基于文獻(xiàn)計(jì)量的高速直升機(jī)技術(shù)監(jiān)測(cè)分析

范文靜

（中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西景德鎮(zhèn) 333000）

0. 引言

直升機(jī)是利用旋翼提供升力、推進(jìn)力和操縱力的飛行器，以其具有垂直起降、定點(diǎn)懸停以及能夠進(jìn)行全方位的快速機(jī)動(dòng)等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)而備受矚目，并已經(jīng)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)和人們?nèi)粘Ｉ钪械玫搅藦V泛應(yīng)用。由于傳統(tǒng)單旋翼帶尾槳式直升機(jī)旋翼氣動(dòng)構(gòu)型的限制以及前飛時(shí)旋翼產(chǎn)生的大部分力仍要作升力來抵消自身重力，使得常規(guī)構(gòu)型直升機(jī)的飛行速度和載重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于固定翼飛機(jī)。常規(guī)構(gòu)型直升機(jī)的前飛速度最高不超過350km/h[1]，極大地制約了直升機(jī)的應(yīng)用和發(fā)展。世界各國一直在探索突破直升機(jī)速度限制的新構(gòu)型和新概念，經(jīng)歷幾十年的發(fā)展已經(jīng)取得了矚目的研究成果，發(fā)展出S-97，RACER等以400km/h以上前行速度為典型特征的高速直升機(jī)[2]。高速直升機(jī)技術(shù)已經(jīng)成為新一代直升機(jī)裝備和產(chǎn)品的技術(shù)制高點(diǎn)，世界各國在相應(yīng)領(lǐng)域的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)也到達(dá)了白熱化階段。

對(duì)目前國外高速直升機(jī)技術(shù)信息進(jìn)行技術(shù)監(jiān)測(cè)，有助于了解國外高速直升機(jī)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向，為我國高速直升機(jī)技術(shù)的發(fā)展提供重要參考。技術(shù)監(jiān)測(cè)是一種有效的情報(bào)分析方法。技術(shù)監(jiān)測(cè)是對(duì)過去、現(xiàn)在和未來的科學(xué)、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展所進(jìn)行的系統(tǒng)研究，以科學(xué)技術(shù)信息、數(shù)據(jù)分析為基礎(chǔ)，以數(shù)據(jù)挖掘、信息萃取、知識(shí)發(fā)現(xiàn)、信息可視化技術(shù)等信息科學(xué)前沿技術(shù)為手段，綜合集成各方面專家的戰(zhàn)略性智力，對(duì)科學(xué)技術(shù)活動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)視、測(cè)量、分析及評(píng)估的方法[3]。技術(shù)監(jiān)測(cè)是一個(gè)不斷發(fā)展的交叉學(xué)科領(lǐng)域，是在20世紀(jì)90年代的技術(shù)預(yù)測(cè)、技術(shù)評(píng)價(jià)、技術(shù)選擇、文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)、科學(xué)計(jì)量學(xué)等理論方法和信息科學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，可以為技術(shù)管理及決策提供動(dòng)態(tài)、準(zhǔn)確的科學(xué)技術(shù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)，從而把握技術(shù)機(jī)會(huì)，降低風(fēng)險(xiǎn)，提高效率。

信息計(jì)量學(xué)方法是技術(shù)監(jiān)測(cè)中一種方便實(shí)現(xiàn)的方法，現(xiàn)在大量的技術(shù)信息是以電子文本的形式存在的，如專利、科技論文、科技報(bào)告等。利用這些電子文本的外在屬性，如標(biāo)題、作者、所屬機(jī)構(gòu)、出版時(shí)間等，采用文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)、科學(xué)計(jì)量學(xué)和內(nèi)容分析方法進(jìn)行技術(shù)分析，即可獲得一些有價(jià)值情報(bào)，發(fā)現(xiàn)研究領(lǐng)域潛在技術(shù)熱點(diǎn)、技術(shù)前沿和技術(shù)機(jī)會(huì)，評(píng)估自身在領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)地位，預(yù)測(cè)可能的技術(shù)開發(fā)路徑[4]。

本文通過文獻(xiàn)計(jì)量法，對(duì)國外高速直升機(jī)技術(shù)進(jìn)行技術(shù)監(jiān)測(cè)分析，了解技術(shù)發(fā)展動(dòng)向，為我國發(fā)展高速直升機(jī)技術(shù)提供參考。

1. 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文的數(shù)據(jù)來自谷歌學(xué)術(shù)搜素，谷歌學(xué)術(shù)搜索是一款在國際學(xué)術(shù)界占有較高威望、收藏豐富、權(quán)威性較高的國際網(wǎng)絡(luò)搜索引擎。收錄來自學(xué)術(shù)著作機(jī)構(gòu)、專業(yè)性社團(tuán)、各高等院校及其他學(xué)術(shù)組織的文章、論文、圖書和摘要等，專注領(lǐng)域偏向?qū)W術(shù)類，可以幫助用戶在學(xué)術(shù)領(lǐng)域中確定相關(guān)性較強(qiáng)的研究。

1.2 研究方法

本文使用文獻(xiàn)計(jì)量法進(jìn)行分析研究。首先梳理出高速直升機(jī)的相關(guān)技術(shù)，以相關(guān)主題詞在谷歌學(xué)術(shù)搜索中檢索文獻(xiàn)。檢索的時(shí)間范圍為2000—2020年，其中每3年為一個(gè)年度區(qū)間，然后統(tǒng)計(jì)各相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)數(shù)量，匯總后進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，從而獲得相關(guān)技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向。

2. 技術(shù)發(fā)展分析

高速直升機(jī)按照飛行和操縱原理可以分為3類，即復(fù)合式、傾轉(zhuǎn)式和復(fù)合式。復(fù)合式高速直升機(jī)是在常規(guī)直升機(jī)基礎(chǔ)上，通過配置推進(jìn)和升力裝置來增加飛行速度的直升機(jī)。復(fù)合式高速直升機(jī)兼具固定翼和直升機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，在低空性能和近地面機(jī)動(dòng)能力不低于常規(guī)構(gòu)型直升機(jī)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了較高的前飛速度。傾轉(zhuǎn)式高速直升機(jī)以“魚鷹”V-22直升機(jī)為代表，通過旋翼與螺旋槳之間的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)直升機(jī)模式的懸停、低速飛行和垂直飛行，螺旋槳飛機(jī)模式的高速前飛，兼顧低速與高速飛行[5]。停轉(zhuǎn)式高速直升機(jī)以直升機(jī)模式垂直起降，當(dāng)達(dá)到一定速度后，旋翼停止轉(zhuǎn)動(dòng)或收縮，變?yōu)轱w機(jī)模式高速飛行。本文通過大量數(shù)據(jù)檢索、信息分類處理等工作對(duì)國外高速直升機(jī)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行全面的監(jiān)測(cè)，從獲取的文獻(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中，獲取國際高速直升機(jī)技術(shù)發(fā)展動(dòng)向。

2.1 文獻(xiàn)數(shù)據(jù)描述

根據(jù)查閱的高速直升機(jī)相關(guān)文獻(xiàn)，高速直升機(jī)大致分為復(fù)合式、傾轉(zhuǎn)式和停轉(zhuǎn)式3類。對(duì)于復(fù)合式直升機(jī)，早期的設(shè)計(jì)者們沒有對(duì)復(fù)合式高速直升機(jī)做出嚴(yán)格的定義，在常規(guī)直升機(jī)的基礎(chǔ)上附加升力和推力裝置的任意形式的直升機(jī)都被認(rèn)為是復(fù)合式高速直升機(jī)。以吳希明[6]為代表的一些研究人員按旋翼類型將復(fù)合式直升機(jī)分為常規(guī)旋翼和ABC共軸式旋翼2種，南京航空航天大學(xué)的部分研究人員[7-8]按照復(fù)合方式將復(fù)合式高速直升機(jī)細(xì)分為推力復(fù)合式、升力復(fù)合式和完全復(fù)合式；傾轉(zhuǎn)式直升機(jī)分為傾轉(zhuǎn)旋翼和傾轉(zhuǎn)機(jī)翼；停轉(zhuǎn)式分為停轉(zhuǎn)旋翼和收縮旋翼。本文采用的是第二種分類方式，技術(shù)分類如圖1所示。

圖1 高速直升機(jī)分類

對(duì)高速直升機(jī)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行技術(shù)監(jiān)測(cè)分析，首先在谷歌學(xué)術(shù)高級(jí)搜索中對(duì)一級(jí)和二級(jí)子技術(shù)相應(yīng)的英文主題詞進(jìn)行檢索，時(shí)間范圍從2000—2020年。共計(jì)檢索到文獻(xiàn)結(jié)果5271篇，與復(fù)合式高速直升機(jī)相關(guān)的文獻(xiàn)1927篇，其中與推力復(fù)合式相關(guān)的文獻(xiàn)556篇，與升力復(fù)合式相關(guān)的文獻(xiàn)627篇，與完全復(fù)合式相關(guān)的文獻(xiàn)744篇。與傾轉(zhuǎn)式高速直升機(jī)相關(guān)的文獻(xiàn)為3031篇，其中與傾轉(zhuǎn)旋翼和傾轉(zhuǎn)機(jī)翼相關(guān)的文獻(xiàn)分別為328篇和2703篇。與停轉(zhuǎn)式高速直升機(jī)相關(guān)的文獻(xiàn)為213篇，其中與停轉(zhuǎn)旋翼式相關(guān)的文獻(xiàn)237篇，與收縮旋翼式相關(guān)的文獻(xiàn)76篇。

搜索2000—2020年每3年間國外高速直升機(jī)相關(guān)技術(shù)研究的文獻(xiàn)數(shù)量，對(duì)它們進(jìn)行對(duì)比，得到國外高速直升機(jī)在2000—2020年間變化趨勢(shì)圖，如圖2所示。

圖2 2000—2020年國外高速直升機(jī)相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)數(shù)量變化趨勢(shì)圖

由圖2可知，在這21年間，文獻(xiàn)數(shù)量呈逐漸增加趨勢(shì)，且在2003—2005年和2015—2017年間有較大增幅，增加趨勢(shì)明顯。

2.2 技術(shù)監(jiān)測(cè)分析

通過谷歌學(xué)術(shù)搜索得到國外高速直升機(jī)技術(shù)相關(guān)文獻(xiàn)的數(shù)量，對(duì)高速直升機(jī)的復(fù)合式、傾轉(zhuǎn)式和停轉(zhuǎn)式3種技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，聚焦技術(shù)發(fā)展動(dòng)向。

2.2.1 技術(shù)總體發(fā)展動(dòng)向分析

在對(duì)復(fù)合式、傾轉(zhuǎn)式和停轉(zhuǎn)式高速直升機(jī)相關(guān)技術(shù)在2000—2020年間的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行檢索后，得到相應(yīng)的文獻(xiàn)數(shù)量占比圖和變化趨勢(shì)圖，如圖3和圖4所示。

圖3 2000—2020年國外高速直升機(jī)相關(guān)技術(shù)問文獻(xiàn)數(shù)量占比圖

圖4 3種高速直升機(jī)技術(shù)2000—2020年相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)量變化趨勢(shì)圖

通過圖3可以發(fā)現(xiàn)研究熱點(diǎn)主要集中在傾轉(zhuǎn)式和復(fù)合式高速直升機(jī)技術(shù)上，研究的文獻(xiàn)占比達(dá)到94.1%，而對(duì)停轉(zhuǎn)式高速直升機(jī)研究的文獻(xiàn)占比僅有5.9%由圖4可知，在2000—2020年，傾轉(zhuǎn)式高速直升機(jī)技術(shù)的相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)量呈明顯增長趨勢(shì)，復(fù)合式高速直升機(jī)技術(shù)相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)量整體上呈快速增長趨勢(shì)。而停轉(zhuǎn)式高速直升機(jī)技術(shù)的相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)量變化較為緩慢，在2003—2005年前較上個(gè)年份區(qū)間有較大變化，而后基本維持在50篇左右。結(jié)合圖3的分析，可知在高速直升機(jī)的3種類型中，傾轉(zhuǎn)式和復(fù)合式技術(shù)在過去21年中是研究熱點(diǎn)，發(fā)展顯著，而停轉(zhuǎn)式技術(shù)發(fā)展較為緩慢。

2.2.2 復(fù)合式高速直升機(jī)發(fā)展動(dòng)向分析

復(fù)合式高速直升機(jī)相關(guān)技術(shù)主要包括推力復(fù)合式、升力復(fù)合式和完全復(fù)合式3種類型，搜索這3種技術(shù)在2000—2020年相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)量，得到相應(yīng)的文獻(xiàn)數(shù)量占比圖和變化趨勢(shì)圖，分別如圖5和圖6所示。

圖5 3種復(fù)合式高速直升機(jī)技術(shù)2000—2020年相關(guān)文獻(xiàn)占比圖

圖6 3種復(fù)合式高速直升機(jī)技術(shù)2000—2020年相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)量變化趨勢(shì)圖

由圖5可知，推力式、升力式和完全式3種復(fù)合式高速直升機(jī)技術(shù)在2000—2020年文獻(xiàn)數(shù)量占比分別為28.9%、32.5%和38.6%，推力復(fù)合式文獻(xiàn)數(shù)量相對(duì)少一些，完全復(fù)合式文獻(xiàn)數(shù)量占比最多。由圖6可知，3種技術(shù)文獻(xiàn)數(shù)量在2000—2020年基本呈遞增趨勢(shì)，且增幅大致相同。

綜上所述，國外對(duì)于復(fù)合式高速直升機(jī)3種技術(shù)的研究在過去21年都保持有相當(dāng)?shù)臒岫?，與實(shí)際情況較為吻合。升力復(fù)合式構(gòu)型解決了直升機(jī)因升力不夠而飛行速度受限的問題，但在飛行速度超過一定值時(shí)，旋翼所需的誘導(dǎo)功率急劇上升等因素，限制了直升機(jī)飛行速度進(jìn)一步提高。推力復(fù)合式構(gòu)型通過增加輔助推力裝置實(shí)現(xiàn)直升機(jī)高速飛行，但推力裝置在直升機(jī)懸停和低速巡航模式時(shí)不發(fā)揮作用，增加了直升機(jī)重量。完全復(fù)合式構(gòu)型既增加輔助升力和輔助推力裝置，在提高直升機(jī)速度方面比前兩者效率更高，但也結(jié)合了二者的缺點(diǎn)。因此對(duì)于復(fù)合式高速直升機(jī)3種技術(shù)的研究在同步進(jìn)行，研制出了X2、X3、S-97等多種復(fù)合式高速直升機(jī)。

2.2.3 傾轉(zhuǎn)式高速直升機(jī)技術(shù)發(fā)展動(dòng)向分析

傾轉(zhuǎn)式高速直升機(jī)主要分為傾轉(zhuǎn)機(jī)翼和傾轉(zhuǎn)旋翼2種，2000—2020年間傾轉(zhuǎn)機(jī)翼和傾轉(zhuǎn)旋翼技術(shù)的相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)量分別為328篇和2703篇，占比分別為10.8%和89.2%，2種技術(shù)相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)量的變化趨勢(shì)如圖7所示。

圖7 傾轉(zhuǎn)機(jī)翼和傾轉(zhuǎn)旋翼技術(shù)2000—2020年間相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)量變化趨勢(shì)圖

由圖7可知，傾轉(zhuǎn)機(jī)翼的相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)量在2000—2014年間維持在每個(gè)區(qū)間30篇左右的水平，沒有明顯變化趨勢(shì)，而在2015—2020年增加到每個(gè)區(qū)間100篇左右，有較為明顯的增長。傾轉(zhuǎn)旋翼相關(guān)文獻(xiàn)在2000—2020年間則有明顯的增長趨勢(shì)，從2000—2002年的234篇增加到2018—2020年的500篇，有較大增幅。

綜合來看，在傾轉(zhuǎn)高速直升機(jī)方面，國外在近21年主要研究熱點(diǎn)是傾轉(zhuǎn)旋翼方向，且發(fā)展趨勢(shì)良好，而傾轉(zhuǎn)機(jī)翼研究文獻(xiàn)數(shù)量較少，但近些年也有加快發(fā)展的趨勢(shì)。這點(diǎn)符合實(shí)際情況，隨著V-22傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)進(jìn)入使用，標(biāo)志著傾轉(zhuǎn)旋翼技術(shù)發(fā)展成熟，并衍生出目前的V-280、“ERICA”等傾轉(zhuǎn)旋翼方案。而典型傾轉(zhuǎn)機(jī)翼類高速直升機(jī)是上世紀(jì)60年代的X-22傾轉(zhuǎn)翼飛機(jī)，后續(xù)則較少出現(xiàn)該類型高速直升機(jī)。

2.2.4 停轉(zhuǎn)式高速直升機(jī)

停轉(zhuǎn)式高速直升機(jī)主要分為停轉(zhuǎn)旋翼和收縮旋翼，2000—2020年停轉(zhuǎn)旋翼和收縮旋翼的相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)量分別為237篇和76篇，占比分別為75.7%和24.3%，2種技術(shù)相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)量的變化趨勢(shì)如圖8所示。

由圖8可知，停轉(zhuǎn)旋翼相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)量在2003—2005年間相較于上個(gè)區(qū)間有較大增幅，但隨后進(jìn)入波動(dòng)狀態(tài)，沒有明顯變化趨勢(shì)。收縮旋翼相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)量在2000—2020年變化趨勢(shì)與停轉(zhuǎn)旋翼大致相同，但整體數(shù)量較少。

圖8 停轉(zhuǎn)旋翼和收縮旋翼技術(shù)2000—2020年間相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)量變化趨勢(shì)圖

由上述結(jié)果可以看出，國外停轉(zhuǎn)式高速直升機(jī)的研究熱點(diǎn)主要集中在停轉(zhuǎn)旋翼上，停轉(zhuǎn)旋翼構(gòu)型有一副既可以高速旋轉(zhuǎn)作為旋翼，又可以鎖定作為固定翼的主旋翼，實(shí)例機(jī)型有S-72、X-50A等。收縮旋翼構(gòu)型是利用帶有曲度的盤翼作為高速飛行的升力面，翼盤上裝有若干能伸出和收縮的槳葉，用來垂直起降和懸停，但由于盤翼的氣動(dòng)性能有限，實(shí)現(xiàn)起來比較困難，因此相關(guān)研究較少。

3. 結(jié)論

通過對(duì)國外高速直升機(jī)相關(guān)技術(shù)開展基于文獻(xiàn)計(jì)量的技術(shù)監(jiān)測(cè)分析，獲得了國外高速直升機(jī)4個(gè)方面的發(fā)展動(dòng)向：（1）復(fù)合式和傾轉(zhuǎn)式高速直升機(jī)是當(dāng)前高速直升機(jī)發(fā)展的熱點(diǎn)；（2）復(fù)合式高速直升機(jī)中的3種構(gòu)型都是當(dāng)前發(fā)展的重點(diǎn)；（3）傾轉(zhuǎn)式高速直升機(jī)當(dāng)前主要發(fā)展方向是傾轉(zhuǎn)旋翼式構(gòu)型；（4）停轉(zhuǎn)式高速直升機(jī)當(dāng)前發(fā)展較為緩慢，其中停轉(zhuǎn)旋翼構(gòu)型是較主流的研究方向。

目前世界上比較成功的高速直升機(jī)構(gòu)型主要是傾轉(zhuǎn)旋翼和共軸剛性旋翼復(fù)合式2種，這2種構(gòu)型具有不同的技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，適用于不同的任務(wù)模式，如美國的V-280、SB-1、歐洲的X3等。該點(diǎn)與本文的技術(shù)監(jiān)測(cè)結(jié)果一致，表明對(duì)國外高速直升機(jī)技術(shù)的監(jiān)測(cè)結(jié)果具有一定的實(shí)用性。高速直升機(jī)是直升機(jī)領(lǐng)域新的制高點(diǎn)，我國早在2012年，就開始立項(xiàng)研究共軸雙旋翼高速直升機(jī)，“十三五”期間也有對(duì)高速直升機(jī)的研究項(xiàng)目，雖然與歐美國家的技術(shù)相比還有不小的差距，但同時(shí)也是我國趕超世界先進(jìn)水平的一個(gè)好的切入點(diǎn)。未來可以進(jìn)一步優(yōu)化本文中基于文獻(xiàn)計(jì)量的技術(shù)監(jiān)測(cè)分析方法，監(jiān)測(cè)國外高速直升機(jī)細(xì)分領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，為我國高速直升機(jī)技術(shù)發(fā)展提供更加全面準(zhǔn)確的情報(bào)信息，為我國高速直升機(jī)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。