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认识直升机划代标准:机体材料与飞控系统如何令其“脱胎换骨”?

2018-10-11 09:41 来源:科普中国-军事科技前沿 

  直升机的机体材料发展是紧密贴合着直升机整体技术换代的。正所谓一代材料一代飞行器,材料的发展除了影响着发动机的耐热性及桨毂的可靠性外,自然还影响着直升机机体构造。

认识直升机划代标准:机体材料与飞控系统如何令其“脱胎换骨”?

各年代直升机对复合材料的使用比例

  在第一代直升机上,世界各国工程师受限于当时的材料水平,普遍采用了全金属铆接式机身,如中国的直-6型直升机,其采用变截面金属半硬壳铆接技术分别制造前机身,后机身与尾梁,而后焊接而成。再如美国贝尔-47型直升机,由于技术更加原始,其尾梁甚至直接采用钢制桁架焊接而来,无论是钢材料本身的重量问题还是桁架尾梁带来的空气阻力问题都十分突出。这也是技术的限制直接作用于直升机设计上的表现。

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  使用钢制尾梁的贝尔-47一代直升机

  而到了第二代直升机,虽然机身框架与蒙皮的材料依然为金属,但是随着轻质铝合金的运用,各国二代直升机在重量控制上有了一些进步,如苏联的米-10重型直升机,其蒙皮采用铝合金焊接。而到了1967年,苏联在二代直升机米-8的设计上甚至加入了钛合金材料,米-8的中机身顶部隔框与桁条均由钛合金制造,并与钛合金蒙皮一体式铆接而成。新型金属材料的运用降低了二代直升机的单位重量,这对直升机载荷与高空高原运输能力的提升有着不小的意义。

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开始尝试使用钛合金材料的米-8直升机

  时间到了二十世纪七十年代,随着各国材料力学水平的不断进步,复合材料与新型合金材料开始大面积应用于第三代直升机。如苏联的米-28浩劫武装直升机,其复合材料比例占到了机体总重量的25%,而竞争对手卡莫夫设计局的卡-50直升机则应用了占机体总重30%的复合材料,与此同时,卡-50机体主结构采用第三代铝合金盒型梁制造。再如法宇航AS-365海豚轻型直升机,其机身树脂基复合材料比例达到了25%。而蜂窝状铝合金夹层也应用于其机身蒙皮、地板、涵道垂尾与整流罩等部位。复合材料更轻薄的质量与更强的韧性有效的提升了三代直升机的机体寿命,且进一步降低了自重,为载荷能力腾出了空间。

  第四代直升机机体材料的发展主要集中在两点。一是进一步加大复合材料占机体总重量的比例,二是采用新概念材料。如欧洲的NH-90直升机,其树脂基复合材料比例高达95%,而空客直升机集团最新研制的H-160直升机,更是号称全复合材料制造,整机机体找不到一块金属结构。这样高比例的采用轻质材料,无疑大幅度提升了直升机的性能冗余度。第二方面,对新概念材料的运用也在各国的四代直升机上有所体现。如美军的RAH-66科曼奇武装侦查直升机,其蒙皮涂抹有吸收雷达波反射的隐身涂料,大幅度提升了该直升机的突防侦查能力。增加了战场存活率。而英国的EH-101灰背隼直升机,则大量采用航天工业级别的铝锂合金制造,因此其具有13吨级直升机中顶级的性能。

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使用了95%复合材料的欧洲NH-90直升机

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使用隐身涂料的科曼奇直升机

  机体材料的进步,正如同发动机的更新换代一般,深深影响着直升机的划代。而作为一款飞行器,在高空复杂的气动环境与湍流之中,想要尽情驰骋,同样离不开优秀的飞控系统。

  第一代直升机与第二代直升机均采用传统的机械式飞控,通过机械连杆与液压助力结构对直升机的旋翼与各个气动舵面进行直接操控,飞行员的操纵杆直接连着直升机的可活动翼面。这种飞控系统仅能满足早期直升机的飞行要求,但随着直升机越做越大,速度越来越高,液压助力这种需要介质传递的飞控模式导致了飞行员的操纵与直升机的响应时间间隔过长,在高速飞行过程中,难以快速改变姿态。且操纵杆越来越沉重,对飞行员的体力造成了严峻的考验。为此,工程师将目光盯上了电传系统。

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机械式飞控原理,操纵杆直连舵面严重影响效率。

  第三代直升机开始普遍使用电传飞控,通过将飞行员的指令转化为模拟信号,由模拟计算机传递到液压系统上,飞行员操纵杆不直连各个翼面,这极大的减轻了体力负担。也一定程度提升了直升机响应速度,对机动性有了更高的发展。但是,由于模拟飞控系统的模拟波形信号受传递线路影响较大,因此在线路状况不佳时,可能造成信号失真,这严重威胁着直升机的安全。

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使用模拟飞控的黑鹰直升机

  因此,在第四代直升机上,各国开始采用数字式电传飞控系统。通过将飞行员指令以数字信号形式传递给航空计算机,再由计算机通过电缆传递给各翼面,直升机避免了信号失真问题,且由于计算机可以修正飞行员的错误操作指令,因此飞行容错率有了极大的提升,飞行员只需下达标准指令,计算机即可根据目前飞行状态,高度,姿态以及气压气流状况对直升机进行最优控制。数字式电传飞控以其优异的特性而普遍应用于诸如EH-101,NH-90,以及直-15,直-20等四代直升机上。

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使用数字电传飞控的EH101直升机座舱

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数字式电传飞控系统

  发动机,桨毂,机体材料与飞控系统,这些直升机的最重要指标随着人类科技的进步而日新月异的发展,不断催生出更新更好的直升机产品,进而服务于人类的救援,医疗与军队。为人类的民生与国防事业做出了不可磨灭的贡献。正应了那句名言——“科技改变生活”。(本文图片来自网络)

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代表目前直升机最高技术水平的H-160四代直升机

  出品:科普中国军事科技前沿

  作者:程笑颜工作室

  监制:光明网科普事业部

[责任编辑:赵清建]

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