全球3吨级民用直升机发展特点和展望 2020-07-24 

  

贝尔429H135H135和H145

李昊
  3吨级分市场是民用直升机市场中产值最大的细分市场,这一吨位的直升机是使用双发配置的吨位最小的产品,动力储备充分,飞行性能优良,能够覆盖大部分民用直升机任务谱系,且单机价格较低。因此,全球各大民用制造商都十分重视这一市场,推出了相应的产品。目前该市场的主要产品包括空客直升机公司的H130、H135、H145,莱昂纳多直升机公司的AW119(单发)、AW109,贝尔公司的429等。
  由于目标市场的高度一致,这些产品之间的性能差距不明显,但仍然略有侧重。技术方面,这些产品基本上属于第三代直升机,但随着多年改进升级,已拥有部分第四代直升机的技术特征,航电系统也升级到了当前民用直升机最先进水平。动力系统方面,全部采用了第三代涡轴发动机。价格方面,不考虑选装设备,3吨级双发直升机产品单机价格基本在600万美元左右,但部分换装了新型航电设备、发动机或内饰的新改型价格有所提高,如H145、AW109SP的单机价格都在800万美元以上。
  产品近期发展情况
目前,3吨级民用直升机市场的主要产品包括空客直升机公司的H130、H135、H145,莱昂纳多直升机公司的AW119(单发)、AW109,贝尔公司的429等。随着市场对先进产品的不断追求,各公司都在不断对其产品进行改进改型,升级旋翼、传动、航电系统架构,换装性能更强的发动机和机载系统,针对市场需求的变化进行加改装等,以保证其产品的性能在市场上更占优势,更能够满足客户的需求。
  2013年,欧直公司启动了EC135的2个新改型研制计划EC135 P3和EC135T3,两个型号的区别在于换装的发动机不同,P3换装加普惠的PW206B3发动机,T3换装透博梅卡公司(现为赛峰公司)的“阿赫尤”2B2+发动机。在欧直公司改名为空客直升机公司后,这2个型号都被称为H135。H135主旋翼桨叶加长了10厘米,使用了更新优化过的FADEC控制软件,改进了发动机进气道,提高了进气量;换装了高明GTN 750全集成导航/通信/GPS航电系统,并拥有更大的触控显示屏;装备Appareo Vsion 1000飞行数据监控机驾驶舱成像装置;新的外部逃生系统;还可选装Stylence商务舱内饰。这些升级使H135提高了高温/高原性能、航程和最大起飞重量,扩展了飞行包线,并提高了座舱的多功能性。
  同时,空客直升机公司也在推动其自行研制的航电系统组件Helionix在EC135/H135系列产品上的应用。2016年,安装了Helionix的EC135/ H135直升机通过欧盟EASA认证,2018年通过美国FAA认证,2020年通过加拿大运输部认证。
  EC145系列的最新改型为H145。H145原编号为EC145T2,2010年实现原型机首飞,2014年获得EASA认证并开始交付使用。H145换装了具备FADEC的“阿赫耶”2E发动机,复合材料尾梁,涵道式尾桨,传动系统的主减速器和尾减速器也进行了升级;换装了空客直升机公司专门开发的新航电系统套件Helionix,其中包括4轴自动驾驶仪。最大起飞重量提高到3700千克,提高了巡航速度和航程,降低了使用成本和外部噪声水平。
  2019年3月,空客直升机公司公布了其H145轻型双发直升机的最新改型。新的H145换装了5桨叶旋翼系统,有效载荷提高150千克,与上一代产品相比,其舒适性、简洁性、连通性都得到了改善。其主要技术改动包括:使用5桨叶无轴承旋翼,使其最大起飞重量提高到3800千克,有效载荷与空机重量的比例达到1:1,并提高了维护性、基准可用性和可靠性,以及机组成员和乘客飞行时的舒适性,此外其旋翼直径也有所减小,使其能够在更狭窄的区域使用和停放;新型H145通过集成无线机载通信系统(WACS)能够客户和运营商提供更强的机载通信能力,并具备无缝、安全传输直升机实时(包括飞行中)生成数据的能力;2台赛峰集团提供的具备全权数字化发动机控制(FADEC)的“阿赫耶”2E发动机。此外,其噪声水平也将是该吨位产品中最低的。空直计划在2020年完成新型H145在欧洲航空安全局(EASA)的取证工作并开始交付客户。此外,这些升级内容还将能够应用在现有老式的H145上。2019年6月,首架5桨叶H145原型机实现首飞,2019年8月第2架原型机首飞。空客直升机公司计划于2020年完成该型机的取证。
  贝尔429本身即是贝尔427升级时衍生出来的产品,原编号为贝尔427i。贝尔429引入了贝尔直升机公司在“模块化经济可承受产品线”(MAPL)研究中开发的先进技术,采用新设计的无铰式旋翼系统和机身;换装了PW207D1发动机;提高了主减速器的传动功率;配装自动飞控系统;使用了“玻璃驾驶舱”和贝尔公司自研的全新航电系统BasiX-Pro;装有贝尔直升机公司研制的“飞行器数据接口单元”(ADIU),可自动监视、记录和跟踪发动机的运转情况。贝尔429具有良好的高温高原使用性能,具有单驾驶员仪表飞行能力,飞行性能、使用灵活性和可靠性均比贝尔427基本型有明显提高。
  目前贝尔公司暂未启动贝尔429的改型计划,但2019年5月贝尔公司开始在贝尔429上验证电动尾桨技术“分布式反扭矩”(EDAT)系统。EDAT是由四个小风扇在尾桨涵道内以二乘二的方式组成整体布局。每个旋翼包含四个叶片,由四个独立的电机提供动力,通过涡轮发动机驱动的发电机为其提供电能,EDAT采用固定桨距的桨叶,通过改变转速来改变拉力。该系统省去了所有传统式机械反扭矩部件,包括变速箱、传动轴、尾桨轮毂和叶片,取而代之的是四台电机和风扇,并改用电传飞控来实现EDAT的操纵。
  AW109系列的近期改型产品主要是AW109SP/AW109 Trekker。
  AW109SP是AW109生产线目前的基准型号,2011年开始交付使用。在AW109S的基础上引入了具备飞行管理系统(FMS)、直升机地形感知告警系统HTAWS、“空中高速公路”显示系统HITS的人工视景电子仪表系统(EFIS);4轴双余度自动驾驶仪;新的无线电管理系统;包含飞机/发动机数据监视、机组人员告警及维护数据的集成显示系统;前机身改用碳纤维制造,以降低重量。AW109SP具备单飞行员仪表飞行规则(IFR)能力。
  AW109 Trekker则是AW109SP改装滑撬起落架的型别,使机舱离地面的高度增加,更方便人员、货物、担架的进出。此外该机还换装了G1000航电系统。该机于2017年底完成EASA取证,2019年初获得FAA认证。
  产品近期发展特点
第一,优先补齐产品技术短板,提升整体技术水平。从3吨级产品近年来的改型情况来看,各公司的发展策略都是补齐平台的技术短板,提升综合能力。如EC145的后机身继承于其基础型号BK117,以铝合金材料为主,前机身则采用了更为先进的EC135凯芙拉/碳纤维复合材料蜂窝结构的前机身设计,因此在H145(EC145 T2)改型时将尾梁改进成为复合材料;其尾桨系统原为传统的跷跷板式尾桨,也在这次改型时换成了更先进的涵道式尾桨。EC135在3吨级产品中的高温高原性能相对较弱,因此H135重点改进了旋翼系统,提升了高温高原性能。可以预见在未来的型号发展中,升级产品技术/性能短板仍将是3吨级民用直升机发展的主流途径。
  第二,换装性能水平更强的发动机。近年来,3吨级民用直升机产品的升级大多换装了新的发动机型号。换发通常选择同系列发动机产品的升级型号,如贝尔429使用了原型产品贝尔427发动机PW207D的升级型PW207D1,H145使用了EC145发动机“阿赫耶”1E2的升级型“阿赫耶”2E。
  第三,升级航电系统,开发专用航电系统。航电系统是3吨级民用直升机产品升级的重点之一。目前综合航电系统是3吨级民用直升机航电系统的主流选择,此前的产品多使用的是霍尼韦尔、罗克韦尔-柯林斯等公司的产品,但近年开发的几个新改型中,空客直升机、贝尔等公司开始发展各自的航电系统组件,如空客直升机公司开发了Helionix航电系统,并在H145和H135上使用;贝尔429也使用了贝尔公司专门开发的BasiXPro综合式驾驶舱航电系统。
  未来发展展望
基于历史交付和目前订单情况,预测国际对未来10年2.5~3.5吨主要机型的交付进行了预测,结果表明2019~2028年5个主要机型的年度平均交付量为190架。其中,H145系列位列第一,占比33%,年均交付60多架;H135直升机占比21.6%,年均交付量为41.5架位列第二位;贝尔429系列年均交付37.3架,占比19.4%;AW109系列年均交付27.3架,占比14.2%;AW119年均交付量22.4架,占比11.7%。
  近年来3吨级民用直升机产品趋于同质化,未来可能通过引入新技术实现差异化发展。由于目标市场的统一和近年来整体市场规模的缩小,目前的3吨级产品在发展过程中逐渐趋于同质化,无铰式旋翼、综合航电系统、全显示驾驶舱(“玻璃驾驶舱”)、发动机FADEC系统、滑撬式起落架等设计逐渐成为统一配置,能力方面,高温高原性能、单飞行员IFR驾驶、低噪声水平等也是所有产品系列发展的重点。
  但由于近年来发展的一些新技术如主动减振降噪、自主飞行技术、高速旋翼机技术、混动/电动技术等,各制造商的发展方向不尽相同,因此为未来3吨级民用直升机市场需求增长、分化时出现更多差异化的产品奠定了基础。