直-20,让中国人的直升机自由飞行

在2008汶川大地震的救灾过程中,直升机穿梭于崇山峻岭之间,架起了“空中生命线”,发挥了不可替代的独特作用。但当时发挥主要作用的多是进口直升机。直-8作为唯一参加抗震救灾的国产大型直升机,在救援抗灾中虽有着出色表现,但其在满载状态下的使用升限只有4300米,导致高原飞行能力不足,很难在川西高原发挥更大的作用。中国亟须补齐高原直升机自主保障能力不足的短板,亟待呼唤一款真正为高原而生,具备全域、全时、全天候作战能力的直升机。

让国产直升机翱翔在青藏高原的广袤天空,一直是国人、更是航空人的梦想与追求

直-20的研制计划正式被提上日程,2010年,直-20正式立项,邓景辉被任命为型号总设计师。直-20的研制是一项复杂的系统工程,涉及部门多、技术新、要求高、难度大,研制周期长,邓景辉深知“关键核心技术靠化缘是要不来的”,必须攻克关键技术,走自主创新的道路。在他的带领下,研发团队经过多轮优化迭代、集智攻关,突破了旋翼防/除冰热力学分析、加热分区及控制律设计、加热组件研制以及冰风洞试验、防除冰喷洒塔试验等关键技术,实现了国内旋翼防/除冰技术零的突破,填补了国产直升机在此项技术领域的空白,彻底解决了受制于人的局面,并拓展了国产直升机的使用包线,提升了直升机全天候使用和在高原等易结冰区域的作战能力,真正做出了中国人的“争气工程”。

攻克旋翼防冰除冰技术

要研制具备全域、全时、全天候的直升机,旋翼防冰除冰技术是重中之重。众所周知,直升机在飞行过程中经常会见到结冰云层,结冰云层的出现高度是0-5500米,结冰积云的出现高度是1000-7000米,正好覆盖直升机的常用活动区。而旋翼结冰是直升机结冰中最严重的情况,大气中的过冷水滴会迅速聚集在高速旋转的旋翼桨叶前缘并凝结成冰,沿展向发生变化,结冰的不确定性增大,造成气动外形发生变化升阻比下降,旋翼的质量分布改变导致的振动对发动机造成庞大压力,也会使冰块脱落时主轴瞬间震动可能受损,更别说甩出的冰块对机上设备的破坏性了,如果这时直升机发动机功率不足,就很容易导致直升机坠毁,堪称是一大直升机杀手。所以,想要研制、打造具备全域、全时、全天候的直升机,旋翼防除冰技术是必须解决的难题。

在直-20研发之前,我国国产直升机都不具备这种能力,而针对旋翼防除冰核心技术的复合材料桨叶内部埋设加热组件等技术,长期以来都只有美国和法国掌握,例如美国的S-92、新黑鹰、欧洲的EH-101和超美洲豹直升机。旋翼防除冰技术需要对复合材料内埋加热组件的热功率密度进行精准控制,如果温度高了可能烧坏桨叶,温度低了又无法除冰,可能导致灾难性的后果,此外加热组件埋在桨叶中,如何在桨叶高速旋转下保证组件的寿命和可靠性,涉及的技术问题非常复杂,因此也成为了美国和法国的不传之秘。为了降低研制风险,加快研制速度,邓景辉和科研团队最开始考虑与某国相关机构合作,且双方谈妥了合作意向,但2012年2月在北京正式签订合作协议时,某国公司当场推翻承诺。面对某国方面的突然变卦,邓景辉毫无心理准备,如同跌入冰窟。镇定片刻后,他更加坚定地认识到,关键核心技术靠合作是不可能要到的,必须通过自主研发。

直-20的研制是一项复杂的系统工程,涉及部门多、技术新、要求高、难度大,研制周期长

在组建项目攻关团队时,邓景辉明确表示,旋翼防除冰技术只许成功不能失败,决不能拖整个新机项目的后腿。

好在国内中航工业武仪在风标防除冰研究、电磁谐振式结冰信号器方面有技术积累,于是中航工业航空仪表有限责任公司(武仪)与中航工业直升机研究所联手开始了研制,研究主要在航空防除冰重点实验室进行,因为这里有着2座YBF-02仪表冰风洞和结冰气候室和YBF-05冰风洞,具备极好的条件。在此基础上,邓景辉团队先后突破了集流环电源核心部件电刷、导电环材料技术、旋翼防/除冰热力学分析、加热分区及控制律设计、加热组件研制以及冰风洞试验、防除冰喷洒塔试验、还增加了除冰智能控制模式设计,研制了XBJ-2结冰信号器、CJB-1结冰融冰探测系统等,一步一个脚印,终于攻克了直升机旋翼的防除冰技术,在经过大量测试后表明完全能满足国产直升机的防除冰需求,于2018年1月全面通过验证,实现了国内旋翼防冰除冰技术零的突破,真正做出了中国人的“争气工程”,彻底摆脱了中国直升机研发制造长期受制于他国的“憋屈”困境。

2018年2月,邓景辉和科研团队在西北海拔5000余米的雪域高原完成最后一次试飞验证的经历,令他终生难忘。他告诉记者,往年中国直升机连海拔3000米地带都不敢飞,而当时首次进入真实恶劣环境下验证旋翼防冰除冰技术,风险极高,出现任何失误或故障,机毁人亡事故将随时出现,而他们无退路可选,必须迎难而上。跟随他五六年的飞行团队毫不畏惧进入驾驶舱,心无旁骛翱翔在冰雪高原,最终成功完成试飞验证。当直升机平稳降落后,他和团队人员欣喜若狂,奔向飞行员,紧紧相拥,喜极而泣。他们终于可以扬眉吐气向全世界宣告:欧美国家能做到的,中国一定能做到。

旋翼防除冰技术是直20研制过程中的重中之重,在组建项目攻关团队时,邓景辉明确表示,旋翼防除冰技术只许成功不能失败

率先采用电传飞控系统

直-20的研制涉及了大量新技术的应用,旋翼防除冰只是其中的一环。目前,全球范围内新一代直升机开始应用电传飞控系统这一新兴技术,包括美国的H-92、新黑鹰和俄罗斯的安萨特直升机。与传统的机械飞控系统相比,电传飞控能大幅降低直升机的重量并且提高飞行员的操控性,对于提升直升机的安全性能意义重大,因此成了新一代直升机的发展趋势。

在直-20研制时,国内并没有机型采用电传飞控,国外的例子也寥寥无几,因此是否采用电传飞控就成了争论的焦点,面对不同的声音和质疑,邓景辉关键时刻勇于担当,决定一步到位直接采用电传飞控,这并非是拍脑袋的盲目决定,而是建立在过往大量理论、软件和硬件试验的基础上。

在电传飞控系统工程应用初期,有人担忧国内尚未有飞行员飞过含电传飞控的直升机,直接上纯电传飞控系统是否过于激进,建议保留一套备份的机械操纵系统,避免出现颠覆性问题。邓景辉带领研发团队通过深入分析,认为现有技术储备足以支撑全权限电传飞控系统在型号上的应用,同时备份机械操纵系统会大幅增加空机重量。最终他顶住压力,毅然决定采用无机械备份的全电传飞控系统,采用四余度设计充分保障飞行安全,并通过分步实施、逐步放开权限等措施,有效化减试飞风险。先后通过演示验证、多轮优化以及大量的试飞调参,突破了系统总体设计、控制律设计和舵机研制等关键技术,结束了我国没有电传飞控直升机的历史。

为了确保飞行动力充足,直-20的发动机采用了我国自主研制的涡轴10

国产发动机

此外,为了确保飞行动力充足,直-20的发动机采用了我国自主研制的涡轴10。2017年,中国航发动力研究所联合中国航发南方公司、动力控制所等十几个单位组成联合研发突击团队,最终攻克了涡轴10的研发难关,解决了直-20的动力问题。据媒体透露,涡轴10发动机它采用了针对高海拔地区的优异设计,使得发动机燃烧室在低压/低含氧量/低温条件下仍能高效充分燃烧作业,保证发动机有稳定的持续输出功率。据悉,涡轴10额定功率为1600KW,紧急出力状态下可达2000KW,不但远超过涡轴9,而且也大大超过了黑鹰的T700!

值得一提的是,直-20所有部件都是国产,实现了国产化,即意味着直-20的出现,使中国直升机真正意义具备了全域、全时、全天候飞行能力。

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