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在2008年汶川大地震的救災過程中,直升機穿梭於崇山峻岭之間,架起了「空中生命線」,發揮了不可替代的獨特作用。但當時發揮主要作用的多是進口直升機。直-8作為唯一參加抗震救災的國產大型直升機,在救援抗災中雖有着出色表現,但其在滿載狀態下的使用升限只有4300米,導致高原飛行能力不足,很難在川西高原發揮更大的作用。中國亟須補齊高原直升機自主保障能力不足的短板,亟待呼喚一款真正為高原而生,具備全域、全時、全天候作戰能力的直升機。
讓國產直升機翱翔在青藏高原的廣袤天空,一直是國人、更是航空人的夢想與追求
直-20的研製計劃正式被提上日程,2010年,直-20正式立項,鄧景輝被任命為型號總設計師。直-20的研製是一項複雜的系統工程,涉及部門多、技術新、要求高、難度大,研製周期長,鄧景輝深知「關鍵核心技術靠化緣是要不來的」,必須攻克關鍵技術,走自主創新的道路。在他的帶領下,研發團隊經過多輪優化迭代、集智攻關,突破了旋翼防/除冰熱力學分析、加熱分區及控制律設計、加熱組件研製以及冰風洞試驗、防除冰噴洒塔試驗等關鍵技術,實現了國內旋翼防/除冰技術零的突破,填補了國產直升機在此項技術領域的空白,徹底解決了受制於人的局面,並拓展了國產直升機的使用包線,提升了直升機全天候使用和在高原等易結冰區域的作戰能力,真正做出了中國人的「爭氣工程」。
攻克旋翼防冰除冰技術
要研製具備全域、全時、全天候的直升機,旋翼防冰除冰技術是重中之重。眾所周知,直升機在飛行過程中經常會見到結冰雲層,結冰雲層的出現高度是0-5500米,結冰積雲的出現高度是1000-7000米,正好覆蓋直升機的常用活動區。而旋翼結冰是直升機結冰中最嚴重的情況,大氣中的過冷水滴會迅速聚集在高速旋轉的旋翼槳葉前緣並凝結成冰,沿展向發生變化,結冰的不確定性增大,造成氣動外形發生變化升阻比下降,旋翼的質量分佈改變導致的振動對發動機造成龐大壓力,也會使冰塊脫落時主軸瞬間震動可能受損,更別說甩出的冰塊對機上設備的破壞性了,如果這時直升機發動機功率不足,就很容易導致直升機墜毀,堪稱是一大直升機殺手。所以,想要研製、打造具備全域、全時、全天候的直升機,旋翼防除冰技術是必須解決的難題。
在直-20研發之前,我國國產直升機都不具備這種能力,而針對旋翼防除冰核心技術的複合材料槳葉內部埋設加熱組件等技術,長期以來都只有美國和法國掌握,例如美國的S-92、新黑鷹、歐洲的EH-101和超美洲豹直升機。旋翼防除冰技術需要對複合材料內埋加熱組件的熱功率密度進行精準控制,如果溫度高了可能燒壞槳葉,溫度低了又無法除冰,可能導致災難性的後果,此外加熱組件埋在槳葉中,如何在槳葉高速旋轉下保證組件的壽命和可靠性,涉及的技術問題非常複雜,因此也成為了美國和法國的不傳之秘。為了降低研製風險,加快研製速度,鄧景輝和科研團隊最開始考慮與某國相關機構合作,且雙方談妥了合作意向,但2012年2月在北京正式簽訂合作協議時,某國公司當場推翻承諾。面對某國方面的突然變卦,鄧景輝毫無心理準備,如同跌入冰窟。鎮定片刻後,他更加堅定地認識到,關鍵核心技術靠合作是不可能要到的,必須通過自主研發。
直-20的研製是一項複雜的系統工程,涉及部門多、技術新、要求高、難度大,研製周期長
在組建項目攻關團隊時,鄧景輝明確表示,旋翼防除冰技術只許成功不能失敗,決不能拖整個新機項目的後腿。
好在國內中航工業武儀在風標防除冰研究、電磁諧振式結冰信號器方面有技術積累,於是中航工業航空儀錶有限責任公司(武儀)與中航工業直升機研究所聯手開始了研製,研究主要在航空防除冰重點實驗室進行,因為這裡有着2座YBF-02儀錶冰風洞和結冰氣候室和YBF-05冰風洞,具備極好的條件。在此基礎上,鄧景輝團隊先後突破了集流環電源核心部件電刷、導電環材料技術、旋翼防/除冰熱力學分析、加熱分區及控制律設計、加熱組件研製以及冰風洞試驗、防除冰噴洒塔試驗、還增加了除冰智能控制模式設計,研製了XBJ-2結冰信號器、CJB-1結冰融冰探測系統等,一步一個腳印,終於攻克了直升機旋翼的防除冰技術,在經過大量測試後表明完全能滿足國產直升機的防除冰需求,於2018年1月全面通過驗證,實現了國內旋翼防冰除冰技術零的突破,真正做出了中國人的「爭氣工程」,徹底擺脫了中國直升機研發製造長期受制於他國的「憋屈」困境。
2018年2月,鄧景輝和科研團隊在西北海拔5000餘米的雪域高原完成最後一次試飛驗證的經歷,令他終生難忘。他告訴記者,往年中國直升機連海拔3000米地帶都不敢飛,而當時首次進入真實惡劣環境下驗證旋翼防冰除冰技術,風險極高,出現任何失誤或故障,機毀人亡事故將隨時出現,而他們無退路可選,必須迎難而上。跟隨他五六年的飛行團隊毫不畏懼進入駕駛艙,心無旁騖翱翔在冰雪高原,最終成功完成試飛驗證。當直升機平穩降落後,他和團隊人員欣喜若狂,奔向飛行員,緊緊相擁,喜極而泣。他們終於可以揚眉吐氣向全世界宣告:歐美國家能做到的,中國一定能做到。
旋翼防除冰技術是直20研製過程中的重中之重
率先採用電傳飛控系統
直-20的研製涉及了大量新技術的應用,旋翼防除冰只是其中的一環。目前,全球範圍內新一代直升機開始應用電傳飛控系統這一新興技術,包括美國的H-92、新黑鷹和俄羅斯的安薩特直升機。與傳統的機械飛控系統相比,電傳飛控能大幅降低直升機的重量並且提高飛行員的操控性,對於提升直升機的安全性能意義重大,因此成了新一代直升機的發展趨勢。
在直-20研製時,國內並沒有機型採用電傳飛控,國外的例子也寥寥無幾,因此是否採用電傳飛控就成了爭論的焦點,面對不同的聲音和質疑,鄧景輝關鍵時刻勇於擔當,決定一步到位直接採用電傳飛控,這並非是拍腦袋的盲目決定,而是建立在過往大量理論、軟件和硬件試驗的基礎上。
在電傳飛控系統工程應用初期,有人擔憂國內尚未有飛行員飛過含電傳飛控的直升機,直接上純電傳飛控系統是否過於激進,建議保留一套備份的機械操縱系統,避免出現顛覆性問題。鄧景輝帶領研發團隊通過深入分析,認為現有技術儲備足以支撐全權限電傳飛控系統在型號上的應用,同時備份機械操縱系統會大幅增加空機重量。最終他頂住壓力,毅然決定採用無機械備份的全電傳飛控系統,採用四餘度設計充分保障飛行安全,並通過分步實施、逐步放開權限等措施,有效化減試飛風險。先後通過演示驗證、多輪優化以及大量的試飛調參,突破了系統總體設計、控制律設計和舵機研製等關鍵技術,結束了我國沒有電傳飛控直升機的歷史。
為了確保飛行動力充足,直-20的發動機採用了我國自主研製的渦軸10
國產發動機
此外,為了確保飛行動力充足,直-20的發動機採用了我國自主研製的渦軸10。2017年,中國航發動力研究所聯合中國航發南方公司、動力控制所等十幾個單位組成聯合研發突擊團隊,最終攻克了渦軸10的研發難關,解決了直-20的動力問題。據媒體透露,渦軸10發動機它採用了針對高海拔地區的優異設計,使得發動機燃燒室在低壓/低含氧量/低溫條件下仍能高效充分燃燒作業,保證發動機有穩定的持續輸出功率。據悉,渦軸10額定功率為1600KW,緊急出力狀態下可達2000KW,不但遠超過渦軸9,而且也大大超過了黑鷹的T700!
值得一提的是,直-20所有部件都是國產,實現了國產化,即意味着直-20的出現,使中國直升機真正意義具備了全域、全時、全天候飛行能力。