12关于直升机硬式空中加油的设想-余建航(7)

971第二十八届（2012）全国直升机年会论文关于直升机硬式空中加油的设想余建航苏琦王保才(陆军航空兵学院，北京101123）摘要：为进一步扩大直升机作战区域，增强直升机执行远程任务的能力，直升机空中加油技术应运而生，现在直升机上加油技术主要是“软管—浮锚”式（软式）。本文通过对固定翼飞机上的两种加油技术（软式和硬式）的对比，发现软式加油技术存在加油效率低，受气流影响较大等方面的缺陷，由此设想在直升机上采用硬式加油技术。本文从关键技术与安全性两个方面简要介绍了采用直升机硬式加油技术的旋翼改造方案以及该技术需要解决的问题。关键词：直升机；空中加油；硬式加油0引言空中加油在上世纪50年代初期开始达到实用化标准，随后的50余年里，其应用规模逐渐扩大，目前已经成为很多国家航空兵战斗力的重要组成部分。空中加油技术现已发展出软管—锥套和硬管—接头两种类型，很多国家都已掌握了固定翼飞机的空中加油技术，但对直升机来说，目前只有美国为部分型号直升机装备了空中加油设备[1]，且均为软管技术，虽然技术已十分成熟，但仍然不可避免的存在不尽如人意的地方，本文提出了新的方案——硬式加油，并介绍了硬式加油的实现方法以及其实现的关键技术与优越性。1直升机空中加油的必要性我国领土领海幅员辽阔，海陆边境绵延上万千米，与我国为邻的国家达三十多个，复杂的地缘环境加大了巡防压力和驻防成本。利用战术直升机和直升机空中加油技术，不仅可大大提高我军进行边防巡逻到和应对突发事件的反应能力，实现作战人员不换乘直达战区的目的。而且空中加油可以减少我军直升机对战术机场的依赖，减少作战直升机的载油量，增加载弹量，提高直升机的航程和飞行性能，从而可大幅度提高其执行各种作战任务的能力。我们认为发展我国直升机空中加油技术势在必行，主要基于以下考虑：（一）直升机空中加油后能执行远距离任务和进行自布置,免去了费时费事的空运和船运。如为减少装运体积,对桨叶和尾部的折叠和拆卸过程。（二）空中加油可使直升机在作战需要或紧急情况下,通过少装燃油的方式,减轻总重,利于执行特种任务。如在高温、高原地区,通过少装燃油获得必要的悬停性能,完成任务后再实施空中加油返回基地。而且这种先减重的方法非常适用于崎岖不平地带或有森林地带飞行。（三）直升机空中加油可大大增加留空时间,对频繁执行预警、反潜、侦察和救援等任务具有特别重要的意义[2]。2空中加油技术2.1软式空中加油技术2.1.1组成软式空中加油系统的主要设备是加油吊舱或加油平台。吊舱挂在加油机左右翼下，个别加油机972还可装在后机身外侧(伙伴加油吊舱挂在机身腹部)。加油平台装在机身尾舱或弹舱内。吊舱，包括动力装置、软管收放及响应系统、输油系统及控制系统等四部分[3]。2.1.2技术特点输油系统，包括加油泵、调压系统、加油软管及锥套(加油接头、稳定伞及整流罩的总称)。靠作用在锥套上的气动力使软管放到全拖曳位置，稳定伞保持加油接头稳定并作为受油机对接时瞄准的“靶子”。受油机的受油接头进入稳定伞内即可沿伞的骨架滑入加油接头并与之啮合及锁定[3]。2.1.3优缺点软式加油系统的优点是吊舱为一独立装置，飞机改装成加油机比较方便，取下吊舱仍可执行原型飞机的作战任务;该系统可不设专门的加油员;可同时给2-3架飞机加油。其缺点是加油率低于硬式加油系统;要求受油机飞行员掌握超密集编队技术及对接技术;气流不稳定时难以进行空中加油。2.2硬式空中加油技术2.2.1组成硬式加油的主体是安装在加油机尾部的伸缩套管，其根部用万向铰与加油机尾部承力结构相连。伸缩套管本身由内、外套管组成。它相当于液压作动筒，在液压作用下内管(相当于活塞杆)可沿外管滑动，构成可伸缩的燃油通路。内管端部装有加油接嘴，外管上装有小翼，加油员操纵小翼可使伸缩套管在一定锥角范围内绕根部作俯仰或横向运动。不加油时，伸缩套管缩至最短，并由加油机尾部的钢索提升到紧贴机身尾部[3]。2.2.2技术特点在加油桁杆的中间装有V形操作面，后缘间的夹角约130度左右，V形操作面的作用类似于航空器的升降舵，操纵它可使加油桁杆在一定范围内移动。硬管空中加油只要求受油机飞到与加油机相近的一定区域，由加油机操纵输油硬管去对接受油机的输油口[3]。2.2.3优缺点硬式加油系统的优点是加油过程受气流影响较小、效率高，而且对接容易。其缺点是一次只能给一架飞机加油，需要有专门经过训练的加油操作员。而且硬管加油设备只能布置在机体上，无法布置在机翼。2.3国内外研究现状经过多年努力，我军已掌握飞机空中加油技术,我们自行研制生产的轰油六空中加油机和能空中加油的歼8D歼击机，已于1999年装备部队，使我国成为继英、美、俄、法之后第五个掌握固定翼图1硬式加油技术图2软式加油技术973飞机空中加受油技术的国家[4]。我国虽然已经实现了软式空中加油，但并没有形成广泛的军事应用。硬式空中加油这项技术，目前世界上仅美国有成功的应用，据悉欧洲也正在斥巨资进行研究。我国在硬式空中加油技术方面缺乏研究基础，因此有必要对硬式空中加油概念设计、结构设计和系统设计等关键技术进行研究[5]。与此同时，我国直升机空中加油技术上已经可行，但仍未实现。目前，发展我国直升机空中加油技术非常必要。3软、硬两种加油方式对直升机适用性的比较3.1加油效率对比软硬两种加油方式发现，软式加油的管路较为平缓，加油机和受油机的高度差比较小，这样，在不施加额外压力的情况下，硬式加油管内油的重力势能更大，且管路较短，使得整个管路输油更加迅速，对于飞行速度较慢且飞行高度较低的直升机来说，加油效率高，意味着加油过程中被敌人攻击的危险小。3.2加油管与受油管对接难易程度在进行空中加油作业时，相对于软管空中加油技术，硬管空中加油只要求受油机飞到与加油机相近的一定区域，当两机之间的距离很近时，两者相对位置保持不变，然后由操纵员操纵V形操作面小翼，并通过加油桁杆的长短伸缩，到达适当位置后使之与受油机上的受油管衔接，整个过程是由加油机操纵输油硬管去对接受油机的输油口。而软管空中加油，需要由受油机飞行员操控飞机，让机头前端的输油口对接上软管末端的锥套。因此，硬式空中加油技术的难度相对要低一些。3.3加油过程受气流影响由于硬管空中加油技术中使用的加油管是刚性桁杆，相对于软管空中加油技术中的加油软管，对大气紊流不那么敏感，衔接时相对比较简单。由于这个原因，硬管空中加油技术对飞行员操作的技术要求相对低一些。3.4紧急状态下脱离软管加油技术，在紧急情况下脱离时，由于其软管不具有刚性，容易随风产生大范围舞动，对直升机旋翼造成很大的安全隐患。并且软管加油技术中，加油机和受油机在垂直方向上的距离较小，当两机在在紧急情况下脱离时，加油机上垂下的软管也会对受油机产生影响。硬式空中加油技术则在一定程度上避免了这些安全隐患。3.5结论经过以上四个方面的比较，笔者认为硬式空中加油加油效率更高，受气流影响更小，对接更容易，因此更适合直升机空中加油。4直升机硬式空中加油的可行性及需要解决的问题4.1直升机硬式空中加油的可行性作者根据对AH-64D和Ka-50/52的旋翼顶部布局，提出总体设计思路为：加油机尾部结构装有一具由两端可伸缩的刚性管所组成的加油桁杆与操作人员控制舱，其结构与机尾结构合而为一。加油桁杆平时为收起状态，进行空中加油作业时将其伸出。直升机旋翼轴做成中空结构，受油管与旋翼轴制成套筒结构，受油管自旋翼轴探出后形成漏斗状受油装置，当受油机飞至加油机后下方适当位置，加油机伸出输油管，插入受油机机头上方的受油口，自动锁定后即开始加油。由1名加油操974纵员控制加油过程。上述方案对AH-64D和Ka-50/52部分技术进行了有机结合，笔者认为这个设计思路在理论上是可行的。4.2直升机硬式空中加油关键技术实现直升机硬式空中加油还需要解决以下几方面的技术难题：（一）旋翼轴内的结构如何改进；（二）加油作业时的航路设计；（三）加油硬管的操纵技术。4.2.1旋翼轴改进技术基于对AH-64D直升机旋翼顶部的机载雷达结构和Ka-50/52直升机的双旋翼结构的参考，如图3和图4所示。作者认为对旋翼轴的改造是可实现的。AH-64D雷达的线路管路必然是穿过旋翼，这就证明了在旋翼轴中加装套管是可行的，Ka-50/52的双旋翼结构也是应用的套管结构，如果使Ka-50/52的内轴静止，并作成空心的的用来输送航空燃油技术上可行，同时在连接装置的设计上也有以下几种方案可供参考：首先是受油管伸出一段距离，管上不安装辅助引导装置，这样使气流迎面面积较小，但是不利于加油机上的操作手捕捉受油管，一旦捕捉不准，很可能加油管打到旋翼，造成事故，有鉴于此，我们提出了第二种方案，如图3所示，就是在受油管的上部加装漏斗状的装置，使操作手更易捕捉受油管，这样加大了它的空气阻力，同时由于加油过程中硬管与水平面成一定夹角，漏斗的竖直高度不能太大，可随实验情况向圆盘状调整；为使操作手捕捉加油管更加容易，可以将软式加油的浮锚（锥管）安装到受油口上，如图4所示，利用它两管连接后自动收紧的特性，增加装置的可操作性；同时可利用红外近距视觉导航系统完成当两管接近时的辅助对接，受油机可利用前视红外装置，图3直升机硬式加油技术构想图图4AH-64D图5Ka-50975使夜间加油时受油机可在400m距离内准确安全地靠近加油机[6]。当然，这一设计还需要考虑套管的受力分析和强度计算，及旋翼旋转时的轴内温度。图6旋翼改进方案一图7旋翼改进方案二4.2.2加油作业时的航路设计固定翼飞机在加油作业时，加油机从约低于受油直升机60m的下方接近受油直升机，受油直升机朝预定方向移动进入对接区域，加油桁杆与操作手进行操纵调节与受油口对接，随后加油桁杆便自动锁定开始给受油机输送燃油[7]。直升机和固定翼飞机相比，受气流影响较大，在相互靠近的过程中，由于相互影响，受油直升机振动幅度大。因此，在直升机上采用硬式加油技术，需要解决受油机和加油机的航路设计问题。4.2.3加油硬管的操纵技术固定翼飞机在进行空中加油作业时，在加油桁杆的中间装有V形操作面，后缘间的夹角约130゜左右，V形操作面的作用类似于航空器的升降舵，操纵它可使加油硬管在一定范围内移动[7]。而在直升机上实现硬管和受油口对接时，为避免加油硬管与高速旋转的旋翼桨叶碰撞，硬管的操纵范围应减小；旋翼椎体受气流影响会发生偏转，也抑制了硬管的操纵范围；并且，旋翼上方气流流场更加复杂，这对加油员的操作水平有了更高要求，操作难度加大。4.3安全性在直升机硬式空中加油的过程中，确保系统的安全稳定是十分重要的，对加油时系统各部分的气动相容性、紧急状态下的应对方法还需进行进一步细化。4.3.1加油时加、受油机的气动相容性由于加、受油机都有各自随飞行高度、速度变化的流场，在对接加油过程中必然出现两机流场的重迭及相互干扰，在垂直方向靠的很近飞行的两架飞机是不安全的，上洗流和下洗效应可以引起飞机的相互吸引，当直升机前部到达加油机尾部时，机头会有上仰的趋势[8]，严重情况下将恶化受油机的操稳性，造成既不易对接，对接成功后又难于保持的状况。这是决不允许的。国外通常的做法是通过飞行试验，选择该型加、受油机对接加油的最佳飞行包线范围，在该包线范围内受油机可以顺利对接，在加油响应范围内机动时有较好的操纵稳定性，满足安全飞行要求[9]。4.3.2加油过程中机体的振动及气流的不稳定性对油管连接的影响在空中加油的过程中，连接的稳定性至关重要，如果在加油的过程中，受到机体抖动和瞬时气流冲击，使加油管脱离与高速旋转的旋翼发生碰撞，后果将不堪设想。因此，需要考虑以下两点：（一）由于加油管为刚性材料，为防止在两机发生小幅相对运动时，管出现碰撞断裂，受油管接口要有一定的挠性；（二）当加油管和受油管连接稳定时，加油管的加油机一端要保证可以进行左976右和上下两个自由度的小幅摆动以适应两机不规则相对运动的影响。4.3.3紧急状态下的考虑当处在加油作业中的加油机或受油机发生不可预见的紧急情况需要两机立即停止作业而分离时，由两机的飞行员控制使受油机的速度减慢或是使加油机的飞行速度提高，使加油桁杆自动开锁，燃油输送自