第一章 绪论和设计思想

　　起源于朝鲜战争，发展于越南战争的低空武装攻击直升机在20世纪的90年代开始在军用飞行器领域里终于大放异彩。在两次海湾战争中，在已解体的南联盟上空，甚至在荒凉无人的阿富汗山脊中，AH-64“阿帕奇”重载挂弹，低空盘旋，在树梢高度倾泻火力的场景，几乎成了烙入人心的定格，甚至成为低空作战的代名词。与之并进的是国内国外的其他类似项目也相继推出了原型机并很快投入实用：虎，茶隼，猫鼬……低空的烈度迅速升级。

　　然而进入新世纪，随着反恐作战，城市作战和极度追求精度和信息化的“定点清除”种种新的课题和概念的产生，我们所面对的对手很可能不再是类似国家的主体，所处的不对称的环境让很多传统的高科技手段感到茫然。前述的那些“低空霸王”，“飞行坦克”所面对的作用形态与研制之初所设想的概念相去甚远。原来可以大肆逞威的空域突然对它们变得危机四伏。新的环境和作战形态对直升机的设计概念和设计方式都提出了新的挑战。

　　此次设计的“垂直风雷”直升机就是应对于上述独特的使用环境和概念所提出的新概念直升机。取名“垂直风雷”主要意指该机保有直升机的最大特点：垂直起降。同时，又有别于常规直升机的尾桨仅起平衡反扭矩的作用，通过尾桨组合体的旋转，能实现较高速度的飞行，力图突破一般直升机的速度局限，能快速抵达目标区域，且有强大的探测设备，并辅以必要的打击能，。因此在战场上能做到“雷厉风行”。

　　它的主要设计创新点有：

　　1 无人驾驶，机动能力强。它行动适应性强，可在狭窄的场地和舰船上垂直起降，能全自主飞行，具有良好的超低空和贴地飞行能力。它与有人直升机不一样。它不必担忧人员伤亡，也不会有因人员体力、精力疲乏而影响作战功能的问题。随时执行任务，可实现“零伤亡”战略战术。

　　2隐身外形，生存能力强。“垂直风雷”直升机的整体外形几乎全由直线构成带倾角的各几何面，倾角大多超过30°，可将雷达波偏转出去，而避开辐射源。由于无人隐形，所以提高了“垂直风雷”的任务弹性，使其能够执行多种常规直升机/飞机难以完成的任务，辅以完备的通讯侦查手段，完全可以充当战术级别的小型预警前哨机，这些使用上的新颖之处，将在下文详述。

　　3 一机多型，针对不同的任务作出不同的挂载。突发事件的不可预知性决定了各任务平台必须具备很强的适应性。“垂直风雷”的设计任务有前缘侦查，目标定位，还包括一定的打击任务等。“垂直风雷”通过加载短翼，选装针对不同任务的仪器设备和武器，最大程度上的满足多用途的要求。

　　4尾桨的复合构造保证了垂直起降性能和速度的兼顾。尾桨组合体既可以类似常规直升机尾桨，用作平衡主桨的反扭矩，也可以朝后旋转至于机体纵轴平行，即类似推进桨的作用，从而使直升机突破速度限制，较快的达到目标上空。同时也保留了直升机起落性能优良的特点。

　　5灵活新颖的使用。该“垂直风雷”直升机可以作为多种任务平台，既可以在常规战争中用作侦查，制导，又可以在城市作战，反恐作战中发挥其与传统直升机不同的特点。甚至可以通过数据链，做到编队作战，发展出很多崭新的高效的新作战模式。

　　第二章 设计概要

　　2.1“垂直风雷”直升机设计概要

　　旋翼直径　　　　　　　　　　　　　　　　　　　8.12m

　　尾桨直径　　　　　　　　　　　　　　　　　　　1.5m

　　机身长(不含尾桨旋转)　　　　　　　　　　　　　7.88m

　　旋翼桨盘面积　　　　　　　　　　　　　　　　　51.78m2

　　重量及载荷

　　空重　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　660kg

　　最大起飞重量　　　　　　　　　　　　　　　　　1300kg

　　任务燃油重量　　　　　　　　　　　　　　　　　360kg

　　性能数据

　　最大飞行速度　　　　　　　　　　　　　　　　　378km/h

　　巡航速度　　　　　　　　　　　　　　　　　　　320km/h

　　实用升限　　　　　　　　　　　　　　　　　　　5000m

　　图1 “垂直风雷”直升机的设计三视图(加短翼，尾桨未偏转)

　　机身短翼外挂点： 4个

　　可选装武器： 非制导火箭弹，电视制导导弹

　　图2 可选装的武器

　　2.2机身的隐形外形

　　现代电子探测技术的发展，对武装/侦查直升机生存力构成了严重的威胁。为了适应未来战场环境，使武装/侦查直升机在战争中具有良好的生存力和作战能力，“隐身性”已成为现代武装/侦查直升机的重要技术战术指标之一。

　　直升机是一个外形十分复杂的目标，它由多个部件组成。在雷达照射下每个部分都会产生反射波，有的部件可能同时产生散射机理不同的散射源。

　　由于“垂直风雷”直升机不存在飞行员，即不存在驾驶舱，因此可以较为方便地布置机头部分，也相当于减少了驾驶舱这一大的雷达波散射源。一般来说地面雷达和机载雷达的探测角大都处于飞机轴平面的正负30度范围之内，所以该机大部分表面的倾角都设计成大于30度，这样就可以将雷达波偏转出去，而避开辐射源。

　　“垂直风雷”直升机在设计机体表面外形时，尽量避免了开口，缝隙，凸起和台阶，使机体表面十分的光滑连续。机头较为尖锐，机身侧面由两半平面转角构成，避免了圆柱体和半球体所产生镜面反射的弊端；发动机藏入机身内部，进气道也由此设计成埋入式，避免了强烈的唇口效应，不会对雷达波形成强反射；机身短翼可拆卸。在执行高危的渗透或要地侦查时，可将机身短翼拆除，进一步减小RCS；桨毂虽然体积较小，但反射作用十分明显。在此旋翼桨毂和桨叶根部加装了整流罩，形成平滑过渡的融合体。

　　图3 紧凑的多面体机身和可卸短翼 图4 整流后的桨毂

　　2.3 进气/排气系统的创新

　　1973-2001年间全世界共有363架直升机被击落，其中97%毁于高炮，便携式防空导弹或空空导弹。其中便携式导弹是对直升机最经济，最致命的威胁。随着便携式防空导弹的武器系统化，使用车载，再配以雷达和光电搜索设备，目标捕获能力，火力反应速度和火力密度明显增强。而目前的便携式防空导弹，绝大多数采用的是热寻的的制导方式。发动机，和进气/排气系统是主要的热源。

　　直升机的生存技术涉及“不易被发现”，“发现后不易被瞄准或攻击”，“攻击后不易被击落”，和“被击落后保障飞行员人生安全”4个层次。对应的技术手段分别是隐形，告警与干扰，抗弹能力，耐坠毁能力。

　　隐形技术是提高直升机生存的顶层技术，是直升机的“贵族技术”。科曼奇将雷达反射截面缩小到OH-58的1/200，AH-64的1/600.但如果接近到目视距离，即从实用的较近距离的角度看，以低空活动为主的直升机并不需要防范远程雷达，当务之急还是躲避红外，光电和声学等探测系统。因而红外，声学隐形将是直升机生存技术的另一重点。

　　通过图5，图6的进气/排气系统可以看出：该直升机的发动机设计在机身的正前方，呈格栅状，在不破坏整体气动外形的同时保证了气动效率。同时排气口设置在尾粱下方。此布局的优点有：进气口，排气口分散布置。在避免集中热源的同时方便热气流的冷却；排气口分布在尾梁下方和机身后部两处。尾梁下方的排气以不同的两个角度向下排出，便于旋翼下洗流迅速将其吹散，与周围的冷空气相混和，可有效降低热信号。使来袭的热寻的制导的弹头难以追踪到目标从而大大提高了该机的生存力。

　　图5 尖削的机头和格栅进气道 图6 机身后部和尾梁下方的排气道

　　2.4 有别于常规的尾桨组合体

　　“垂直风雷”直升机有别于常规直升机的重要一点是：尾桨与平尾的组合体可由垂直于机身纵向轴线，偏转至与其平行；而平尾也可以绕着尾桨旋转轴偏转，在悬停和低速飞行时，该组合体工作方式和常规尾桨完全相同，系统拉力方向垂直于机身纵向轴线，用于高效克服旋翼的反扭矩并提供足够的航向操纵功效、提供航向气动阻尼。随着前飞速度的增加，该组合体将自动向前转向，这时，产生的总拉力，部分用于保证平衡旋翼产生的反扭矩，拉力矢量的前向分量随组合体向前偏转角的增大而逐渐增大，为直升机提供了向前的驱动力，而平尾也随着旋转轴旋转，起到配平和卸载的作用。当该系统偏转至和机身纵向轴线完全平行时，该系统拉力全部用于推进飞行，工作于尾桨尾流和机身前飞下洗流双重作用下的平尾此时完全垂直，成为垂直舵面，气流经过该舵面产生垂直于机体纵轴线的拉力，首先用来平衡反扭矩，其次也开始发挥航向增稳和航向辅助控制的作用。

　　常规布局的直升机的旋翼，在大速度飞行时将陆续出现前行桨叶激波、后行桨叶失速、桨尖涡干扰增强以及旋翼尾流冲击尾桨和垂尾等气动和动力学问题，尤其是后行桨叶失速问题的出现，导致了全机飞行阻力急剧增加、全机振动水平居高不下，大大限制了直升机飞行速度的提高。该构型的复合式直升机在前飞加速的前期仍需要桨盘前倾获得纵向加速度，而当转入到一定的前飞状态后，桨盘和机身可以不用再向前倾斜，此时依靠涵道螺桨的推进力就可克服机身的阻力从而实现加速飞行。

　　尾桨组合体与常规尾桨相比具有以下优点：

　　1)尾桨在偏转至于机体纵轴相平行时，实际作用相当于一个推进桨，可以大大的提高前飞速度；

　　2)可转向式设计，能兼顾悬停和前飞效能，在保留直升机起降方便的优点的同时，在一定程度上克服了直升机速度慢的缺点；

　　3)可取消旋翼前倾角，由此简化旋翼系统设计。同时，在任何速度下，机身均可保持水平姿态飞行，飞行阻力小。

　　图7 尾桨混合体的旋转过程

　　2.5 “垂直风雷”直升机的设计细节

　　近年发展起来的无轴承桨毂相对于带铰的传统桨毂重量大为减轻，结构大为简化。由此带来积极意义是当量废阻面积和耗油量的降低。无轴承桨毂的主要结构是单向复合材料制成的柔性梁, 柔性梁外端同桨叶相连接, 内端同固定在旋翼轴上的连接盘相连。柔性梁在保证一定的弯曲刚度和强度的情况下, 扭转刚度很低, 起到了挥舞、摆振和变距铰的作用。无轴承桨毂的优点: 桨毂结构简单, 零件数量少;具有很大的操纵功效, 因而改善了直升机的驾驶品质,这对要求大机动能力的武装直升机特别重要; 全复合材料结构, 破损安全性能好, 只需视情维护, 寿命长; 外形尺寸小, 阻力小, 重量轻。(见图8)

　　桨尖是桨叶的动压最高区, 前飞时动压变化最大的区域, 也是桨叶气动特性最敏感的位置。桨尖形状的改进,将大大改善桨叶的气动载荷分布、桨尖涡干扰、振动及噪声特性, 提高旋翼效率。试验研究表明后掠桨尖能消除压缩性影响, 减少前行桨叶上的速度峰值; 由于桨尖翼弦变小, 使边缘涡流密度减小, 又延缓了后行桨叶的气流分离。因此, 大大改善了旋翼的气动特性。该桨尖形如蹼状(见图9), 其优点是既可推迟前行桨叶激波失速, 又可延缓后行桨叶气流分离。

　　本机针对无人机体积小，内容积有限的局限，采用了橇式起落架(见图11)，节省了内部空间。同时，起落架在机身上多点支撑，传力路线较广，便于分散着落时的冲击载荷。

　　现代战争已经证明告警和干扰技术对直升机的不可或缺性，因此设计中在旋翼下方，机身的背脊部位嵌入了一套红外干扰/告警机(见图13)。该机能提供不需要提示的全向干扰，能有效防御便携式导弹。

　　图8 无轴承旋翼 图9 蹼状桨尖

　　图10 尾桨组合体 图11 多点支承的橇式起落架

　　图12 搜索/火控的光电转塔 图13 安装在旋翼下机身背脊的红外干扰/告警机

　　第三章 直升机使用的创新

　　如前所述，随着直升机使用环境的改变，在不对称前提下，真正要在保证自身安全的前提下做到“你打你的，我打我的”，必要条件是及时准确，全方位的感知一切信息。

　　“垂直风雷”直升机的一般作战过程是：接受作战任务——制定作战计划——飞往目标区域——巡逻待机——攻击/向后方发出作战建议。指控站在接到作战任务后，依据最新电子侦察情报和对目标特性的了解，借助地面控制车上的任务编程器制定作战计划，然后实施发射。直升机便按照预先设定的飞行计划和已规划的航路自主飞往目标区域，到达后则搜索和截获目标，按优先级对目标进行搜索和跟踪。

　　图14 “垂直风雷”直升机城市巡逻想象图

　　3.1 城市/反恐作战中的使用

　　在城市作战/反恐作战中，“垂直风雷”直升机的使用可以概括为三个阶段：

　　1，“垂直风雷”直升机通过GPS控制的飞行控制系统，先于其他传统武装力量和各种传统平台，到达已被划分为若干个数字标记的待侦查的未知区域，如命名, district ⅰ, district ⅱ…使用前视红外技术，结合CPS定位，激光测距/指示和视频传输手段，对远距目标进行昼夜探测，识别和地面定位。即使是在黑夜，也可以通过星光级的低照度摄像机向后方的监控人员及时地发回可信度高的图像。值得注意的是：此阶段的无人机的主要任务是侦查和定位，而非对各软，硬目标的直接打击。此时正好发挥“垂直风雷”直升机的两个最重要优点：(1)，无人驾驶，可以直接深入对敌情报最缺乏的地区而不必担心人员的伤亡；(2)，低红外，可见光，声学探测信号，提供了“垂直风雷”直升机较为强大的生存能力，便于其能长期，有效地发挥作用。

　　根据先导机发回的目标区域态势，该机及后续机可自动编辑航线脱离或进入目标区域，选择在防空火力的盲区渗透，增强生存力。(见图15)

　　图15 执行侦查任务的机组编队(注意其构型和外挂的不同)

　　2，在明确其所处区域动态的基础上进一步掌握周边信息，对各可视目标进行第一轮的打击。此时在前导机的指示下，多架“垂直风雷”直升机陆续到达威胁空域。与前导机不同的是，这批“垂直风雷”直升机基于不同任务的弹性，可不再过于强调探测性和隐身能力，相应的可将多余的载重挂弹起飞。在机群中，每架“垂直风雷”直升机都有自己独立的IP地址，各有不同的设备和任务，组成一个灵活的整体，并于后方的固定翼预警机和指挥系统联网，共同侦查战区，并做到情报的及时更新。对于先发现的，威胁明显的，战机紧急的目标，可由“垂直风雷”直升机立即执行“发现-打击”。(见图16)

　　图16 在“垂直风雷”的指引下，武装直升机飞赴目标区域

　　3，毕竟“垂直风雷”直升机由机身设计和任务所限，载弹量和火力持续强度有限，它们最终的任务是引导有人操纵兵器来完成任务。“垂直风雷”直升机在此阶段的任务是为武装直升机，固定翼攻击/战斗机指引目标，或者充当中继照射平台，保证打击的精度，同时保证各有人操纵平台远离危险的近距离接触。综合车臣战争和海湾战争中的各城市战例，信息的不对等将迅速缩小武器的代差，导致进攻方的大量伤亡。因此，在不得不由步兵和装甲车辆通过该区域或武装占领时 ，“垂直风雷”直升机提供全程的引导。做到不再使本方在明，敌在暗。为我方的武装占领提供预警和信息支持。(见图17)

　　图17 掩护装甲部队和人员

　　3.2“垂直风雷”直升机在海军中的使用

　　1，直升机上舰对于提高舰艇的战斗力具有十分重要的作用，但由于中小舰艇的容积有限，搭载有人驾驶直升机不太现实。而“垂直风雷”直升机的研发使中小舰艇装备直升机成为可能。“垂直风雷”直升机的高适应性和战场感知能力，对电子设备装备缺乏，发现目标手段单一的中小舰艇具有实际意义。而其隐身，体积小巧的特点也十分适合强调先敌发现，隐蔽接近，突然一击的隐身导弹艇的搭载。

　　2，为大型舰艇或编队作为前突的通信，制导中端。现代反舰/巡航导弹的射程早已超过视距内的海平面，为其制导成为难题。众所周知的是：海平面的形状远较地面简单平整，这就是说直升机的天然屏障—地面杂波已不复存在。此时直升机的低可探测性就有更高的实战价值。“垂直风雷”直升机可在远离载舰的空域为导弹进行指导，在此期间载舰可以作大范围的机动规避敌人的打击，它甚至可以携带武器，监视水面，投掷水声传感器，为舰队提供初级的反潜。(见图18)

　　图18 为大型舰只提供中继导航和海面监视

　　第四章 总结和展望

　　“垂直风雷”直升机的提出，是基于作战思路的变化和使用对象的模糊化。由此发展出一套于之相适应的，使用弹性高的性能特点。例如：可旋转的尾桨组合体在保证了优良起降性能的同时赋予了该机高速的有点；可拆卸的短翼和选择多样的武器挂载方案使该机的任务灵活性大大提高；另外，辅以先进的通讯/侦查手段，该机能够以单机/机组编队等多种组合为使用单位带来新的有价值的使用课题。而常规使用和非对称作战的通用保证了适用性广，使用率高的优点。

　　在设计细节方面主要创新点有：

　　1，可旋转的尾桨组合体；

　　2，多面体隐性机身；

　　3，独特的能有效抑制红外和热源信号的进气/排气系统；

　　4，无轴承旋翼和先进的桨尖几何外形设计；

　　5，完备的光电系统和干扰/告警系统。

　　综上所述，“垂直风雷”直升机具有相当的先进性，但我深知先进绝不是技术的堆砌和虚幻的想象。飞行器设计的困难和突破都在于基础知识积累的深度和广度，以此才能带来厚积薄发。但这次飞行器创新设计的意义在于，让知识插上了想象的翅膀，让应用暂时脱离了书本的束缚。所以我认为“垂直风雷”直升机仍然很有意义，并期待在以后的继续学习中不断深入认识它，改造它。

　　相关专题：第三届飞行器设计大赛