復合材料在直升機新技術和新概念飛行飛機上的應用

　　21世紀，技術已非常成熟的經典直升機將更加完善其性能及質量水平，更加注意安全、可靠、經濟及舒適性。各種相關新技術的飛速發展，將為多種具有直升機特征的新概念飛行器的研究、發展和登上歷史舞臺提供有利條件純直升機技術經過半個多世紀的發展，應該說經典技術已經比較成熟，產品質量、水平也日臻完善，其發展趨勢是更加注重安全、可靠、經濟、舒適性。21世紀人們可以把旋翼系統發展得更完善、更先進、效率更高、更安全可靠，可以用新思路、新技術(諸如環量控制技術，下洗流機翼、襟翼控制技術等)來取代尾槳系統，以提高性能，降低振動和噪音，降低成本。這樣一來，我們可以把直升機速度提高到350千米／4、時以上，耗油率降低到0．2千克／千瓦·小時左右，結構空重比達到0．3左右，全機振動水平降到0．貼g，噪聲水平降到85分貝以下，而飛行小時費用降低到目前的l／3—1／5左右，軍用標準將逐步被民用標準取代，裝機的成、附件可以直接從市場上采購，從而大大降低研制費用，使人們能夠買得起、用得起直升機。以下是目前影響和推動純直升機發展的一些主要因素。
      
　　發動機和傳動裝置的技術創新
　　推力矢量技術已經在固定翼飛機上采用，它對實現過失速機動，改進飛機性能和機動性，減小飛機阻力和重量，提高作戰效能和生存力，降低成本和全壽命費用等方面都有重要意義。但還存在若干問題，特別是控制技術的安全性還沒有得到根本性解決。而直升機發動機可以完善其實用技術、通過矢量噴管與機身匹配，總體布局、地面仿真試驗與飛行試驗，實現直升機／推進系統一體化設計，以減小阻力，提高效率，減輕重量，提高可靠性、可維修性，降低成本。通過研究矢量噴流與直升機擾流的干擾，超環量氣動效應，反向噴流干擾效應等特殊的氣動問題，實現直升機／推進系統的綜合控制。
　　直升機的純機械傳動裝置重量占直升機重量的1／5以上，且其故障率占的比例也很大。我們可以設想，拋開傳統的機械傳動裝置，另辟路徑，利用光、電、磁等綜合技術實現功率的傳遞、轉速的變化，這樣就可以大大簡化該裝置，大大降低空機重量，并大大降低成本和費用，提高其可靠性。
　　新型先進材料的工程實用化
　　新型先進材料工程實用化的每一次突破，都將給直升機技術發展帶來一場新的革命，促進直升機技術和綜合性能達到一個新的高度。
　　21世紀在材料工程發展上，將把注意力放在改進和提高傳統材料性能的同時，著眼于發展新材料。新材料將向高功能化、高性能化、復合化和智能化方向發展。
　　金屬材料在工藝創新的基礎上，將不斷提高質量，降低成本，擴大品種規格。發展高純高韌鋁合金，高強高模鋁捏合金，先進的高強、高韌、高溫鈦合金等。陶瓷材料將實現從先進陶瓷發展到納米陶瓷的第三次飛躍，科學家通過諸如納米粉體的制備、成型、燒結等多方面艱苦工作，在21世紀初有可能解決陶瓷脆性這一致命缺點。屆時直升機結構和發動機部件上都將采用這一強度、硬度高，耐磨、耐熱能力非常好，在高溫和強腐蝕介質環境下性能穩定的新型材料。
　　復合材料不僅能保質原組成材料(有機高分子、無基非金屬或金屬)的主要特色，又能通過復合效應獲得原組分所不具備的性能，還可以通過材料在使用中的受力要求進行選材設計及復合結構設計，使組分的性能互相補充并彼此關聯，從而獲得新的優越性能。比強度大于4x10^6厘米和比模量大于4x10^8厘米的結構復合材料的出現促進了航空、航天高技術產業的發展。隨著復合材料工藝、生產流程、質量控制的降低成本、樹脂基復合材料將得到更廣泛的應用，而金屬基和陶瓷基復合材料亦將獲得工程應用。
　　智能材料和納米材料是20世紀90年代中后期開始發展的新材料，具有巨大的發展空間和廣泛的應用前景。智能材料通過把傳感器陣列、光電器件和超微型處理機埋在結構材料之中，通過主動和被動控制方式，實現自適應結構。如直升機的自適應旋翼結構、相控陣雷達天線自適應機身結構。智能材料致動器可以減少槳葉與旋禍的不利干擾，減小高速脈沖干擾，以降低旋翼噪聲；而智能材料高頻與低頻主動結構控制器，可以降低座艙的噪聲和振動。百萬分之一毫米的納米材料一經問世，就以強的生命力急速發展，在短短幾年間，走過了從納米原材料到制成元件、成件，再到納米機構、部件，直到有實用價值的產品，諸如超微型的電機、發動機，運轉汽車，微型飛機，微型飛船，微型直升機等等。
　　目前研制的微型直升機還不完善，配套的任務設備亦遠不能滿足使用要求。在未來10年，納米技術開發進展將從原子、分子層次納米元件發展到電子層次納米元件。它的迅速發展和工程化將引發一場新的技術革命。基于超微電子、超微工程結構、器件的出現和商品化，開發研制一種無人駕駛的超微型直升機已經完全成為可能。它會在軍事上用于(超)低空偵察、信號干擾、通訊中繼、目標指示和生化武器探測等。
　　直升機與機載系統的綜合一體化
　　伴隨現代軍事技術的發展，現代戰爭呈現以下趨勢：聯合作戰概念擴大，包括電子戰、信息戰，形成了陸、海、空、電(磁)聯合體戰爭；信息能力成為衡量武器裝備體系質量和效能的重要標志；中遠程精確打擊和導彈攻防對抗，成為高技術局部戰爭中的重要作戰樣式。根據這一作戰趨勢，航空武器裝備的發展具有以下三個鮮明的特點：一是常規武器打擊的精確化；二是武器裝備的隱身化；三是武器平臺的信息化。
　　軍用直升機裝備的發展要適應和滿足現代戰爭發展的趨勢和特點，注重研究、發展直升機平臺與機載系統設備(包括電子、武器、飛行控制等)的綜合一體化和集成化。隨著微電子技術，光學計算機、分子計算機技術、網絡技術的發展，機載綜合電子系統從總線系統向功能更多、速度更快、精度更高、適應性更強、可靠性更好的“寶石柱”、“寶石臺”系統發展，機載電子信息設備所占全機比例高達40％以上，日后這一比例還會進一步提高。我國軍用直升機要達到優質、高效的目標，必須加大力度發展機載電子綜合系統，做到系統設備標準化、模塊化、通用化，并采用先進數據總線控制運行，網絡集成，解決好戰術、任務、管理一體化集成技術，相控陣雷達／結構設計一體化技術，以及干擾／反干擾，偵察／反偵察，對抗／反對抗電子戰技術，以電子基本平臺和電子任務平臺來勾畫和綜合機載電子系統。
　　機載常規武器的中遠程精確打擊和配備導彈攻防對抗，是現代戰爭的重要手段，我國必須解決和發展直升機懸停、低速狀態發射導彈和其他常規武器的技術，提高命中率，而發展研制激光制導反坦克導彈就可實現對目標的精確打擊。
　　采用先進的顯示系統、聲控技術和集成技術，開發集成化的駕駛艙，以實現目標識別和任務／系統管理的高度自動化，使任務功能增加1—2倍，減少飛行員的操縱、控制工作量，使機組人員的工作量減少一倍以上。
　　復合式飛行器
　　充分利用直升機的旋冀特性，加上飛機機翼特性，發展一種大家比較了解的傾轉旋翼機，如美國的V—22煩轉旋翼機已經試飛成功，在未來5年內可裝備部隊。
　　還有一種復合式飛機，當它的三片槳葉旋轉時具有直升機的功能特點，當將其三片槳葉固定時，就變成一架能快速飛行的固定翼飛機。無論是傾轉旋翼機還是復合式飛機，既可像直升機一樣在空中懸停和垂直起落，又能像飛機一樣快速飛行，與傳統的純直升機比較，其飛行速度和飛行高速提高了一倍，可以達到600千米／4、時和2400。3000米，而航程增加了l—4倍，達到近4000千米的水平。
　　由于直升機的尾槳系統要耗損9％左右的功率，且其事故率較高，故人們為提高安全性和尾槳效率采用涵道尾槳，或采用噴氣環量系統，或采用主槳尖噴氣系統代替尾槳，或采用共軸式旋翼系統技術省去尾槳等等。近人們在充分研究飛機機翼、襟翼特性和直升機旋翼下洗氣流特性后，提出了一種新概念的無尾槳直升機，可以充分利用旋翼下洗氣流能量，通過控制雙層梁二元機翼迎角和面積尺寸來平衡和控制直升機運動方向，不僅可大大減少功率損耗，還可大大提高安全性，減小直升機的空間尺寸。
　　飛行汽車
　　汽車只能在地面道路上行駛，在戰爭時期或遭遇嚴重自然災害時，道路、橋梁都會遭到破壞，有時還會遇到叢山峻嶺，平時地面交通十分擁擠或發生塞車情況，那時擁有一輛既可以在道路上行駛，又可以隨時垂直起落和空中飛行的空中“的士”該多好。應用汽車技術和垂直起落飛行(含直升機)技術的融合。發展一種飛行小轎車是完全可能的。其軍事、社會、經濟效益顯而易見，其發展應用前景是十分廣闊的。
　　人們已做過相當多的試驗研究，在應用內埋式涵道風扇技術解決垂直起落的技術難點后，關鍵是要在一輛經典轎車構型的前提下，實現空中飛行的平衡和操縱控制，同時要有小的耗油率，以達到足夠長的飛行和行駛距離，有良好的經濟性和安全性。預計21世紀頭10年工業界有可能研制出一輛4座飛行轎車，它可以使用普通汽油，其燃油里程價格比與普通轎車大致相同?？纱蛊鹇涞娘w機與飛艇的融合——氣囊飛行器它是一種半軟式的飛艇和半硬式飛機組合而成的新概念飛行器。既為飛行器，其重量比空氣重。其軟式飛艇部份充氣后有很大浮力，其中一半升力是由氦氣提供的同時它又具有類似傾轉旋翼機的4臺傾轉旋翼螺旋槳作為動力。它可以互補大型貨機速度快，但成本高的缺點和飛艇成本很低但速度太慢的缺點，為人們提供一種大型的低運價、高速的空中運輸服務。它可在大的商用機場起降，以230千米／4、時的速度運送500噸貨物，不用一天時間可以橫跨大陸，可以將大部隊的兵力快速從大本營運送至戰區前線。直升機與地效飛行器的有機融合——藍色水域的“飛船”它既具有直升機的特點，又具有地效飛行器的優點，顯著地降低了油耗，提高了飛行速度，載重量加大了，航程更遠了。它可以在水面航行，又可以在空中飛行、懸停，還可
　　用水面作為起降場，亦可垂起降?？奢^好地滿足我國遼闊海域軍、民用的需求。
      
　　水下直升機
　　人們還在利用直升機與潛艇技術的融合，發展一種水下直升機(或水下飛行器)，它具有快速航行和隱蔽性好的特點。它的發展要借助于水下動力裝置，水下航(飛)行技術，飛行器的沉浮技術，以及戰術潛空武器技術的突破和解決。
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