苏联在二代直升机米-8的设计上甚至加入了钛合金

作者:军事资讯

  出品:科普中国军事科技前沿

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  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。

  作者:程笑颜工作室

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  监制:光明网科普事业部

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  各年代直升机对复合材料的使用比例

  自1939年9月14日,美籍俄裔工程师西科斯基发明了VS-300型直升机并成功首飞以来,直升机的历史已逾79年。在79年的漫长岁月里,随着现代科技与工业的不断进步,直升机的各项性能与指标也经历了大规模地进化。进化与积累最终引起了质变,进而在直升机间产生了代差。直至今日,直升机已经历了四次质变,发展出了四代直升机。

  在上篇中,我们介绍了如何从发动机的角度对直升机进行划代(《认识直升机划代标准:各代发动机构型如何变化?》)。今天我们则要系统性地介绍直升机划代的第二大标准——桨毂。

  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。

  想对直升机划代,必须先认识直升机的划代标准。而标准主要包括四大项指标。它们分别是:发动机、桨毂、飞控与机体材料。

  桨毂是直升机旋翼传动轴与旋翼桨叶的连接结构,它的主要作用有两点,一是将传动轴动力传递给旋翼,二是控制旋翼桨叶在三个方向上的运动来实现直升机机动。除此以外,桨毂还直接影响着直升机桨叶的寿命及噪音水平。由此可见,在一架直升机的设计中,桨毂的作用至关重要。如果说发动机是直升机的肌肉,那么桨毂就是直升机的骨骼!

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  使用钢制尾梁的贝尔-47一代直升机

  世界上第一台直升机——西科斯基VS-300

  直升机的骨骼——桨毂

  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。

  首先是发动机。

  直升机通过加大或减小旋翼的迎角,在转速不变的情况下改变旋翼升力,使直升机在垂直方向上下移动,这种改变旋翼迎角的运动叫做变距。当每片旋翼固定旋转到前方时将迎角减小,旋转到后方时将迎角加大,这种运动被称为周期变距。通过周期变距,直升机将会整体向着前方倾斜,这时由于旋翼盘有了一定倾斜角度,因此在产生升力的同时也会产生向前的推力,推动整个直升机前行,同样的原理还可以控制直升机的后退与左右偏移。而如果周期变距力度加大,直升机甚至会整个滚转起来,中国风雷直升机表演队的“筋斗”动作就是如此完成的。因此,桨毂必须拥有变距能力,这是直升机机动的核心。

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  第一代直升机使用的动力系统均为星型活塞发动机。如美国的贝尔-47直升机,采用一台莱康明V0-435-A1B星型6缸活塞发动机,最大输出功率153千瓦。苏联的米-4直升机,采用一台活塞-7星型14缸活塞发动机,最大输出功率1301千瓦。中国的直-5直升机即为苏联米-4的仿制产品。同样使用活塞-7发动机。活塞发动机有着油耗低,结构简单,燃烧温度低,寿命较长等优点,很适合作为早期直升机动力。但是,活塞发动机扭矩小,超频冗余度低,进气密度不足等缺点却严格限制着直升机的最大速度,实用升限以及机动性。因此,工程师们开始把目光转向了一种新的动力——涡轴发动机。

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  开始尝试使用钛合金材料的米-8直升机

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  武装直升机通过周期变距进行向后翻滚

  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。

  星型活塞发动机(图片来源于百度图片)

  而为了抵消直升机飞行速度改变带来的风阻变化,旋翼还应具备改变后掠角来抵消风阻的能力,这种运动被称为摆振。同样,在直升机遇到侧风时机身倾斜,如同人们歪着身子骑自行车,此时整个旋翼盘也随直升机一起倾斜于地面。想要在这种状态下恢复水平,则需要低处旋翼向上摆动,高处旋翼向下摆动来将整体旋翼盘水平于地面,这种动作被称为挥舞。

亚洲彩票,  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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  控制旋翼完成变距,摆振,挥舞,这就是桨毂的三大任务。自出现至今,桨毂经历了三次大的改进。而桨毂的更新换代,正是围绕着如何优化这三个动作而来的。

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  中国直-5型第一代直升机(图片来源于哈飞集团官网)

  第一代桨毂为金属全铰接式桨毂,其变距,摆振,挥舞三个动作全部由金属轴承与铰链完成,采用金属全铰接式桨毂的直升机典型代表有苏联的米-4,美国的CH-47支奴干以及中国的直-8直升机。从以上这些例子不难发现,金属全铰接桨毂的使用机型并非仅限于米-4这样的一代直升机,而是包含了直-8与支奴干这样的二代直升机。事实上桨毂对直升机划代的影响与发动机不同,每一代发动机直接改变着直升机的代差。而一代桨毂却可以相继应用于两代直升机,这是由于人类的材料发展速度远低于机械结构创新速度导致的。

  使用了95%复合材料的欧洲NH-90直升机

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