认知直接升学机划代标准:桨毂结构如何发展?

  出品:科普中国军事科技前沿

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  直升机的机体材料发展是紧密贴合着直升机整体技术换代的。正所谓一代材料一代飞行器,材料的发展除了影响着发动机的耐热性及桨毂的可靠性外,自然还影响着直升机机体构造。

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同一植物,环境不同,其根系构型(根系结构及空间造型)可随之变化,但谁在主导这种“随机应变”?在学术界,这一问题尚未定论。近日,山东农业大学李传友、陈谦科研团队发现了主导植物根系构型变化的“指挥官”,揭示了根系可塑性发育过程中根尖干细胞不对称分裂的分子机理,为作物优质抗逆育种提供了坚实的理论基础。这项成果近日刊登在《美国科学院院报》和《植物生理》上。

  作者:程笑颜工作室

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图:国内首架医疗构型AW139直升机问世。

根是植物最重要的营养器官。前期研究发现,同一基因型的植物在不同环境条件下,根系构型可以发生巨大变化。这其中,根尖干细胞通过持续、协调的分裂、分化程序,形成根尖分生组织和根冠组织,成为根系可塑性中至关重要的因素。多年来,对植物的根进行改良性塑造,提高其适应不良环境的能力以及对土壤养分的资源利用率,增强其对病虫害等抗性,是研究人员的梦想。

  监制:光明网科普事业部

  监制:光明网科普事业部

  各年代直升机对复合材料的使用比例

2016年1月13日消息:2016年1月8日,金汇通航完成了国内首架医疗构型直升机AW139的改装。自此,中国拥有了首架中型双发级别的专业医疗救援直升机,为中国直升机空中医疗救援的发展添上了浓墨重彩的一笔。这是继2015年完成阿古斯塔直升机全国巡演飞行任务后,金汇通航的又一重大创举。

李传友、陈谦团队发现,转录中介体调控根系径向发育进程,转录延伸因子调控干细胞生理活性。在进化上高度保守的转录中介体亚基MED31通过控制根尖干细胞功能,维持核心转录因子SHR-SCR介导的时空特异性转录输出,从而调控干细胞的不对称分裂。这一研究成果揭示了转录中介体在“沟通”转录因子和通用转录机器中的作用方式。转录延伸因子复合体通过根尖干细胞核心转录因子SHR,调控干细胞生理活性。它通过整合外部环境信号和内部发育信号,调整根系生长发育进程,从而适应外部环境的变化,在植物生长发育和抵御逆境胁迫过程中发挥重要作用。

  自1939年9月14日,美籍俄裔工程师西科斯基发明了VS-300型直升机并成功首飞以来,直升机的历史已逾79年。在79年的漫长岁月里,随着现代科技与工业的不断进步,直升机的各项性能与指标也经历了大规模地进化。进化与积累最终引起了质变,进而在直升机间产生了代差。直至今日,直升机已经历了四次质变,发展出了四代直升机。

  在上篇中,我们介绍了如何从发动机的角度对直升机进行划代(《认识直升机划代标准:各代发动机构型如何变化?》)。今天我们则要系统性地介绍直升机划代的第二大标准——桨毂。

  在第一代直升机上,世界各国工程师受限于当时的材料水平,普遍采用了全金属铆接式机身,如中国的直-6型直升机,其采用变截面金属半硬壳铆接技术分别制造前机身,后机身与尾梁,而后焊接而成。再如美国贝尔-47型直升机,由于技术更加原始,其尾梁甚至直接采用钢制桁架焊接而来,无论是钢材料本身的重量问题还是桁架尾梁带来的空气阻力问题都十分突出。这也是技术的限制直接作用于直升机设计上的表现。

直升机医疗设备改装

  想对直升机划代,必须先认识直升机的划代标准。而标准主要包括四大项指标。它们分别是:发动机、桨毂、飞控与机体材料。

  桨毂是直升机旋翼传动轴与旋翼桨叶的连接结构,它的主要作用有两点,一是将传动轴动力传递给旋翼,二是控制旋翼桨叶在三个方向上的运动来实现直升机机动。除此以外,桨毂还直接影响着直升机桨叶的寿命及噪音水平。由此可见,在一架直升机的设计中,桨毂的作用至关重要。如果说发动机是直升机的肌肉,那么桨毂就是直升机的骨骼!

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改装后的AW139直升机配备了国际认证的航空医疗装备,包括机上医疗担架、除颤仪、心电监护仪、呼吸机、输液泵、吸痰机和氧气模块,可保证飞行途中病人生命体征的稳定以及必要时的紧急救护。

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  使用钢制尾梁的贝尔-47一代直升机

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  世界上第一台直升机——西科斯基VS-300

  直升机的骨骼——桨毂

  而到了第二代直升机,虽然机身框架与蒙皮的材料依然为金属,但是随着轻质铝合金的运用,各国二代直升机在重量控制上有了一些进步,如苏联的米-10重型直升机,其蒙皮采用铝合金焊接。而到了1967年,苏联在二代直升机米-8的设计上甚至加入了钛合金材料,米-8的中机身顶部隔框与桁条均由钛合金制造,并与钛合金蒙皮一体式铆接而成。新型金属材料的运用降低了二代直升机的单位重量,这对直升机载荷与高空高原运输能力的提升有着不小的意义。

图:国内首架医疗构型AW139直升机问世。

  首先是发动机。

  直升机通过加大或减小旋翼的迎角,在转速不变的情况下改变旋翼升力,使直升机在垂直方向上下移动,这种改变旋翼迎角的运动叫做变距。当每片旋翼固定旋转到前方时将迎角减小,旋转到后方时将迎角加大,这种运动被称为周期变距。通过周期变距,直升机将会整体向着前方倾斜,这时由于旋翼盘有了一定倾斜角度,因此在产生升力的同时也会产生向前的推力,推动整个直升机前行,同样的原理还可以控制直升机的后退与左右偏移。而如果周期变距力度加大,直升机甚至会整个滚转起来,中国风雷直升机表演队的“筋斗”动作就是如此完成的。因此,桨毂必须拥有变距能力,这是直升机机动的核心。

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培训和科目模拟演练

  第一代直升机使用的动力系统均为星型活塞发动机。如美国的贝尔-47直升机,采用一台莱康明V0-435-A1B星型6缸活塞发动机,最大输出功率153千瓦。苏联的米-4直升机,采用一台活塞-7星型14缸活塞发动机,最大输出功率1301千瓦。中国的直-5直升机即为苏联米-4的仿制产品。同样使用活塞-7发动机。活塞发动机有着油耗低,结构简单,燃烧温度低,寿命较长等优点,很适合作为早期直升机动力。但是,活塞发动机扭矩小,超频冗余度低,进气密度不足等缺点却严格限制着直升机的最大速度,实用升限以及机动性。因此,工程师们开始把目光转向了一种新的动力——涡轴发动机。

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  开始尝试使用钛合金材料的米-8直升机

2016年1月11日,金汇通航举办了首次直升机空中救援的内部培训,从航空医学、飞行安全、飞机维护、运行规范等方面进行了一次全面的梳理和讲解,给飞行、机务、航务等工作人员灌输了国际先进的理念和思想,为后续系列化专业培训打下扎实的基础。

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  武装直升机通过周期变距进行向后翻滚

  时间到了二十世纪七十年代,随着各国材料力学水平的不断进步,复合材料与新型合金材料开始大面积应用于第三代直升机。如苏联的米-28浩劫武装直升机,其复合材料比例占到了机体总重量的25%,而竞争对手卡莫夫设计局的卡-50直升机则应用了占机体总重30%的复合材料,与此同时,卡-50机体主结构采用第三代铝合金盒型梁制造。再如法宇航AS-365海豚轻型直升机,其机身树脂基复合材料比例达到了25%。而蜂窝状铝合金夹层也应用于其机身蒙皮、地板、涵道垂尾与整流罩等部位。复合材料更轻薄的质量与更强的韧性有效的提升了三代直升机的机体寿命,且进一步降低了自重,为载荷能力腾出了空间。

2016年1月12日上午,在金汇通航上海基地,就关于机载医疗设备的安装与操作规范进行了现场培训。除了对机上医疗设备的安装、使用规范的讲解外,金汇通航医疗顾问还在现场为大家演示了地面救护、病人登机、病人离机、机上医疗照护的规范操作流程,同时还演示了机上医护人员跟飞行员的沟通程序。

  星型活塞发动机(图片来源于百度图片)

  而为了抵消直升机飞行速度改变带来的风阻变化,旋翼还应具备改变后掠角来抵消风阻的能力,这种运动被称为摆振。同样,在直升机遇到侧风时机身倾斜,如同人们歪着身子骑自行车,此时整个旋翼盘也随直升机一起倾斜于地面。想要在这种状态下恢复水平,则需要低处旋翼向上摆动,高处旋翼向下摆动来将整体旋翼盘水平于地面,这种动作被称为挥舞。

  第四代直升机机体材料的发展主要集中在两点。一是进一步加大复合材料占机体总重量的比例,二是采用新概念材料。如欧洲的NH-90直升机,其树脂基复合材料比例高达95%,而空客直升机集团最新研制的H-160直升机,更是号称全复合材料制造,整机机体找不到一块金属结构。这样高比例的采用轻质材料,无疑大幅度提升了直升机的性能冗余度。第二方面,对新概念材料的运用也在各国的四代直升机上有所体现。如美军的RAH-66科曼奇武装侦查直升机,其蒙皮涂抹有吸收雷达波反射的隐身涂料,大幅度提升了该直升机的突防侦查能力。增加了战场存活率。而英国的EH-101灰背隼直升机,则大量采用航天工业级别的铝锂合金制造,因此其具有13吨级直升机中顶级的性能。

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  控制旋翼完成变距,摆振,挥舞,这就是桨毂的三大任务。自出现至今,桨毂经历了三次大的改进。而桨毂的更新换代,正是围绕着如何优化这三个动作而来的。

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图:国内首架医疗构型AW139直升机问世。

  中国直-5型第一代直升机(图片来源于哈飞集团官网)

  第一代桨毂为金属全铰接式桨毂,其变距,摆振,挥舞三个动作全部由金属轴承与铰链完成,采用金属全铰接式桨毂的直升机典型代表有苏联的米-4,美国的CH-47支奴干以及中国的直-8直升机。从以上这些例子不难发现,金属全铰接桨毂的使用机型并非仅限于米-4这样的一代直升机,而是包含了直-8与支奴干这样的二代直升机。事实上桨毂对直升机划代的影响与发动机不同,每一代发动机直接改变着直升机的代差。而一代桨毂却可以相继应用于两代直升机,这是由于人类的材料发展速度远低于机械结构创新速度导致的。

  使用了95%复合材料的欧洲NH-90直升机

本次培训和实操演示结束后,金汇通航飞行部、机务工程部、安技部相关人员从安全和规范运营的角度提出了意见和建议,为形成内部运行规范机制形成了实践基础。

  涡轴发动机在分类上从属于燃气轮机,与螺旋桨运输机使用的涡桨发动机原理及循环模式最为相近,通过压气机对吸入的空气进行加压,推入燃烧室与煤油燃料混合点燃后喷出,喷出的高温燃气直接推动燃气涡轮叶片与动力涡轮叶片转动,最终将高速转动的输出轴接入减速器,降低到最优转速带动直升机旋翼进行旋转,进而产生升力。涡轴发动机以其强悍的超频能力,更高的进气密度以及优异的扭矩而成为直升机的完美动力,自二代到四代直升机均采用涡轴发动机作为动力源。

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金汇通航经过10多年的直升机运营积累,通过对国际经验的学习、对运行机制的探索,立志走出一条属于自己的直升机空中医疗救援之路

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  第一代金属全铰接桨毂构型

  使用隐身涂料的科曼奇直升机

  涡轴发动机原理图(图片来源于百度图片)

  然而金属桨毂有着其自身的弊端,首先是重量较大,这在纤毫必争的飞行器设计中是个很扎眼的缺陷。其次,全铰接结构零件极多,机械轴承需要大量的零件进行组装,这大大降低了直升机的可靠性。最后,金属轴承长时间使用造成的金属疲劳更是一个巨大的隐患,这导致直升机的旋翼随时会失效。有着以上这些缺陷,工程师们不得不着手设计新一代桨毂。而这次,工程师们将目光放在了柔性材料的身上。

  机体材料的进步,正如同发动机的更新换代一般,深深影响着直升机的划代。而作为一款飞行器,在高空复杂的气动环境与湍流之中,想要尽情驰骋,同样离不开优秀的飞控系统。

  第二代直升机使用的涡轴普遍为单转子涡轴,如UH-1休伊直升机使用的T-53-L-1涡轴发动机,其燃气涡轮与动力涡轮均位于同一转子,因此转速相同。与此相同的直升机还有法国的SA-321超黄蜂直升机以及中国引进超黄蜂后自产的直-8直升机,该两款直升机均采用Tromo-3C型单转子涡轴发动机,该发动机国内引进自产代号为涡轴-6。单转子涡轴最大的问题在于输出轴转速过高,由于直升机旋翼转速普遍不超过400转/分钟,因此想把转速高达上万转的输出轴转速降低到几百转,对齿轮减速器是一个严峻的考验,因此会造成可靠性下降问题。同样由于转速过高,单转子涡轴不得不增加涡轮级数,降低压比来改善转速问题,这也同样造成了重量增加,发动机轴向长度增加以及油耗增大等问题。最后,由于启动转速过高,会造成压气机喘振,因此需要在压气机后方布置放气活门来减少喘振,进一步降低了可靠性。

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  第一代直升机与第二代直升机均采用传统的机械式飞控,通过机械连杆与液压助力结构对直升机的旋翼与各个气动舵面进行直接操控,飞行员的操纵杆直接连着直升机的可活动翼面。这种飞控系统仅能满足早期直升机的飞行要求,但随着直升机越做越大,速度越来越高,液压助力这种需要介质传递的飞控模式导致了飞行员的操纵与直升机的响应时间间隔过长,在高速飞行过程中,难以快速改变姿态。且操纵杆越来越沉重,对飞行员的体力造成了严峻的考验。为此,工程师将目光盯上了电传系统。

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  米-6重型直升机的金属铰接桨毂,可以看出结构复杂笨重。

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  单转子核心机示意图

  第二代桨毂为柔性轴承桨毂。通过将金属轴承替换为具有弹性的抗拉材料。成功消除了金属轴承桨毂的一系列风险与问题。球形柔性桨毂是柔性桨毂里的代表。其结构是将每片旋翼连接到一个单独的球形万向轴上,这样当桨毂控制旋翼做变距挥舞摆振三大动作时,扭力与拉力被柔性材料吸收,金属结构只保留一个万向节接头。这大大增加了桨毂与旋翼的寿命,且由于取消了金属轴承与铰链,也减少了零件数量,直升机的可靠性有了质的飞跃。

  机械式飞控原理,操纵杆直连舵面严重影响效率。

  有着以上这些弊端,因此二代直升机的涡轴动力普遍性能还处于“勉强够用”阶段。比如美国通用电气的T-53-L-1涡轴,起飞油耗0.37千克/千瓦时,总压比仅为7.4。苏联的TV-2-117A涡轴,起飞油耗0.374千克/千瓦时,总压比仅为6.6。虽然已经比第一代直升机的活塞动力有不小的改善,但单转子涡轴指标的落后依然严重影响着二代直升机的航程,可靠性以及任务灵活性。随着航空动力学的进步,工程师终于找到了解决单转子涡轴弊端的途径,那就是——双转子涡轴,也成功推动了第三代直升机的出现。

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  第三代直升机开始普遍使用电传飞控,通过将飞行员的指令转化为模拟信号,由模拟计算机传递到液压系统上,飞行员操纵杆不直连各个翼面,这极大的减轻了体力负担。也一定程度提升了直升机响应速度,对机动性有了更高的发展。但是,由于模拟飞控系统的模拟波形信号受传递线路影响较大,因此在线路状况不佳时,可能造成信号失真,这严重威胁着直升机的安全。

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  第二代球形柔性桨毂结构。

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  美国第二代直升机代表UH-1休伊直升机(图片来源于参考消息网)

  柔性桨毂的发明提升了直升机可靠性的同时,也降低了直升机的噪音,由于其简化了桨毂结构,因此外形更加简洁,在高速旋转中产生的激波减少,噪音水平自然下降。由于这个原因,柔性桨毂受到了各国军方的青睐,以美国黑鹰为代表的三代直升机开始大规模使用柔性桨毂,在一系列需要隐蔽突击的作战任务中,黑鹰表现出色,可以伴随特战队员无声地猎杀目标。优秀的柔性桨毂一直延续到了第四代直升机的身上。诸如英国的EH-101灰背隼与欧洲的NH-90这两款公认四代直升机也采用了球形柔性桨毂设计。

  使用模拟飞控的黑鹰直升机

  第三代直升机开始使用双转子涡轴,与单转子涡轴不同,双转子涡轴引入第二根同心轴与自由涡轮概念,燃气涡轮推动压气机,而自由涡轮充当动力涡轮,单独驱动输出轴。这样做的好处在于可以将高压转子的转速提高到最优区间,而低压转子通过合理的叶片变距来实现转速控制,进而降低输出轴转速,减轻减速器负担,有效提高了可靠性。并且双转子涡轴的高压转子可以有效减少压气机级数,有效增大喘振裕度,不再需要放气活门。增大压比和涡前温度以提高循环系数,在更小的尺寸下达到更高的功率水平,增大了功重比。最后,更优的高低压涡轮配比在降低油耗的同时也提高了输出轴的扭矩,为直升机的单发失效状态下的应急功率带来了更大的冗余度,提高了三代直升机的安全性。例如俄罗斯的米-17河马直升机所使用的TV3-117VM涡轴,其采用双转子构型,其起飞油耗仅0.319千克/千瓦时,增压比提升至了9.4,而功重比更是高达5.16。而中国的三代涡轴主要有涡轴-9,其应用于直-10武装直升机。采用的双转子构型,拥有957千瓦的起飞功率和5.4的功重比,油耗也降低到了0.311千克/千瓦时。是一款完全自主研制的三代涡轴发动机。

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  因此,在第四代直升机上,各国开始采用数字式电传飞控系统。通过将飞行员指令以数字信号形式传递给航空计算机,再由计算机通过电缆传递给各翼面,直升机避免了信号失真问题,且由于计算机可以修正飞行员的错误操作指令,因此飞行容错率有了极大的提升,飞行员只需下达标准指令,计算机即可根据目前飞行状态,高度,姿态以及气压气流状况对直升机进行最优控制。数字式电传飞控以其优异的特性而普遍应用于诸如EH-101,NH-90,以及直-15,直-20等四代直升机上。

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  第三代直升机代表——黑鹰与其使用的球面-柱形弹性轴承复合桨毂

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  装备涡轴-9发动机的中国第三代直升机直10(图片来源于百度图片)

  第三代桨毂的出现依然伴随着材料水平的发展。由于碳纤维等复合材料抗拉寿命的进步,工程师开始设计“无轴承桨毂”。这种无轴桨毂甚至取消了柔性桨毂的金属万向节。完全依靠复合材料制造的柔性梁本身的形变来控制旋翼变距与抵消挥舞,摆振力矩。这种整个桨毂都不采用金属零件的设计代表了目前直升机桨毂发展的最高水平。只有材料技术雄厚的少数国家掌握。例如美军的AH-1Z第四代武装直升机与欧洲的虎式第四代武装直升机就采用了无轴承桨毂。2015年,采用了无轴承桨毂的直-11验证机成功首飞,标志着我国成功掌握了这项技术。

  使用数字电传飞控的EH101直升机座舱

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  涡轴-9是中国株洲动力研究所研制的三代涡轴

  第三代无轴承桨毂结构

  数字式电传飞控系统

  随着材料水平的进步,可以承受更高温度的燃烧室和可以承受更大转速的叶片相继问世,工程师们开始采用温度更高的燃烧室和离心式压气机来提升涡轴发动机的指标,而电子技术的进步也让涡轴发动机开始引入数字化控制概念。硬指标与数字化控制的发展使得直升机动力产生了第四次质变,推动了四代直升机动力的诞生。

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  发动机,桨毂,机体材料与飞控系统,这些直升机的最重要指标随着人类科技的进步而日新月异的发展,不断催生出更新更好的直升机产品,进而服务于人类的救援,医疗与军队。为人类的民生与国防事业做出了不可磨灭的贡献。正应了那句名言——“科技改变生活”。(本文图片来自网络)

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  使用了无轴承桨毂的美军AH-1Z第四代武装直升机

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  四代涡轴典型结构(图片来源于透博梅卡官网)

  从早期笨重繁杂的金属到现在灵巧简洁的复合材料,桨毂的发展紧密伴随着人类材料水平的进步。也进而推动着直升机的更新划代。梳理完直升机的桨毂发展,在本系列的最后一篇文章,我们将重点讲述直升机划代的另外两大指标——机体材料与飞控系统,请继续关注《科普中国军事科技前沿》。(本文图片来自网络)

  代表目前直升机最高技术水平的H-160四代直升机

  第四代直升机开始采用引入了离心压气机甚至纯离心压气机概念,例如欧洲虎式武装直升机,采用两台透博梅卡MTR-390涡轴,该涡轴压气机仅有两级,且均为离心压气机,离心压气机由于形状特殊性,可以承受更大的扭矩,因此该发动机增压比有了质的提升。在高达1423开的涡前温度下,其总压比高达14。这是三代涡轴所无法达到的指标。而0.28千克/千瓦时的油耗和5.8的功重比也相较于三代涡轴有所提升。除了硬指标的提升,MTR-390涡轴还引入了全权限数字式发动机控制器(FADEC)。通过数字控制实现更精确的燃油计量、发动机故障检测、稳定引气与放气以及压气机控制。对发动机的输出性能,运行可靠性,油耗及功率调节的精确性有了质的提升。

  出品:科普中国军事科技前沿

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  作者:程笑颜工作室

  中欧合作的直-15直升机,装备两台涡轴-16四代涡轴。

  监制:光明网科普事业部

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  2000千瓦级的涡轴-10四代涡轴(图片来源于百度图片)

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  装备有两台涡轴-10的直-20四代直升机(图片来源于百度)

  目前我国拥有两款四代涡轴,首先是与法国透博梅卡共同开发的阿蒂丹-3C型发动机,中国称为涡轴-16,主要用于直-15中型直升机。涡轴-16采用两级离心压气机设计,带有FADEC控制器。起飞功率1250千瓦,油耗低于0.3千克/千瓦时,且功重比达到了6一级。是中航工业与欧洲空客直升机集团的合作典范。中国的第二款四代涡轴就是直-20的动力涡轴-10发动机,功率高达2000千瓦级,最早于2013年直博会曝光。拥有两级离心压气机与超过1600开的涡前温度,功重比也达到了7一级,属于四代涡轴中的翘楚。

  梳理完直升机发动机的四代构型,后续我们将重点讲一讲直升机划代的另一大指标——桨毂,请继续关注科普中国军事科技前沿。

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