未來直升機的技術(shù)發(fā)展

未來直升機的技術(shù)發(fā)展

第二代戰(zhàn)爭理論美國和印度于2004年2月開展了一次名為“與印度4號作戰(zhàn)”的聯(lián)合軍事訓(xùn)練，主要研究未來戰(zhàn)爭中作戰(zhàn)飛機的作戰(zhàn)能力。俄羅斯專家斯里普琴科近年來提出了“第六代戰(zhàn)爭”的理論,給出了未來戰(zhàn)爭的許多新的作戰(zhàn)形式,包括空天戰(zhàn)、無人機戰(zhàn)、網(wǎng)絡(luò)信息戰(zhàn)等。這些對作戰(zhàn)飛機的戰(zhàn)技要求和戰(zhàn)爭形式是軍事理論發(fā)展和軍事革命演變的產(chǎn)物,必然對現(xiàn)階段作戰(zhàn)飛機的研發(fā)重點和未來的發(fā)展方向提出新的要求。1未來戰(zhàn)斗機技術(shù)的進步1.1加式智慧航天器高超聲速飛行器可能包括:可以加速到Ma=15～20的高超聲速可操縱再入式飛行器;可以在2h內(nèi)到達地球上任意一個角落的全球跨大氣層轟炸機等。高超聲速飛行器的關(guān)鍵技術(shù)包括高超聲速推進系統(tǒng)、機體/推進一體化設(shè)計、材料和結(jié)構(gòu)、熱防護系統(tǒng)以及氣動力研究等,這些技術(shù)都是航空航天技術(shù)中的尖端。1.2飛機一體化技術(shù)飛機一體化設(shè)計,包括技術(shù)集成,即將各種航空專業(yè)技術(shù)互相交叉滲透;系統(tǒng)集成,即將彼此獨立的系統(tǒng)綜合在一起,實現(xiàn)信息和資源共享;過程集成,即將飛機設(shè)計、制造、使用維護和改進改型中將要遇到的技術(shù)問題進行統(tǒng)一考慮,實現(xiàn)設(shè)計/制造一體化,并為今后的改進改型做好預(yù)先規(guī)劃。目前,飛機一體化技術(shù)的主要發(fā)展方向是:繼續(xù)探索新材料、新結(jié)構(gòu)、新型氣動力布局和新的控制手段,并把這些新技術(shù)集成到飛機設(shè)計中;進一步完善CAD/CAM軟件和仿真、虛擬現(xiàn)實軟件,為設(shè)計人員提供更加直觀、高效的設(shè)計平臺;進一步擴大并行工程在飛機研制中的應(yīng)用,進一步提高飛機研制的信息化水平。1.3等離子體屏熱壓法“全頻譜”隱身的一個方向是研制出能對雷達波、紅外線和光波都有效的隱身涂料,包括可同時應(yīng)付多種頻譜的多層或多功能隱身涂料和新型的導(dǎo)電涂層、放射性同位素涂層等涂料。另一個方向是通過在機體內(nèi)放置等離子發(fā)生器或?qū)⒛撤N放射性物質(zhì)覆蓋在機體上,使飛機表面附近的局部空間發(fā)生電離,形成能吸收雷達波的等離子體。在高空,此種等離子屏可以在很寬的頻帶范圍內(nèi)吸收絕大部分雷達波。它還有一大特點,即它的吸波能力會隨飛行高度的增加而提高,因而,用于高空高速無人機上非常理想。1.4飛行狀態(tài)的智能化控制目前,美國正在研究可在任意方向上進行可控變形的機翼,采用先進的智能結(jié)構(gòu)和材料,加上智能化的控制系統(tǒng),可使空中飛行的飛機在不同速度、迎角狀態(tài)下,根據(jù)指令自動改變機翼的后掠角、平面形狀、彎度、扭轉(zhuǎn)度、弧度、翹曲度等。這種智能變形機翼對于改善飛機的機動性能、起降性能和安全性能具有不可估量的價值。1.5氣動力控制面目前,先進主動流場控制技術(shù)已成為空氣動力學(xué)發(fā)展中最具潛力的前沿技術(shù)。高級的主動流場控制技術(shù)可以用來構(gòu)筑“虛擬”的氣動力控制面,對全機流場實現(xiàn)完全自如的控制。未來的主動流場控制技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用還需要深入地開展對三維非定常流、層流與湍流、附著與分離流動的物理機理研究,并能對這些復(fù)雜流場的時間和空間變化實現(xiàn)數(shù)值模擬,并大力發(fā)展微米、納米傳感器和作動器技術(shù)。1.6虛擬出租車的實現(xiàn)和驗證虛擬駕駛艙(VC)技術(shù)通過人機接口輸出三維視覺、聽覺和觸覺信息,多通道刺激人的感官而使人在頭腦中形成身臨其境的感覺。美、英、法、德等國未來先進飛機駕駛艙設(shè)計都是在虛擬駕駛艙的基礎(chǔ)上進行的。美國空軍計劃下一代戰(zhàn)斗機駕駛艙到2005年前達到“大圖像”水平,2015年達到臨境虛擬駕駛艙水平。1998年美國無人機操縱員控制室的虛擬增強接口已達到24%,在2005年的部分臨境接口要達到50%,在2015年的全臨境接口要達到90%。到2020年以后,美國空軍計劃無人機操縱員控制室最終實現(xiàn)全臨境虛擬駕駛艙。虛擬駕駛艙所涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括:全色、高分辨率、高亮度的大視場頭盔顯示器以及高精度頭位跟蹤器甚至視線跟蹤器;交互式大屏幕顯示器;三維聲音告警系統(tǒng);語音識別器;智能信息管理系統(tǒng)以及駕駛員助手。以上介紹的這些技術(shù)由于具有相當(dāng)?shù)某靶?因而研究所需的投資大、周期長、風(fēng)險高,但它們潛在的使用價值和對未來航空技術(shù)領(lǐng)域的重大影響對各軍事強國有著巨大的誘惑力。2美國提出航空科技發(fā)展規(guī)劃繼美國第四代戰(zhàn)機F/A-22發(fā)展成功后,為迎接航空領(lǐng)域存在的重要技術(shù)挑戰(zhàn)和繼續(xù)發(fā)展美國的新一代戰(zhàn)機,NASA最近提出了一份2002—2025年間的航空科技研究發(fā)展規(guī)劃。在這份規(guī)劃中,NASA在作戰(zhàn)飛機的研究方面提出了一系列新技術(shù)和新概念的發(fā)展計劃,主要包括三項飛行研究計劃和三種新概念試驗研究機。2.1關(guān)于飛機研究計劃NASA的飛行試驗研究計劃由德萊頓飛行研究中心實施。目前正在進行的重點項目包括:2.1.1無人機技術(shù)開發(fā)ERAST項目是一項于1994年開始實施的計劃,目標(biāo)之一是開發(fā)無人機技術(shù)。其技術(shù)驗證機是一種能夠晝夜飛行的太陽能飛機,稱為太陽神無人機。該機在2001年的一次試飛中飛行高度突破29.5km,創(chuàng)造了無火箭動力飛機的飛行高度紀(jì)錄。2.1.2控制面面為復(fù)合機翼主動氣動彈性機翼研究計劃的最終目標(biāo)是掌握如何利用機翼扭轉(zhuǎn)進行跨聲速和超聲速滾轉(zhuǎn)控制,將整個機翼作為一個控制面來使用。如果計劃成功,未來高速飛機有可能無需飛機尾部的水平控制面。NASA認(rèn)為主動氣動彈性機翼計劃是其“變形飛機”計劃的第一步,柔性變形機翼所應(yīng)用的靈敏材料、主動流場控制和其它新技術(shù)都是本世紀(jì)航空航天飛行器的關(guān)鍵技術(shù)。2.1.3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器軟件NASA從2001年開始一項智能飛行控制系統(tǒng)驗證飛行試驗,該系統(tǒng)能使未來的飛機在出現(xiàn)主系統(tǒng)失效、作戰(zhàn)損壞的情況下仍能安全、受控地著陸。損壞的機載計算機可“重學(xué)習(xí)”,用專用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器軟件使飛機飛行。沒有這種靈巧軟件,嚴(yán)重的事故問題,如部分機翼損壞、機身分解或傳感器失靈,都會大大改變飛機的處理方式,飛機可能會出現(xiàn)奇特的響應(yīng),控制裝置也將不能正常工作。IFCS的飛行研究由NF-15B試驗研究機承擔(dān)。研究重點放在為飛機的飛行控制計算機開發(fā)具有自學(xué)能力的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)軟件,這種軟件能自動將飛機系統(tǒng)數(shù)據(jù)與正常飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)進行比較,并自動調(diào)整飛行控制律來補償已損壞的或不起作用的飛行控制面或系統(tǒng)功能。飛行研究成功后可能首先將IFCS應(yīng)用于C-17之類的運輸機平臺上。2.2三種新的概念研究為促進航空試驗飛行器的發(fā)展,長期以來NASA一直持續(xù)不斷地探索研究先進飛行器概念。2.2.1x-33a無人機X-43A是NASA為其“超高聲速”計劃研制的一種縮小的高超聲速研究機,用于驗證超燃沖壓發(fā)動機作為高超聲速飛行器動力裝置的可行性。X-43A是世界上第一種使用沖壓發(fā)動機的高超聲速飛行器,而且使用范圍將延伸到Ma=10以上。2004年3月27日,一架經(jīng)過改裝的B-52轟炸機搭載著X-43A無人機(圖2),從愛德華茲空軍基地起飛。在大約12.2km的高空,B-52轟炸機與X-43A分離。接下來,與X-43A捆綁在一起的飛馬火箭點火,將X-43A推至大約30km的高空。此時,X-43A啟動自身發(fā)動機與火箭分離,開始一個短時的無動力飛行準(zhǔn)備進入加力試驗程序,接著打開超燃沖壓發(fā)動機,以大約8000km/h(Ma=7)開始獨立飛行。約6min后,飛機按預(yù)定程序墜入太平洋。到目前為止,NASA已經(jīng)研制成功了兩架X-43A,在經(jīng)歷了首架機失敗后,仍在用第二架機進行Ma=10的飛行試驗,并將試驗結(jié)果用于NASA和空軍的X-43C先進航天運輸聯(lián)合項目中。2.2.2飛行性能好目前NASA與波音公司正在設(shè)計和研制一種具有革命意義的復(fù)合式飛機——蜻蜓鴨式旋翼/機翼(CRW)無人機(圖3)。這種無人機有像直升機一樣的旋翼,當(dāng)無人機起飛降落時它具有直升機的旋翼功能,當(dāng)無人機垂直升到所需高度時旋翼被鎖定在機身上作為固定機翼,從而使飛機既具有直升機一樣的垂直起降和空中懸停能力,又具有固定翼飛機那樣的高速巡航飛行能力。這種設(shè)計不僅融合了兩種不同種類飛機的飛行性能,提高了各自的飛行包線,而且還具有較低的信號特征值和很好的高速飛行性能。按照設(shè)計者的構(gòu)想,實用型的有人駕駛和無人駕駛CRW的巡航速度要求達到693km/h,飛行高度達到10668m。目前NASA和波音公司已制造出兩架蜻蜓無人駕駛樣機,其中一架已經(jīng)成功進行了首飛。2.2.3x-45a新的飛機從1999年開始,NASA、美空軍、洛克希德·馬丁公司和普惠公司聯(lián)手設(shè)計研制一個全新的矢量推力試驗飛機——X-44AMANTA,稱之為“多軸無尾飛機”。該機采用F/A-22的機體加上一個碩大的三角翼,去掉了F/A-22的垂尾和所有可動操縱面,從而可使其飛機雷達反射截面減至最低,并且結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、燃油容量較大、機動性能突出。X-44A計劃旨在驗證純推力矢量控制的飛機的可操縱性,從而取消全部氣動操縱舵面,成為真正的無尾飛機。這樣不僅大大改善了飛機的過失速機動能力,提高空戰(zhàn)效能,而且還將大大減小飛機幾何阻力和質(zhì)量,進一步增強隱身能力,提高飛機性能,降低成本。3關(guān)于五代機的發(fā)展3.1世紀(jì)前20年,全球軍隊發(fā)展迅速,為我國航空工業(yè)的發(fā)展提供保障目前,從美國開始,在世界各軍事大國掀起了一場新軍事革命的浪潮,各國都爭相提高軍費來迎接這場新軍事革命的挑戰(zhàn)。新軍事革命的核心是作戰(zhàn)平臺的信息化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化和一體化。這場新軍事革命可能在2015年內(nèi)形成。那時世界上多數(shù)大國軍隊都將完成武器裝備的更新?lián)Q代,而作為保持科學(xué)技術(shù)領(lǐng)先地位的超級大國——美國將于2007—2010年間首先具有打一場新軍事革命戰(zhàn)爭的能力。這場新軍事革命也給我國軍機產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來積極影響。21世紀(jì)前20年是我國國民經(jīng)濟發(fā)展的重要戰(zhàn)略機遇期,同時也給我國航空工業(yè)的快速發(fā)展提供了極好的投入保障。從海灣戰(zhàn)爭、科索沃戰(zhàn)爭和第二次伊拉克戰(zhàn)爭可以看出,即使在信息化和電子戰(zhàn)十分發(fā)達的今天,作為現(xiàn)代化戰(zhàn)爭的重要武器平臺——作戰(zhàn)飛機不僅在未來戰(zhàn)爭中將占有重要的地位,而且由于大量新技術(shù)和新裝備的應(yīng)用、新的作戰(zhàn)思想的確立、新的組織體制的形成,其作戰(zhàn)效能和作戰(zhàn)作用將進一步增強和提高。3.2對中國的影響我國軍機下一步向什么方向發(fā)展?這不但要分析國外戰(zhàn)機未來可能采用的前沿技術(shù),更要分析未來戰(zhàn)爭的空戰(zhàn)模式,對未來戰(zhàn)爭的構(gòu)架有一個清晰的認(rèn)識。目前,我國的第三代戰(zhàn)機已經(jīng)開始裝備部隊,第四代機也處于發(fā)展之中,第五代機的研發(fā)思路還不太明確。但與此同時,美國的四代機F/A-22已經(jīng)服役,雖然美國對自己的第五代戰(zhàn)機的發(fā)展方向還沒有提出一個明確的概念,但一些基礎(chǔ)研究項目(如無人作戰(zhàn)飛機)已經(jīng)研制成功并投入了飛行驗證,美國的一些專家近年來也在國際上大力制造無人機代替有人機的輿論。已經(jīng)有一些國家認(rèn)為未來的藍天就是無人機的天下了。如何實現(xiàn)“跨越式”發(fā)展,也就是我國的軍機產(chǎn)業(yè)如何跨越F/A-22,在美國第五代機研制成功前后,研制出我國的第五代機的問題,這就要求我們突破美國的研發(fā)思路,不能被美國牽著鼻子走。國內(nèi)有人認(rèn)為這個第五代機也是無人作戰(zhàn)平臺,甚至舉出了無人作戰(zhàn)飛機的種種好處。如果沿美軍的輿論導(dǎo)向研制無人作戰(zhàn)飛機,我個人認(rèn)為這個方向還需商榷。這是因為我國的國情、軍情與美軍有較大不同。一是就我國航空工業(yè)的基礎(chǔ),無人作戰(zhàn)平臺所需的網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)、材料技術(shù)、隱形技術(shù)、發(fā)動機技術(shù)等諸多方面還難以與美國匹敵;二是未來戰(zhàn)場的制電磁權(quán)很可能在我軍完成新軍事革命的任務(wù)后還沒有把握比美軍占有較大優(yōu)勢;三是軍用無人機存在固有的重大缺陷,這些無人機的缺陷包括:無人機的抗干擾技術(shù)與突飛猛進的電磁干擾技術(shù)相比,還非常落后,因而常常出現(xiàn)無人機因受到有意或無意干擾而導(dǎo)致工作失常、效率降低,甚至墜毀或被敵方利用的情況。無人機升天以后的飛行控制,以及無人機獲得情報后向后方的實時傳輸,均需要通過無線電指令來傳輸。但這種雙向遠程通信的保密問題一直未能得到有效解決,以致無人機的飛行安全和情報傳輸安全難以得到保障,往往給敵方破壞無人機飛行,阻攔情報傳輸,甚至俘獲無人機創(chuàng)造可乘之機。在現(xiàn)代空中作戰(zhàn)中,無人機面對的將是大量偽裝技術(shù)(如迷彩、偽裝網(wǎng)、假目標(biāo)、煙霧、紅外及雷達誘餌等),由于無人機依賴于預(yù)先儲存的目標(biāo)信息識別目標(biāo),或地面遙控人員通過視頻信號辨別目標(biāo),缺乏智能化辨識系統(tǒng),一旦敵方改變目標(biāo)特征或設(shè)置與目標(biāo)相類似的假目標(biāo),就容易誘使無人機誤認(rèn)、誤炸。所以說,第五代機以無人機為發(fā)展方向,很可能最后落得“東施效顰”的結(jié)果。3.3x-45a高超聲速研究機“空天飛機”推進有中國特色的軍事變革要有前瞻的眼光,尤其在發(fā)展我國的第五代機方面。空天戰(zhàn)機是一種集航空、航天技術(shù)于一身,兼有航空和航天兩種功能,能執(zhí)行軍事任務(wù)的載人航天器。有人把X-43A高超聲速研究機叫“空天飛機”,但它的設(shè)計是不載人的,目前也是不能作戰(zhàn)的;也有人認(rèn)為可以把“航天飛機”發(fā)展為“空天戰(zhàn)機”,但航天飛機是以火箭助推、垂直起飛、水平著陸的,很難發(fā)展為本文的“空天戰(zhàn)機”。我認(rèn)為,我軍的第五代機的發(fā)展方向應(yīng)以載人的空天戰(zhàn)機為發(fā)展方向,這種空天戰(zhàn)機應(yīng)具備以下主要特點。3.3.1發(fā)動機馬來沖直飛飛式飛行空天戰(zhàn)機安裝有變循環(huán)式發(fā)動機,在不同的飛行高度發(fā)動機可在噴氣式與沖壓式發(fā)動機之間轉(zhuǎn)換,這種發(fā)動機的尾噴口可以360°轉(zhuǎn)向,實現(xiàn)推力矢量變化。戰(zhàn)機可以去掉平尾和垂尾,以發(fā)動機尾噴口的差動轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)飛機姿態(tài)的變化。這種戰(zhàn)機以噴氣式發(fā)動機起飛并加速到Ma=2,再過渡到?jīng)_壓式發(fā)動機工作,加速到Ma=6以上的高超聲速并上升到30km以上的亞軌道,然后關(guān)閉發(fā)動機以慣性方式躍飛,上升到近百千米的高度,當(dāng)躍飛到頂點后,下降高度再開啟沖壓式發(fā)動機工作加速,接著進行下一個躍飛,如此往復(fù),稱作“躍飛”式飛行,一個躍飛可達幾百公里?？仗鞈?zhàn)機目前存在的主要技術(shù)難關(guān)是這種變循環(huán)發(fā)動機的研制問題。3.3.2高超聲速空天機動機動經(jīng)過30多年的不懈努力,高超聲速技術(shù)研究在20世紀(jì)90代后取得了重大突破,已從概念和原理探索階段進入以飛行器為應(yīng)用背景的先期技術(shù)開發(fā)階段。目前,美國、俄羅斯、法國、德國、日本和印度等經(jīng)過多年研究已取得不少技術(shù)成果,尤其在推進技術(shù)、結(jié)構(gòu)材料、空氣動力和飛行控制等關(guān)鍵技術(shù)研究方面不斷取得突破。高超聲速空天戰(zhàn)機的出現(xiàn)會使戰(zhàn)場空間更加廣闊,速度為Ma=6以上的空天戰(zhàn)機,能在6h內(nèi)在30km以上的高空環(huán)繞地球一周,迅速打擊數(shù)千或上萬公里外的各類目標(biāo),這大大地拓展了戰(zhàn)場的空間?？仗鞈?zhàn)機既能作為航空兵參加空地聯(lián)合作戰(zhàn),又能加入天軍行列,征戰(zhàn)太空,還能發(fā)射、維修和回收衛(wèi)星,擔(dān)負(fù)偵察監(jiān)視與預(yù)警任務(wù),更能打擊低軌道的敵方衛(wèi)星,作為空間武器發(fā)射平臺、戰(zhàn)時太空預(yù)備指揮所等。高超聲速飛行的空天戰(zhàn)機飛行速度太快、高度太高,使得現(xiàn)有的防空系統(tǒng)的攔截概率大幅度下降,因而具有較高的突防成功率,可有效地制約敵方預(yù)警和武器系統(tǒng)整體功能的發(fā)揮。圖4為美軍的兩種高超聲速轟炸機構(gòu)想圖。3.3.3精確打擊時附帶損傷高超聲速動能武器不僅能通過熱輻射和沖擊波對目標(biāo)造成毀傷,而且能依靠直接命中來破壞目標(biāo)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。精確打擊時附帶的損傷比常規(guī)精確制導(dǎo)武器要小得多。高超聲速導(dǎo)彈、炮彈或炸彈的體積比一般射彈要小許多,因此空天飛機可大量裝載,作戰(zhàn)威力顯著增強。3.3.4空天機動發(fā)動機由于在近地大氣層外的亞軌道上飛行,阻力小,又不涉及領(lǐng)空問題,所以空天戰(zhàn)機的航程可達上萬公里,能用于執(zhí)行全球作戰(zhàn)任務(wù),且無需空中加油和各種保障基地。如果大量使用,作戰(zhàn)保障費用將會大為減少?？仗鞈?zhàn)機采用變循環(huán)發(fā)動機,可在一般的機場象現(xiàn)代戰(zhàn)機一樣水平起降,快速回收、快速補充燃料和彈藥,重新起飛執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)?，F(xiàn)役的殲擊機飛行員在經(jīng)過一定培訓(xùn)后就可以駕駛空天戰(zhàn)機,費用比培訓(xùn)航天員低得多。3.3.5等離子體技術(shù)的特點等離子體技術(shù)的關(guān)鍵是在飛行器飛行環(huán)境下在其周圍產(chǎn)生等離子云團,且對等離子體能量、電離度、振蕩頻率和碰撞頻率等特征參數(shù)進行設(shè)計,使其能滿足對雷達波的吸收和繞射的特定要求。等離子體隱身技術(shù)具有如下獨特的優(yōu)點:吸波頻帶寬、吸收率高、隱身效果好、使用簡便、使用時間長、價格極其便宜;無需改變飛機等裝備的氣動外形設(shè)計,由于沒有吸波材料和涂層,維護費用大大降低。俄羅斯近年來在等離子體技術(shù)方面已經(jīng)取得了突破性的進展,已經(jīng)領(lǐng)先于美國。俄羅斯的實驗證明,利用等離子體隱身技術(shù)不但不會影響飛行器的飛行性能,還可以減少30%以上的飛行阻力。采用等離子體