中国航空报讯：高速新构型技术是指通过加装螺旋桨、涵道风扇或喷气发动机等辅助推力装置，提供更大的水平推力，并通过旋翼系统提供升力，从而达到更高的飞行速度。本文为读者解析直升机速度受限的原因以及解决失速的措施，阐述高速直升机可能的技术方案，介绍美国、俄罗斯和欧洲高速直升机的研制与发展。
在时间就是生命、时间就是效率、时间就是胜利的今天，直升机速度上的竞争也愈演愈烈。现代直升机尽管具有诸多优势，但飞行速度始终落后于固定翼飞机，最高速度只有每小时350千米左右。其中，直升机旋翼是限制其速度提高的一大障碍，它赋予了直升机的垂直升力，而弱化了它的水平速度，从结构上限制了直升机速度的提升。在过去几十年间直升机的飞行速度始终徘徊不前，亟待面临大提速。
直升机速度纪录
目前，常规直升机的发展已接近它的性能极限，改进的重点已转移到提高纯直升机效率和减少对环境的影响上。但是，由于对直升机的有效载荷、速度和航程有着进一步改进的要求，因此，又促使对新构型直升机进行深入研究。此外，随着科学技术的发展，加上不断努力地探索，在新概念直升机的研究中取得了不同程度的进展，有的甚至取得了突破性进展，如已投入使用的V-22倾转旋翼机。
由于军用和民用需求的推动，以新技术、新材料、新工艺为基础的直升机技术的发展和更新都在加速。而军事领域对直升机的速度日益苛求的要求，则是高速直升机快速发展的最直接推动力。目前美国、欧洲和俄罗斯都已经加快了高速直升机的研究，高速直升机的时代即将来临。
直升机的提速将使直升机迎来一种新的革命，新一代高速直升机需在空气动力总体布局、旋翼结构、机体结构、新材料和新工艺的应用、动力装置配置、航电系统更新等方面进行大的改进。
直升机速度受限的原因
直升机是依靠旋翼产生升力，又产生推进力的飞行器。直升机在垂直和悬停飞行时，空气气流基本上是沿旋翼轴方向垂直流经旋翼桨盘，而且桨盘左右两边桨叶表面对应点的气流速度相同。这时旋翼周围的空气流谱与固定翼飞机螺旋桨的一样。但是当直升机前飞时，由于有了前飞速度，流经桨盘左右两边桨叶表面的气流速度则不相同。在旋翼桨叶转动方向与飞行方向相同的前行边，流经桨叶表面某点的气流速度应是该点的旋转切线速度加上直升机的飞行速度，而在旋翼桨叶转动方向与飞行方向相反的后行边，气流速度应是旋转切线速度减去飞行速度。旋翼旋转时桨尖处的切线速度一般在200米/秒左右，假设直升机飞行速度为360千米/时，即100米/秒，则前行边90o处桨尖的相对气流速度为300米/秒，这与340.2米/秒的声速很接近了。如果直升机速度再增加，该桨尖处就会出现激波，并产生激波失速。在上述相同的假设条件下，旋翼后行边270o桨尖处的相对气流速度为100米/秒，桨根部分还会出现气流从桨叶后缘向前缘的反流区。由于后行边相对气流速度的减小，桨叶产生的升力也就减小。为了使升力保持与前行边的相同，就必须增加后行边桨叶的桨距，但是桨距过大会出现气流分离失速。因此，旋翼前行边的激波失速与后行边的气流分离失速是直升机速度增加的拦路虎。
直升机速度的发展
为了提高直升机飞行速度，针对失速问题采取的措施是：
为了解决后行桨叶气流分离失速问题，需提高桨叶表面光洁度以减小摩擦阻力，使桨叶表面再尽可能大的面积上保持层流附面层。
设计在大桨距时气流分离点不宜前移的翼型，在桨叶翼型后缘进行修形，使桨叶在大桨距下产生的紊流区变成层流区，使后缘紊流区缩小范围。
为了减轻前行桨叶的激波失速，采用了后掠和椭圆等桨尖，减缓空气压缩性，推迟激波失速。
上述措施只能减轻后行桨叶的分离失速和推迟前行桨叶的激波失速，使直升机速度有所提高，但不能从根本上解决限制直升机速度提高的问题，于是提出了复合式直升机和组合式直升机。这些新概念直升机在前飞时部分或完全不依靠旋翼产生升力来支持直升机的重量，所以这就摆脱了桨叶分离失速与激波失速限制直升机速度提高的困扰。
非常规构型直升机最大速度对比
高速直升机可行性方案
附加推力式
附加推力式设计思想是在保留现有直升机旋翼、机身、起落架等基本部件和系统的同时，通过去除尾桨及其传动装置，附加水平推力装置和操纵系统，通过增加直升机前飞时的水平拉力或推力来提高飞行速度，提升原有性能。附加推力式通常采用共轴双旋翼布局，旋翼系统为上下四桨叶反转型。旋翼之间由于刚性连接使间距大大缩短，因此避免了直升机柔性旋翼在高速飞行时桨叶挥舞过大而导致上下桨叶相碰撞。同时，这种旋翼形式能尽量利用前行桨叶提供升力，反转的刚性旋翼允许当速度增大时后行桨叶过载减小，从而消除旋翼后行桨叶的失速现象，提高了旋翼的升阻比，改善了直升机的高速性能。双尾翼能提供方向稳定与操纵，其区别传统直升机之处则是尾部增加了共轴式螺旋桨，为前后三片桨叶的反转型，专门提供水平推力，以此提高直升机的飞行速度。
交叉组合式
交叉组合式设计思想是通过直升机与其他航空器技术的交叉与结合，达到优势互补，扬长避短，提高飞行速度，提升原有性能。例如，直升机与旋翼机交叉结合，直升机与飞艇交叉结合等。当前已经取得成功并投入使用的倾转旋翼机就是直升机与固定翼飞机交叉结合的结果。有关的设计具体涉及机翼、旋翼、动力舱、转动机构、操纵系统等部分，分别属于可倾转型、动力舱倾转型、倾角倾转型。可倾转翼型的机翼为主动倾转部件，发动机和旋翼伴其随动，其它部件保持不动。动力倾转型的动力舱为主动倾转部件，旋翼伴其随动，其它部件保持不动。倾角倾转型的机翼为主动倾转部件，通过改变迎角完成倾转，动力舱和旋翼伴其随动，其它部件保持不动。
圆盘旋翼式
圆盘旋翼式的旋翼作为直升机的关键部件，首先具有机翼的功能，能产生向上的升力。其次还具有类似于飞机推进装置的功能，产生向前的力。同时还具有类似于飞机操纵面的功能，能够产生改变机体姿态的俯仰力矩或滚转力矩。圆盘旋翼式旋翼机的最大技术特色是垂直起降与水平推进的职能分工明确，前者交由圆盘旋翼完成，后者则由翼吊双发完成。另外一个技术特色是旋翼收入圆盘内并锁定后，整机就变成了一架固定翼飞机，即以机体为主，圆盘翼在前上方，机翼在后方。由于不存在尾翼，也没有尾翼的干扰。作为运输机使用，人员、物资和装备与旋翼机接近性更好，车辆可以直接进出货舱，装卸作业非常方便，工作效率大大提高。同时，其气动力优势更明显，能够在飞行中获得更大的升力。
高速圆盘旋翼机
俄罗斯高速直升机的发展
俄罗斯正在酝酿研制高速直升机，其高速直升机将打破每小时500千米的速度，航程可达到1500千米。附加推力型将成为俄罗斯直升机制造商米里和卡莫夫公司新型高速直升机的选择方案。
卡莫夫公司提出了三种方案：卡-90、卡-92和卡-102。米里公司提出了两种方案：米-X1和米-30。虽然这几种方案重量级别不同，但是俄罗斯直升机股份公司不会同时开展这五种方案的研制。根据评估结果，将选择一种最佳方案进行研制与生产。
卡-92和米-X1将在俄罗斯未来高速直升机项目展开竞争。俄罗斯直升机股份公司没有足够的资金独立开发高速直升机，获得国家的支持对于高速直升机项目来说是至关重要的，而且即使获得国家的支持，也只能发展一个项目。
卡-90
卡莫夫公司是世界上最早将共轴直升机用于实战并大批量生产的公司，具有丰富的经验。在当前高速直升机研发中，该公司在共轴式旋翼布局的基础上进行了大胆的尝试与创新，发展了复合式旋翼飞行器。
卡-90直升机
卡莫夫公司正在研究的卡-90直升机是一种复合式新概念直升机。该机采用两片桨叶的旋翼系统，尾部装有一台涡轮发动机，在涡轮发动机喷管后方装有一片和垂尾连为一体的舵面。旋翼动力由涡轮发动机提供。在垂直起降状态，卡-90和常规直升机一样，利用桨叶旋转产生升力，反扭矩由涡轮发动机通过舵面的偏转来实现。进入平飞阶段，由涡轮发动机提供向前推力。随着速度的增加，采用升力体的机身产生升力，两片桨叶向后收起，以降低阻力，最后实现高速飞行。
卡-90采用直升机方式进行垂直起降，采用飞机方式进行巡航飞行。实际上，卡-90是一种几何外形可变的旋翼飞行器，其带有两套独立的推进系统，分别用于巡航飞行和垂直起降。
卡-92
卡-92采用共轴双旋翼布局，旋翼系统为上下四桨叶反转型。旋翼之间由于刚性连接使间距大大缩短，因此避免了直升机柔性旋翼在高速飞行时桨叶挥舞过大而导致上下桨叶相碰撞。同时，这种旋翼形式能尽量利用前行桨叶提供升力，反转的刚性旋翼允许当速度增大时后行桨叶过载减小，从而消除旋翼后行桨叶的失速现象，提高了旋翼的升阻比，改善了直升机的高速性能。卡-92的双尾翼能提供方向稳定与操纵，其区别传统直升机之处则是尾部增加了共轴式螺旋桨，为前后三片桨叶的反转型，专门提供水平推力，以此提高直升机的飞行速度。
卡-92直升机
卡-92可用于没有机场的偏远地区，来维持日常的旅客和货物运输服务。卡-92的采用将有效降低飞行时间，使得往返飞行成为可能。卡-92为9～12吨级的高速直升机，该机的主要特点是在尾部安装了推进式螺旋桨和共轴式旋翼。
卡-92的机舱能容纳30名乘客，最大速度可达450千米/时，航程能达到1500千米。最大起飞重量约为15000千克。
米-X1
米-X1研发开始于2007年，其比卡-92更轻更小。由一副旋翼和一个安装在尾部的螺旋桨在巡航飞行时提供推力，并通过推力矢量提高扭矩稳定性。通过采用新型旋翼设计和计算机控制，大大提高了飞行速度。米-X1的巡航速度为475千米/时，最大飞行速度可达520千米/时，航程约为1500千米。米-X1可用于货运和客运。
米-X1直升机
米-24PSV
米-24PSV先进高速直升机是在米-24“雌鹿”武装直升机基础上采用新的机体和旋翼进行设计，比如整体式黑色玻璃驾驶舱、风阻较小的高速气动外形、新型涡轴发动机等，而其最关键的技术却是外形独特的宽弦旋翼桨叶。米-24 PSV最大速度可提升13%，达到370千米/时以上，而巡航速度也将提高30%。
米-24PSV直升机
美国高速直升机的发展
美国在直升机科研领域一直不断创新改进，走在世界的最前沿。从20世纪50年代初开始，美国对高速直升机进行了大量理论和试验探索研究，推出了很多种构型，试飞过的机型也有几种，其中有代表性的可以为：倾转式、圆盘式和复合式构型。
S-72
S-72是美国西科斯基飞机公司研制的旋翼系统验证机，主要用于对复合材料的无轴承旋翼、可变几何形状旋翼、万向接头式旋翼等各种旋翼和旋翼/机翼复合构型进行评定以及对X翼复合构型直升机方案进行验证，其最大平飞速度可达582千米/时。
S-72直升机
V-22
V-22倾转旋翼机由美国贝尔直升机公司和波音公司联合研制，绰号“鱼鹰”。1982年美国陆军提出“三军联合先进垂直起落飞机”计划。1983年1月该项计划转给了美国海军。1983年4月26日，美国海军与贝尔直升机公司签订了初步设计合同。首架原型机1989年3月19日首飞，1989年9月14日第一次进行了从直升机模式到固定翼飞机模式的过渡飞行。V-22的最大速度达565千米/时，是常规直升机的2倍。
V-22倾转旋翼机
S-97
S-97直升机是美国西科斯基公司在X2技术验证机的基础上研发的一款新型高速直升机。S-97设计的最大速度为480千米/时，在35℃高温下的无地效悬停高度为3000米。S-97直升机拥有电传操控和主动振动控制技术，能够有效降低阻力，减少声学特征，并提高巡航速度。其巡航速度能达到407千米/时，是同类直升机的两倍。
S-97直升机
高速圆盘旋翼机
DARPA斥资300万美元支持波音公司研制一种“圆盘旋翼”直升机，这种直升机有一个碟形的旋转圆盘，在起飞、悬停和着陆时，桨叶可以从圆盘伸出，与普通直升机无异。但是在速度达到500千米/时的高速飞行时，桨叶就收回盘内，圆盘继续旋转，就像一个旋转的圆形机翼，从而可以实现高效率的悬停、高速飞行和垂直起降各种飞行模式的无缝过渡。
高速圆盘旋翼机
V-280
V-280是贝尔直升机公司继V-22成功以后推出的另一个FVL方案，属于第三代倾转旋翼机。V-280沿袭V-22的技术，但是作了诸多改进，如发动机改为固定安装。V-280最显著地外观特点是发动机短舱，尾翼也简化成V形。V-280速度可达519千米/时。
V-280倾转旋翼机
欧洲高速直升机的发展
欧洲直升机公司以EC155直升机的机身和旋翼系统为基础，研制X3高速直升机。2013年X3复合式直升机在飞行试验中创造了直升机飞行速度世界纪录，平飞速度达到了487千米/时。X3在单旋翼带尾桨构型基础上加装了固定翼和螺旋桨，它是一种全新组合构型直升机。X3采用2台涡轴发动机为旋翼提供动力，在机身两侧两个小翼上装配有一对前向螺旋推进器。
X3用途广泛，包括远距离搜索、海岸警戒、边境巡逻、成员运输、市内交通服务等。改装后可满足特种军事任务、兵员运输、战斗搜救和医疗后送等任务需求。
X3直升机
结束语
复合式高速直升机构型在较好保留直升机飞行使用特点的基础上，通过采取相应技术措施来提高飞行速度，从而可以显著提升其飞行效能，是高速直升机的研究重点，也是未来直升机的重要发展方向之一。由于高速直升机具有潜在的市场需求，所以世界主要国家正在积极推进高速用直升机的研制工作。高速直升机已成为直升机未来发展的主旋律，引领直升机技术的发展与创新。