适用于极区环境的直升机研制关键技术与未来发展_艾剑波.pdf

80适用于极区环境的直升机研制关键技术与未来发展艾剑波 徐 璐*杨艳歌 王俊敬 张昕宇 雷咏春（中国直升机设计研究所 景德镇 3 3 3 0 0 1）摘 要：极区具有重大的经济和科技价值，直升机在我国历次南北极科考活动中发挥了重要作用。为牵引适用于极区环境的直升机技术发展，该文通过分析极区地理气象环境、我国直升机在极区的任务剖面，构设了直升机使用场景和关键技术需求，并研究分析了各项关键技术的技术内涵和未来发展方向。通过重点发展冰雪地起降、复杂环境飞行、防冰防雨、低温使用、舱内加温保温等关键技术，使直升机能适应极区复杂地理气象环境、极端低温环境，并能在极地无人区进行自主保障，是未来发展的方向。关键词：极区；复杂地理气象环境；自主保障；低温；直升机中图分类号：Q151.6 文献标志码：A DOI：10.19423/ki.31-1561/u.2023.01.080Key Technology and Future Development of Helicopter Suitable for Polar EnvironmentAI Jianbo XU Lu*YANG Yange WANG Junjing ZHANG Xinyu LEI Yongchun (China Helicopter Research and Development Insititute,Jingdezhen 333001,China)Abstract:The polar region has great economic and technological value,and helicopters have played an important role in Chinas previous scientific expeditions in the North and South Pole.In order to lead the development of helicopter technology for polar environment,the helicopter usage scenarios and key technical requirements are established by analyzing the geographical and meteorological environment of polar region and the mission profile,and the connotation of each key technology and future development are studied and analyzed.It is the future development that the helicopter can adapt to the complex geographical,meteorological and extreme low temperature environment in polar regions,and achieve autonomous support in polar depopulated zone by focusing on the development of key technologies such as take-of and landing in ice and snow,flight in complex environments,anti-ice and rainproof,low temperature use,heating and insulation in the cabin.Keywords:polar region;complex geographical and meteorological environment;autonomous support;low temperature;helicopter收稿日期：2022-11-28；修回日期：2023-02-03作者简介：艾剑波 （1972-），男，硕士，研究员。研究方向：直升机极地使用总体技术研究。通讯作者：徐璐（1988-），男，硕士，高级工程师。研究方向：直升机极地环境适应性研究。杨艳歌（1988-），女，硕士，高级工程师。研究方向：直升机极地使用体系技术研究。王俊敬（1989-），男，硕士，高级工程师。研究方向：直升机极地使用航电技术研究。张昕宇（1996-），女，硕士，工程师。研究方向：直升机极地使用环境适应性研究。雷咏春（1974-），女，硕士，研究员，研究方向：直升机海洋环境使用关键技术研究。0 引 言当前，极地已成为全球治理的新焦点、资源开发的新产地，具有重大经济和科技价值1：一是北极航道连通两洋（大西洋和太平洋），相较传统海上运输航线的航程缩短40以上，可构建起新的海上运输通道，打通“冰上丝绸之路”2；二是通过参与制定南极治理规则，可在全球海洋开发等新机81艾剑波，等：适用于极区环境的直升机研制关键技术与未来发展2023年第1期总第202 期专题三制议题设置中占据主动地位3；三是两极地区蕴藏的自然资源十分丰厚，北极地区煤炭储量约占全球的1/4，南极地区可燃冰、铁矿等矿产资源储量位居世界第一，为国家未来能源的可持续发展和资源利用提供巨大潜力；四是极地特殊的地理位置，是开展科研活动的理想试验场，利用极地环境可进一步加强对全球气候变化、地质和生物等领域探索，为我国认识极地、经略极地提供坚实科技基础4。中国正逐步开展对极区的科考工作，目前使用直升机主要用于极区的货物和人员运输等任务。相比于国内，直升机在极区使用时需重点关注复杂地理气象、极端低温和外部保障条件差等极区环境，以及与之相适应的关键技术。1 南北极环境特点北极地区是指北纬663367以北的广大区域,地理纬度较高，包括极区北冰洋、边缘陆地海岸带及岛屿、北极苔原和最外侧的泰加林带。北极地区气温低，冬季平均气温介于-40 -20，夏季平均气温为-8，在北冰洋极点附近漂流站测到的最低气温是-59。北极近海陆地区域雨水较多，降水量最高可达2 500 mm（主要集中在夏季），且降水量随全球变暖正逐年增加。南极地区主要指南极洲，是地球上最寒冷的大陆。气温比北极地区更低，目前实测最低温度为-88.3。南极地区风速大，从高到低、从内陆高原到沿海边缘区逐步增大，在中山站、长城站等边缘区有强大的下降风，长城站年平均风速超过 10 m/s的大风天数约200 d。南极大陆内陆地区的降水都是以固体形式（通常以冰晶或雪的形式）出现且积雪较多。直升机起降时，旋翼下洗流会造成扬雪现象，同时由于积雪会覆盖地标形貌，因此肉眼无法准确判断积雪下的野外起降地形。南北极均存在极夜、极昼现象，且气温很低，不适宜人类生存，因此直升机在极区环境使用时的外部保障条件较差5。2 国内外直升机在极区环境使用情况2.1 国内外直升机的极地环境适应性情况经调研，目前国外已在极地服役或者正在为极地任务而研制的直升机有米-8AMTSH-VA、卡-32、海豚、米-28、阿帕奇、AS350B、贝尔412、米-26T2VA、卡-29、CH-101、MCH-101和AS355等型号。国外的极地直升机具备较为优异的极地适应能力，例如：米-8AMTSH-VA直升机为北极环境专门研制，能在低温、极夜、无参考地形、无线电信号微弱和距离基地遥远等条件下工作，使用温度低达-60；米-28的发动机能在-40 环境下直接启动，直升机能在-55 环境下正常飞行。国外直升机极地环境适应能力通过各项关键技术的应用实现，如：通过装配辅助动力设备，在地面工作时能保证机载设备起飞前的准备以及煤油加热器、传动系统、动力装置减速器预热系统、机载餐食加热设备和烧水器等设备的工作；装载舱通过标准隔热系统与附加隔热系统设备的结合以及保温窗帘的安装，降低热量损失；通过配备专门的保护罩，用于防雪和防风，并且在起飞准备时提高组件预热效率；通过配备新型飞行和导航设备，改进直升机操纵的数字式自动驾驶仪、定位的卫星定位系统和搜索遇险人员的无线电定向仪等；通过装备双套卫星系统、内置地图生成器和捷联惯导系统，以便在卫星信号消失时确定直升机的坐标；通过配备机载无线电台，以便在低能见度条件下监测其他飞行器的位置。国内可应用于极地环境的直升机主要有直-9、AC311、AC313等，其使用温度为-40，可以基本满足目前南北极夏季科考需求，但由于这些直升机极地环境适应能力较弱，在极地可实现的任务和功能还不全面，仍需通过设计改进以提升其极地适应性能和应用价值。国内外直升机的低温工作环境适应性能力对比如下页表1 所示。82表 1 国内外直升机低温工作环境适应性对比直升机型号低温工作温度/米-8AMTSH-VA 直升机-60米-28 直升机-55直-9、AC311、AC313 等国产直升机-402.2 国内外直升机极地使用经验俄罗斯的直升机在极地有一年四季的使用经验。米-8AMTSH-VA极地直升机为北极战略价值获取提供支撑；卡-29直升机用于为偏远地区运输必要物资、运送人员及在极地执行巡逻任务；卡-32直升机用于执行搜索救援、运输、设备安装中的吊车作业、巡逻执勤等任务，此外还用于进行冰上侦察，维护海上钻井平台，实施船舶卸货等；米-26T2V北极版用于在北极地区执行运输任务；卡-29在北极服役于军事基地，用于巡逻、军事演习等活动，并运送人员货物；AS350B和贝尔412支持80 km范围内的科学调查和侦察着陆；AS355在南极与破冰船配合使用，完成多项任务。国内的直升机在极地的使用经验主要局限于南北极夏季科考，直-9直升机主要用于人员运输和小型货物运输；进口的卡-32直升机主要用于大型货物运输；进口的海豚直升机主要用于冰情、水道探查、人员运送、新站选址、科考和应急保障等任务；无人直升机主要用于气候探测等工作。3 直升机在极区环境使用场景及能力 需求根据极地开展科学考察的主要任务需求，直升机在极地环境可搭载在水面舰船上，配合科考人员完成空中运输保障、科考探测空中支援和空中搜索救援等任务活动。3.1 典型使用场景及能力需求3.1.1 极地科考空中运输保障直升机随极地科考船执行极地科考空中运输保障任务。直升机从科考船起飞，将船上的科考人员和物资运输到沿岸的科考站点（如图1所示）。沿岸风速较大，该场景需直升机具备较强的抗风能力和运输能力；此外，恶劣的结冰环境也要求直升机需具备高精度结冰探测能力和较强的防冰防雨能力。图1 直升机空中运输场景示意3.1.2 极地科考探测空中支援直升机从中山站起飞，经泰山站燃油补给后飞抵昆仑站，随后以昆仑站为补给保障据点，在其周边200 km范围内搭载科研人员及科学探测设备，进行若干次空中科考飞行，收集传感器探测数据或进行冰块、岩石和大气等科研采样（如下页图2所示）。昆仑站所处地区气温低，直升机需具备较强83艾剑波，等：适用于极区环境的直升机研制关键技术与未来发展2023年第1期总第202 期专题三的低温工作能力和加温保温能力；野外起降时雪下地形地貌难以识别且不可控，需具备特殊地域起降能力；野外起降时会造成扬雪环境，需具备适应扬雪环境的雷达光电探测技术；昆仑站周边是大范围的无人区，且远离科考船上千公里，因此直升机还需具备较强的自主保障能力。图2 直升机科考探测空中支援场景示意3.1.3 极地空中搜索救援直升机对极地被困船只进行搜索定位，对被困船只上的人员开展营救作业（如图3所示）。由于被困舰船上可能不具备直升机起降条件，需要采取海冰起降的方式转移被困人员，因此直升机需具备冰地起降能力。图3 直升机空中搜索救援场景示意844 适用于极区环境的直升机研制关键 技术根据我国直升机在极区环境的使用场景和能力需求，通过分析极区各种复杂极端地理气象环境并适当参考国外极地直升机的环境适应性特点，结合国内直升机技术发展水平和极地适应能力短板，本文提出直升机极地总体技术、直升机极地复杂地理气象环境适应性技术、直升机极地复杂