背景介绍     

直升机的特殊功能体现其在航空器中的优势，但自上世纪70年代以来，直升机在飞行性能、噪声控制等方面并没有突破性的进展，现代直升机研发在注重基本性能的同时，其竞争力主要体现在保障性、经济性、舒适性等综合性能上。但现代直升机仍存在三个不可回避的缺点：一是噪声大；二是速度低；三是振动大。如果这三个问题得到解决，直升机将是完美的飞行器。造成这三个缺点的原因是直升机构型决定的，旋翼是直升机的唯一升力面，同时又是操纵面，其设计已接近物理学极限，旋翼桨盘面必然会出现升力不对称的现象，即直升机飞行时前行桨叶和后行桨叶的气动状态是不一样的，出现后行桨叶失速、前行桨叶马赫阻力以及回流区，这种现象导致了直升机不能高速飞行和并产生较大振动和噪声。

图1 西科斯基公司的X2直升机

从目前技术状况看，要同时解决这两三个问题很难，只能分别解决。对第二个缺点，目前有一些新构型直升机的发展，称之为高速直升机，如西科斯基公司的X2和欧直的X3，可将直升机的巡航速度由时速300千米提高到400～500千米，并且已通过原理样机飞行演示验证，预计10年后，会逐步投入使用。对第三个缺点，目前采取振动主动抑制技术，可使驾驶员乘员处的振动水平控制在0.05g，这个问题可望得到解决。第一个缺点，欧美国家已开展大量研究，不但要降低噪声对环境的污染也要降低发动机排放物污染，并已取得初步的成果，这类直升机称绿色直升机。    

直升机的未来趋势：绿色直升机

直升机在使用过程中所引起的周边环境变化，或多或少会侵扰周边的居民，主要包括直升机外部噪声引起的噪声污染和发动机排放物引起的空气污染。直升机与固定翼飞机不同，为了避免这些污染，固定翼飞机可以将机场建在城市周边；但是直升机的应用强调低空和运输便捷性，一般距离较短，如果机场建在城市周边，会降低直升机的使用价值。因此，对直升机引起的外部环境污染的有效控制是绿色直升机的特征，是直升机适用性的重要指标。降低噪声和发动机排放物的污染技术称之为绿色直升机技术。

图2 直升机噪声水平发展趋势

 2008年2月5日，欧盟启动了“洁净天空计划”（Clean Sky），该计划由欧盟和与飞机相关行业共同完成，目标是为未来飞机开发绿色环保技术。作为“洁净天空”计划六个项目之一的“绿色旋翼机”（Green Rotorcraft）项目，要求直升机削减10分贝噪声；涡轴直升机的二氧化碳排放量减少26%，发动机本身的改进必须降低10%的二氧化碳排放量，另外气动布局和系统方面的改进必须降低16%二氧化碳排放和65%的氮氧化物排放量。

2009年3月，美国国防预先研究计划局（DARPA）启动任务自适应旋翼（MAR）项目，项目设定了明确的性能目标：有效载荷增加30%；航程增大40%；旋翼声学可探测范围减小50%；旋翼诱发振动减少90%。作为最低要求，该技术不得降低直升机的速度、灵敏性和有效性。

这两个研究项目为直升机环境保护技术的发展指明了方向，也提出了未来民用直升机的设计方向。因此，降低噪声污染和发动机排放污染的绿色直升机技术，是未来民用直升机必然的发展方向。

                                            直升机降噪技术发展

1、直升机的外部噪声源      

直升机的外部噪声主要来自旋翼、尾桨和发动机。在直升机的三种外部声源中，尾桨和发动机噪声都属于高频部分，在空气中衰减速度快，旋翼噪声是直升机外部噪声的主要成分，因此目前直升机外部降噪研究主要针对旋翼开展。（如下图3所示） 

图3 直升机外部噪声源

2、旋翼气动布局设计

通过旋翼桨叶气动外形优化降低旋翼噪声的技术属于被动降噪技术，主要是通过对翼型、扭转角、桨尖等气动布局参数优化进行低噪声旋翼设计。当前流行的旋翼被动降噪主要通过先进桨尖优化开展旋翼降噪设计，包括采用后掠、尖削、下反、BERP等桨尖形式，国际上先进的直升机公司均拥有自主发展的桨尖构型。

欧直公司开展的旋翼气动噪声优化项目（ERATO）在旋翼被动降噪设计领域进一步向前发展。该项目研究的“蓝边”桨叶是一个创新型桨叶设计概念，“蓝边”桨叶通过减小桨尖弦长的设计降低桨尖涡强度，通过非均匀的弦长分布和前掠再后掠的弯曲形弦线分布设计避免桨尖涡与桨叶平行干扰产生大的噪声；通过先进的翼型并降低翼型厚度降低旋翼的厚度噪声和载荷噪声；通过后掠、优化的桨尖避免桨尖的气动分离。“蓝边”桨叶独特的设计使其外形大异于常规桨叶。

“蓝边”桨叶已经在一架EC155直升机上接受了大量的疲劳和飞行试验。截至2010年底，试验已经获得了令人满意的结果，直升机安装了‘蓝边’桨叶后，在工作条件进行近地飞行时，地面感知噪声能够减少3～4分贝。 

图4 “蓝边”桨叶

3、主动襟翼旋翼

主动襟翼旋翼概念是将桨叶某段的后缘部分通过襟翼代替，通过作动器或智能材料按一定的策略进行驱动，能够有效降低旋翼的桨涡干扰和失速，从而降低旋翼振动和噪声。

图5  主动襟翼

西科斯基公司在智能旋翼项目中重点开展旋翼桨叶上放置前缘和后缘装置进行降低振动和噪声的研究。通过研究让旋翼桨叶前缘或后缘襟翼在某个频率下运行，从而使得桨叶处于前行侧时具有较好的阻力发散特性，运行到低速后行侧时具有较好的失速特性。

欧直公司还研发了通过双襟翼特殊设计降低桨涡干扰噪声的ADASYS旋翼。双襟翼通过压电材料装置进行驱动，每分钟周期运动15～40次，从而改变桨叶的气流和运动，降低直升机降落时的振动和噪声。最有效的飞行状态，能够减少5分贝的噪声。

 4、自适应旋翼

直升机旋翼在旋转过程中，桨叶翼尖会产生螺旋状的气涡。当后一片桨叶击中这个气涡时，桨叶表面的压力会突然变化，由此引发类似鞭打的声音。旋翼在高速转动时，这种“鞭打”声密集地出现，从而产生响亮的爆震声。在巡航飞行中，由于桨叶产生的气涡被气流快速带离旋翼表面，桨叶击打气涡的几率很小，因此这种声音并不显著；而在直升机起飞、悬停、靠近地面降落过程中，由于直升机速度很低、气流平缓，气涡就会停留在桨叶翼尖部，使得每个桨叶都击打到前一个桨叶产生的气涡，旋翼噪音就异常显著。

旋翼的气动振动则主要发生在直升机巡航飞行过程中，是由于旋翼产生升力的不对称而引起的。在飞行中，与直升机飞行方向一致的旋翼前行桨叶相对于空气的速度较快，桨叶产生的气动升力要大一些；而后行桨叶相对于空气的速度较慢(失速)，产生的气动升力相对较小，这样，在整个旋翼面就出现升力的不平衡，引起旋翼乃至直升机机体的振动。自适应旋翼是目前最先进的旋翼设计理念，其设计思想是通过在桨叶中内置压电材料作动器，桨叶能够根据桨叶气动环境的变化改变形状，包括扭转、弦长、桨尖形状等，从而确保桨叶具有最佳的气动性能，并能最大限度的降低噪声。

自适应旋翼系统降噪、减振的基本原理是：在旋翼桨叶后缘安装由作动机构驱动的副翼，副翼在电子系统的控制下快速摆动。在起飞、悬停、降落过程中，副翼间歇性地上下快速摆动，可以改变桨叶相对于气流的攻角，从而改变螺旋气涡的状态，使其位于旋翼翼面的上方或下方，避免后来的桨叶与气涡发生撞击，从而消除噪声。而在巡航飞行中，桨叶副翼角度的变化可以补偿各桨叶间的升力差，从而大幅度降低直至消除这种气动振动。

美国国防预先研究计划局领导的自适应旋翼（MAR）项目是这方面研究的典型代表。项目要求设计并研发出一种“变形”旋翼系统来改进直升机的整体性能，该系统的旋翼可改变很多参数，包括长度、后掠角、弦长、翼型弧度、桨尖形状、扭转角、刚度以及其他参数。 

德国科研人员在BK-117直升机(EC-145的早期型号)上试验了自适应旋翼技术。

图6 EC-145直升机

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