重载飞艇旋翼式动力方案及适用性分析

王 平（中国特种飞行器研究所，湖北 荆门 448035）



重载飞艇旋翼式动力方案及适用性分析

王 平
（中国特种飞行器研究所，湖北 荆门 448035）

摘 要：本文介绍了重载飞艇旋翼式动力方案的系统组成、工作原理和优缺点，结合重载飞艇在不同应用领域的使用要求，对重载飞艇旋翼式动力方案进行了适用性分析，给出了该动力方案在不同领域的应用建议。

关键词：重载飞艇；旋翼式动力方案；适用性

0 引言

重载飞艇是浮空飞行器家族中的超级成员，具有载荷能力大、容积空间大、能源消耗少、起降方便、经济性好、安全性高等诸多优点，可在山区、沙漠、雪地、水面等野外地形起降，能够广泛应用于超大超重货物点对点运输、观光旅游、工程架设、应急救援等领域，具有远大的发展前景，美国、加拿大、俄罗斯、英国、法国和中国等航空大国都在积极研制。

目前，已知的重载飞艇项目包括LCA-60T、LMH-1、Pelican、Dominion、Skyhook JHL-40、Skycat、Gepard、Sky Lifter等十余个。其中，中国中航通用飞机有限责任公司和法国飞鲸控股公司联合研制的60t级重载飞艇（LCA-60T）进入了详细设计阶段；美国洛克希德·马丁公司研制的20t级重载飞艇已经完成试验艇（P791）试验试飞，其定型艇（LMH-1）也即将进入批生产；美国aeros公司研制的Pelican试验艇也完成了试验试飞。

图1旋翼式动力系统组成示意图

1 旋翼式动力方案

1.1 系统功能

（1）提供垂直向上的升力，用以提升有效载荷，并控制飞艇上升和下降；

（2）提供顺航向推力，用以推动飞艇水平飞行；

（3）提供其他方向的辅助推力，用以实现飞艇姿态控制，并消除侧风和垂直突风带来的负面影响。

1.2 系统组成

旋翼式动力系统通常由旋翼、螺旋桨、发动机、安装平台、能源、控制模块以及其他重要部分组成，如图1所示。

旋翼：旋翼由桨毂和桨叶组成，直径较大，是重要的升力部件，由涡轴发动机驱动。一艘旋翼式重载飞艇通常配置4套或更多的旋翼，对称安装于飞艇中心线两侧，这样既有利于增加升力总量，也有利于保持飞艇重心平衡。目前世界各国的旋翼技术都很成熟，安全可靠，升力很大，完全能满足旋翼式重载飞艇对旋翼的需求。

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表1旋翼式动力方案与其他动力方案的区别

螺旋桨：螺旋桨由桨毂和桨叶组成，直径较小，由涡桨发动机驱动。螺旋桨的主要作用有两点：一是产生顺航向推力，推动飞艇水平飞行；二是产生其他方向的辅助推力，实现飞艇姿态控制，对抗侧风和垂直突风，保持飞艇稳定。产生顺航向推力的螺旋桨，根据需要选用适量的功率和数量，对称安装于飞艇中心线两侧。产生其他方向辅助推力的螺旋桨，根据需要选择适量的功率和数量，布置于飞艇前后左右各个方向。部分螺旋桨具有矢量转向功能，兼顾顺航向推力和辅助推力的功能。

发动机：发动机的主要作用是驱动旋翼和螺旋桨工作，有需要时也可以发电。发动机通常选用涡桨发动机和涡轴发动机，这两类发动机技术都很成熟，安全可靠，能够满足大型旋翼和螺旋桨的功率需求。

安装平台：旋翼式动力系统各主要部件大都安装于硬式安装平台上。根据设计的不同，硬式安装平台可以单独布置于飞艇下方，也可以融入飞艇整体硬式结构中去，并不拘泥于形式。

1.3 与其他重载飞艇动力方案的区别

由于旋翼式动力方案中增加了旋翼升力部件，改变了系统工作原理，因而与其他重载飞艇动力方案也有了较大的区别，见表1。

2 优点和不足

与其他重载飞艇动力方案相比，旋翼式动力方案具有以下优点：

（1）载荷能力大：旋翼式重载飞艇载荷能力的大小主要取决于旋翼的功率和旋翼的数量。旋翼的功率越大，旋翼的数量越多，则旋翼式重载飞艇的载荷能力越大。有的旋翼单套升力可以达到50t以上，这意味着旋翼式重载飞艇的有效载荷可以达到200t以上，相当于米-26重型运输直升机有效载荷的8倍，相当于CH-47中型运输直升机的20倍。

（2）飞艇体积小：旋翼式重载飞艇的氦气浮力主要用于克服自身重量，其载荷部分的重量由旋翼承担，因而可以少充很多氦气，能有效减小飞艇的体积，从而减小飞艇在各个方向的受风面积，降低水平风和垂直突风的影响，提高飞艇平台稳定性能。其他重载飞艇，其自身重量和有效载荷的重量都通过氦气的浮力来克服，因而飞艇的体积也更大。以50t有效载荷为例，其他重载飞艇克服这些载荷需要增加大约6万m3氦气，而旋翼式重载飞艇则只需要增加几千立方米氦气克服系统重量，可以减少大约5 万m3氦气。由此可见，旋翼式重载飞艇在体积上具有明显的优势。

（3）装卸便捷：在旋翼式动力方案中，旋翼承担了提升载荷的任务，改变载荷不会对飞艇重浮力产生影响，在装卸过程中 无须考虑和实施重浮力平衡调节，不论是满载货物还是半载货物，不论是在野外还是基地，都可以即装即走，从而节约了大量时间和成本。在其他重载飞艇中，卸除载荷时需要增加其他压舱物（水、泥土、压缩空气、其他货物等），装载货物时则需要卸除其他压舱物，从而增加了装卸工作内容，限制了装卸速度，影响了装卸效率。

（4）控制精确：在旋翼式动力方案中，旋翼负责提升载荷和控制飞艇上升下降，螺旋桨负责飞艇前进和姿态控制，两者各司其职，互不影响。由此带来的好处是控制流程和指令得到简化，旋翼和螺旋桨只需要对自己的单一指令做出响应，不会出现需求冲突或响应迟滞等现象，从而保证了飞艇精确、敏捷的飞行品质。

与其他重载飞艇动力方案相比，旋翼式动力方案存在燃油消耗偏大的不足。

（5）燃油消耗大：在旋翼式动力方案中，消耗燃油是旋翼承担提升载荷任务的基础。提升载荷越大，提升时间越长，则燃油消耗越多。而在其他重载飞艇中，提升更多的载荷以及提升更长的时间都不会产生更多的燃油消耗。值得庆幸的是，与重型直升机相比，旋翼式重载飞艇的燃油消耗还是非常节省的。

3 适用性分析

根据前期国际和国内市场调研结果显示，重载飞艇在货物运输、旅游观光、工程架设、应急救援等领域具有广泛的市场需求。

货物运输包括常规货物运输（如偏远地区的木材）和超大超重货物运输（如飞机部件）。常规货物运输往往路途遥远、反复运送，对经济性要求较高，相同条件下，其他类型的重载飞艇更为适合。超大超重货物运输往往运输次数不多，对装卸过程精度控制要求较高，采用旋翼式重载飞艇则更为适合。

旅游观光通常包括小范围短途旅游和跨区域长途旅行。短途旅游往往需要反复起降、频繁换客，对装卸便捷程度要求较高，采用旋翼式重载飞艇则更为适合。长途旅行往往飞行时间较长，换客频率较低，更注重经济性，因而采用其他重载飞艇更适合。

工程架设通常包括高压电塔运输和架设、风电机组运输和架设、石油管路运输和架设、桥梁部件运输和架设等。这些工作对载荷能力、起降频率、装卸便捷程度、控制精度等都要求较高，采用旋翼式重载飞艇比较适合。

应急救援通常是在重大灾害（如地震、洪水）发生后，在灾区搜索和救出受灾群众，或者向灾区运输救生物资。对应急救援来说，时间就是生命，对载荷能力、起降速度、装卸便捷程度等要求较高，采用旋翼式重载飞艇比较适合。

结语

旋翼式动力方案具有载荷能力强、装卸便捷、控制精确等优点，在超大超重货物运输、短途旅游观光、工程架设、应急救援等领域具有较好的适用性。采用旋翼式动力方案的重载飞艇，将会是优秀且重要的大型航空运输平台，为促进人类社会建设、提高人类生活水平发挥积极和重要的作用。

参考文献

［1］陈玲.大型运输飞艇发展现状与市场分析［R］.中国航空报，2014-07-31.

［2］孟昭昂.重载飞艇市场调研分析报告［R］.2014-05-31.

中图分类号：P231

文献标识码：A