儿挨饿，咱们如果派两架直升机运它几百箱方便面，这不是很容易的事吗？所以有了这两个大的优点，直升机就得到广泛地应用。

    我们看几个用处，一个是救生。直升机开始最大的用处就是救生。像从海上救落水的人，发大水的时候从水里救人，失火的时候从楼顶上救人，那么在山区，交通不便的地方救伤员，或者是病员，这个是用的最普遍的。第二个是运输，客机，大城市内部和城市到机场之间的运输。最突出的是海上钻井平台的人员换班和物资供应。特别是有风浪大的时候，小船上不去，大船不敢靠，一靠，怕撞坏了，而直升机是最好的办法。所以所有的石油钻井平台上，都有直升机起降平台。另外直升机，像吊装电缆塔架，还有吊装任何东西。公安，现在我们有几个城市已经有了公安的直升机了，可以交通巡查，可以追捕逃犯，海上缉私，还有灭火。至于直升机所能参与的特种作业，那就更多了。右上角这个就是咱们中央电视台的直十一直升机。可以调运，调装，石油和煤气管道的巡查，航拍，新闻，还有现在我们国家有一些大公司，可能是为了宣传的需要，买了自己的公司的专机。将来我们个人像有小轿车一样，还有个人的专机。在军事上，今年春天，美英联军在伊拉克，打了四十三天的仗，出动了一千一百多架直升机，其中攻击直升机四百架，运输机七百多架，这些图，就是美国人所动用的直升机。

    下面一个短片是记录美国在伊拉克，直升机怎么用的。这个是伊拉克的前总统萨达姆在备战。美国人首先是出动了大量的武装直升机，这个是他的ah1w超眼镜蛇，它上面装备了导弹，火箭和机炮来攻击地面的目标，包括地面的工事、雷达站、车辆和地面的步兵，这是发射导弹打击伊拉克的坦克，这个是ah64阿帕奇直升机，这是美国的主战直升机，在进攻巴格达的时候，他结集了一百五十架阿帕奇，但是也没有用上，因为共和国卫队没有抵抗。阿帕奇直升机的火力是非常强的，它带的有机炮，也有导弹也有火箭，这是他用机炮来射击，攻击地面的步兵和地面的工事。这是发射火箭，这是发射导弹。

    第二种用处是运机动兵力。在战争初期的时候，它紧急出动直升机占领了伊拉克西部的两个机场，切断了和叙利亚的联系。另外从海上攻占法奥半岛的时候，它没有攻击滩头阵地，他把军队直接运到后方，垂直登陆占领了法奥半岛。

    第三个用处是侦察。这是它的oh58，勇士基澳瓦，桅杆上面装的是一个侦查器，包括红外的，电视的雷达。它把战场上的情况，实时地传输给指挥机关和地面部队。这种是ah64d叫长弓阿帕奇，它旋翼上面装的是长弓雷达，它用雷达探索到目标以后，因为它带了武装，它可以直接进行攻击，它经常是做贴地飞行，飞到树梢高度。

    第四种用途就是后勤保障。地面部队往前推进的时候，它后面建立了几百公里长的后方补给线，叫空中走廊，对地面部队进行伴随补给。这是黑鹰补给机队，所以它不需要占领道路，它用空中补给。还有ch46，海上勇士直升机，把它的伤病员运到海上去，运到海上救护船上去。

    上面介绍的是直升机的使用情况，下面看一下咱们国家的直升机。这是直五。从一九五六年开始试制，五八年开始首飞。从五八年开始出飞机，生产了二十年，到一九七九年停产，总共生产了五百四十五架。这种直升机起飞重量是七吨二五，平飞速度是二百一十公里/小时，航程到五百二十公里，这算是第一代的早期的直升机。现在我们国家正在生产一种叫直8的直升机，是一九八二年首飞，九四年定型。这是我们国家现在生产的最大的直升机，起飞重量12吨以上，外面可以外挂五吨的重物来吊挂飞行。它的航程可以达到八百公里，这架直升机是水上机，可以在水面起落，也可以在舰艇上起落，现在也有陆军型了。这种是我们国家正在生产的直9直升机，是上世纪八十年代从法国引进的海豚生产专利，设计比较先进，就刚才我讲到，它的空机重量只占起飞重量的一半，它起飞重量到四吨一，它自身的重量只有两吨零五十，差着一半，它的速度比较高，可以达到时速三百零六公里，航程也可以到八百六十公里，咱们的驻港部队就是用的这种直升机。现在这种直升机有军用、民用，有好多种型号。这也是我们国家正在生产的直11直升机，是九四年首飞，二零零零年定型，今年又取得了民用的适航证，是军民两用。这是轻型的，起飞重量二吨二，五座，升限到五千二百一十米，航程六百公里，这也是我们陆航装备的主要机种之一 。这种是小型的ec120，是法国牵头和中国、新加坡合作研制生产的，最大起飞重量是1吨7，它的空机重量是890，所以也是一半。速度是每小时230公里，航程也是到700多公里，这是很先进的一种直升机，目前我们是生产直升机的一部分，还没有出整机，整机还在法国出，将来不久我们国家也会出整机的。这些是我们现在正在生产的我们国家的直升机。这几种是我们国家研制过，飞行过的几种直升机。这个叫延安二号直升机，是1975年完成了试飞。这架是直六直升机，这是大的，起飞重量是81吨，在1976年完成了试飞。这个是701直升机，也是一吨二，双座的。这个就是蜜蜂16是单座的，下面这两架都飞过。

    现在我们国家正在研制先进的直升机。那么大家知道了直升机的飞行原理，它的应用和我们国家的情况，但是现在我们感觉科技发展无止境，直升机还有许多令人不满意的地方。从用户要求来看，这几个方面需要大力发展和改善。第一就是要改善它的可靠性和耐久性。这是相对于飞机而言的，因为刚才我讲到它的结构和飞行的特点，容易产生故障，因为振动大，一直处在交变载荷下，使它的耐久性和可靠性还不能令人满意，寿命一般就是几千小时，故障率比飞机要高。第二方面驾驶和维护都比较复杂。因为它结构复杂。另外大家可以想像，一个旋翼旋转把一个飞机挂在空中，它是稳定的吗？它本质上是不稳定飞行器，要想让它稳定的悬住，驾驶起来就比较难。就像杂技演员耍盘子，他用一个杆能把一个盘子耍住，但是那要训练的，驾驶直升机悬停是比较难的一个动作。第三方面就是性能。现在的直升机虽然速度记录已经超过了400公里的时速，比起飞机来讲还是低一些，当然比汽车要高一两倍了，因为速度低那么航程也就要小，飞得慢也就飞得近一些。另外因为直升机有各种各样的用途，所以对它的专用性能要求就很苛刻。譬如有的直升机要它做空中起重机用，它把很大的电缆塔，它要吊起来运到深山里面，放到山顶上，底下和地角螺钉对起来，把螺丝拧上。所以要求悬停和操纵非常精确。有的像军用机、它空战得有大的机动性。那么各种不同的用处有对它的各种不同的特殊的要求。第四个方面，就是要减小振动，要降低噪声。振动大家很容易理解，噪声这个事情现在来讲对直升机是一个难题。搞气动的，搞结构的，都在认真研究。因为旋翼是一个很大的旋转体，尾桨又在旋转，发动机又在发出噪声，在很远就听到了，这叫环境的噪声污染。在座舱里面，顶上有一个很大的齿轮箱----减速器，又有发动机，人座在里面，在减速器和发动机的下面，如果这个直升机再是个金属壳子，就像把你放在一个铁桶里面，在外面敲铁桶，这个噪声是很严重。当然在想各种办法在降噪，在隔音。但是仍然比不上座客机那么舒服。

    总而言之，从使用角度来看这些方面是存在缺点，还要再不断地改进，才能够使它更好用，更经济，就走向普及。从技术方面来讲，我就不多说了，大家可以知道，重点的改进是这样几个方面；一个是旋翼，旋翼是直升机的核心，在气动上怎么样优化使它气动效率更高，在结构上怎么更简单。譬如说桨毂，从几百零件，简化到几十个零件，简化到十几个零件。如果再搞成，比如说两个零件，桨毂是一个，往轴上一套，桨叶是一个，往轴上一对，不要维护检查就更方便了。第二个方面就是复合材料和智能结构的采用。现在所有的飞行器、航空器里面，直升机用的复合材料是用得最多的，有的直升机结构重量的70％已经是复合材料，旋翼、尾桨现在都是复合材料，飞机还没有达到这个程度。因为直升机太需要耐疲劳，减振、降噪了，而且有些特殊要求。比如说直升机在海上用，盐雾、霉菌、湿热对它的腐蚀一般金属是抗不住的，而复合材料是抗得住。所以复合材料在直升机上的用处现在发展很快。智能结构能够自动适应你的要求，根据载荷，根据空中飞行状态自动调整它的形态，这个在旋翼上更发挥它的作用。第三方面就是电子技术。电子信息技术，综合管理技术，特别是智能化自主飞行控制。我在设想，直升机驾驶不是很困难吗？如果靠自主的智能化控制，将来直升机的驾驶就变成按开关，那么按一个开关“悬停”它就起来了，再按一个开关“前飞”它就往前走。这样就像我们以前用的照相机，开始要对焦距，调光圈很难照得好，现在傻瓜相机人人都会用，那么将来直升机也变成傻瓜直升机，咱不就是人人都会开了吗。当然为了实现这些技术，像大家所学的设计、试验、制造的新技术、新工艺、新材料也必须相应的发展，才可能实现前面说的技术上的飞跃。这个就是总的讲发展的趋势和新技术。

    最后我谈一点个人设想跟大家研究探讨一下。大家看这四个图，下面两个图是飞机。左边这个是我们国家五十年代就开始应用的“轰五”，右边这个是现在美国的“b-2”，这两种飞机的差别，五十年的差别，完全是不同的。但是上面看两个直升机，一个是五十年代的“s-61”，一个是最新的欧洲的“eh-90”,猛一眼看过去，好像没有什么大的区别，为什么五十年不变？是不是搞直升机的人特别保守或者特别笨？大家看，我想是这么一个原因。左边这个图，把直升机的动力装置，就是发动机和减速器，它紧靠着旋翼，还有传动轴传到尾部，它把直升机的核心的部位给占领了，总要把减速器放到旋翼下边，而发动机紧靠着减速器，就直升机上最好的位置被它占了。就是操纵和动力部分把位置一占，那么直升机的形状也就决定了，就是像个大头蝌蚪一样。所以现在为什么直升机大部分都是这个样子呢？这个样子显然阻力会比较大，旋翼对机身的气动干扰，互相影响也比较大。我想将来的出路能不能向这儿走，我设想了一架直升机，咱们把动力放到桨尖上去。这不是我发明的，这个五十年代就有喷气直升机试验过，都没有成功，这样的话机身里面就没有发动机也没有减速器，动力在桨尖上，喷气推动，问题是只要大家能研究出在离心力场里面能够稳定工作的小型的推进器，就解决了。所以把直升机上最好的位置就腾出来了。

    第二个是操纵，我们不要什么拉杆、摇臂操纵，电传操纵不是已经在使用了吗？在旋翼的桨叶上搞一个小的衿翼，用电来控制这个小翼来摆动，用这个小翼的变化来改变桨叶的桨距，改变安装角。那么座舱里面只要驾驶员拧动开关，相当于操纵电位器一样，输入一些操纵信号，计算机会指挥桨叶上的那些操纵衿翼。这样就把直升机的操纵机构、动力装置都集中在旋翼上，我就叫它集成旋翼。这样机身里面就可以自由的安排，就可以像现在的飞机一样，我们就用飞机的机身，这样把旋翼装到飞机的机身上就可以了。那么再装上一个小的机翼，在高速飞行的时候，机翼产生一定的升力替旋翼卸载，那么可以增大飞行速度，在尾部装一个小的矢量推进装置。因为悬停的时候你怎么转弯呢？靠尾部这个小的矢量推进装置让它转弯。因为动力已经在桨尖上了，没有反扭矩传到机身上，就不需要大的平衡反扭的东西，所以将来希望，如果能解决了智能材料来控制桨叶的桨距，能够解决了在离心力场里面稳定工作的推进器，把它装到桨叶尖部。这样的直升机应该是可以出现的。

    问：我看见一个报道好像最近美国的一种飞机，那种飞机就是固定翼飞机和直升机的结合的一种飞机，说那种飞机是充分地利用了直升机在垂直起降和悬停方面的优势，然后又可以达到比较大平飞速度。

    你很关心现在航空的发展动向。美国已经制造成功了v-22，叫倾转旋翼飞行器。它有直升机和飞机的优点，当然也有直升机和飞机的缺点。它在起飞和悬停的时候，螺旋桨是旋翼式的。在机翼两边各带一台发动机，带着旋翼这样，可以垂直离地。转入前飞的时候，旋翼和发动机慢慢往前转，转平过来，这样往前飞就相当于一个双发的螺旋桨飞机。这个设想是很好的，而且人们很早就希望把飞机和直升机的优点结合起来，但是试过很多种方案，真正成功的到目前为止就这一种，当然还有很多种正在试验或者研究中。这样它有直升机的优点可以垂直起飞，垂直着陆，可以在军舰的甲板上着陆。另外可以空中悬停。但是它的缺点，和直升机比缺点呢，一个它经济性不好，因为它转了做螺旋桨用，所以旋翼就不可能很大。为什么直升机要大旋翼呢？旋翼直径越大，它吸入和排出的空气量越大，因此要给空气加速所消耗的能量就可以小，就是可以花费比较小的功率来得到比较大的升力。所以现在一般直升机，差不多是一匹马力能得到4、5公斤的升力，而飞机螺旋桨因为它都比较小，所以一般是一匹马力也就是得到一公斤的升力，那么倾转旋翼的飞行器，是介于飞机螺旋桨和旋翼之间。所以它的经济性也是介于二者之间。它不像旋翼经济性这么好，这是和直升机比，它有它的缺点。第二个缺点就是因为它螺旋桨直径小，它要产生足够的升力，当然一个消耗功率大，另外它往下排出的空气速度很大，我们叫螺旋桨的滑流。如果你要想当客机用，上机、下机或者装货物有诸多不便，直升机旋翼下面的风已经够大，“倾转旋翼”下面的风更大，这也是使用上不是太方便之处。（来源：cctv-10《百家讲坛》栏目）