萬博士的航空講堂深入篇 [8]

八、直升機和模型直升機

的旋翼槳轂

飛機產生升力的部件相對于機身是固定的，而直升機的旋翼相對于機身以一定的速度轉動，這不僅使直升機旋翼槳葉的工作環(huán)境比飛機機翼的工作環(huán)境復雜得多，也使直升機旋翼的結構比固定翼飛機機翼復雜。

旋翼系統(tǒng)是直升機產生升力，并能夠通過機構改變升力大小和方向的系統(tǒng)，由槳葉和槳轂組成。槳轂的主要作用是把旋翼槳葉和旋翼轉軸連接在一起，并能讓槳葉的槳距在自動傾斜器的驅動下有規(guī)律地改變。旋翼形式由槳轂形式決定，隨著材料、工藝和旋翼理論的發(fā)展而發(fā)展。到目前為止，已在實踐中應用的旋翼形式有鉸接式、蹺蹺板式/萬向接頭式、無鉸式/柔性鉸式（圖1）。

1.槳轂的典型構件

直升機的槳轂典型構件包括中央件、連接件、柔性件、柔性梁、減擺器、動力減震器、限動器和折疊機構。限于篇幅，本文僅對幾個典型的重要構件進行說明。

1）中央件

槳轂的中央件主要起兩大作用，一是使旋翼實現與其主軸的連接，并傳遞力和力矩；二是實現各個支臂上槳葉載荷的匯集、平衡和傳遞。在槳轂結構中，中央件的力學性能至關重要，其設計和生產過程也是最受關注的難點。圖2為一典型中央件。

2）減擺器

鉸接式旋翼在其擺振鉸上都帶有槳轂減擺器，簡稱為減擺器，主要作用是：提供減擺阻尼，防止發(fā)生地面共振，并對旋翼、傳動裝置和發(fā)動機組成的扭振系統(tǒng)提供阻尼。

常用的減擺器主要有液壓減擺器和黏彈減擺器。

（1）液壓減擺器

其主要工作原理是利用油液流動速度的損失形成壓力差產生阻尼作用（圖3）。液壓減擺器的減擺力矩比較穩(wěn)定，它不像摩擦減擺器那樣需經常檢查及調整，但如果油液泄漏使空氣進入，則會顯著地改變減擺器的特性。因此，除了減擺器上帶密封裝置外，往往還需要有油液補償裝置。

（2）黏彈減擺器

20世紀70年代開始出現了用黏彈性材料硅橡膠制成的黏彈減擺器。這種減擺器利用黏彈性材料（硅橡膠）變形時很大的內阻尼來吸收旋翼擺振能量，達到防止地面與空中共振的要求。其構造原理如圖4所示。減擺器由當中的金屬板和兩塊外部金屬板構成。內部金屬板與兩塊外部金屬板之間各有一層硅橡膠。金屬板和橡膠硫化粘結在一起。內部金屬板一端與軸向鉸軸頸相連。外部金屬板與中間連接件連接。槳葉繞垂直鉸擺動時，硅橡膠層的往復剪切變形使減擺器產生往復軸向變形，致使黏彈材料變形產生內摩擦，從而消耗能量，起到阻尼的作用。黏彈減擺器突出的優(yōu)點是結構簡單，除目視檢查外，不需要其他維護。這種減擺器不僅提供了阻尼，對槳葉擺振運動也附加了剛度，提高了槳葉擺振固有頻率。其缺點主要是在低溫下硅橡膠會硬化，而且隨飛行時間的增加，減擺器的剛度和阻尼值會下降，初期下降較快，中后期趨于平緩。

2.不同槳轂形式的結構特點

1）鉸接式

鉸接式（又稱全鉸接式）旋翼槳轂通過在槳轂上設置揮舞鉸（也稱水平鉸）、擺振鉸（也稱垂直鉸）和變距鉸（也稱軸向鉸）來實現槳葉的揮舞、擺振和變距運動。典型的鉸接式槳轂的布置順序（從里向外）是揮舞鉸、變距鉸、擺振鉸，如圖1a所示。也有揮舞鉸與擺振鉸重合的情況，如圖1b所示。

各個槳葉的離心力自槳葉接頭經過槳轂上的3個鉸傳到槳轂中心相互平衡。在揮舞面內，揮舞彎矩在水平鉸處為零，但水平鉸以內部分承受由水平鉸支反力產生的彎矩和剪力。在擺振面內，槳轂垂直鉸以外部分承受擺振剪力和擺振力矩，后者傳遞給減擺器。槳葉產生的鉸鏈力矩由變距拉桿平衡，并傳給自動傾斜器。

必須指出的是，鉸接式槳轂構造復雜，維護檢修的工作量大，疲勞壽命低，因此在直升機的發(fā)展中一直在努力改善這種情況。

2）蹺蹺板式/萬向接頭式

在20世紀40年代中期，全鉸式旋翼得到了廣泛應用，但其構造復雜、難以維護的缺點也日益明顯。為此，貝爾公司發(fā)展了萬向接頭式旋翼，并將其成功地應用在總重量1噸級的輕型直升機Bell-47上。20世紀50年代中期，該公司在萬向接頭式的基礎上，經進一步改進，發(fā)明了蹺蹺板式，并應用在總重量達4噸多的中型直升機UH-1和9噸級的Bell-214直升機上。雖然這兩種旋翼形式除了貝爾公司外很少被采用，但因Bell47及UH-1系列直升機產量很大，所以實際應用很廣泛。

圖5為Bell-47型直升機萬向接頭式旋翼槳轂的構造，圖6為其原理圖。兩片槳葉通過各自的軸向鉸與槳轂殼體互相連接，而槳轂殼體又通過萬向接頭與旋翼軸相連。如圖6所示，揮舞運動通過萬向接頭β-β鉸實現，周期變距通過萬向接頭繞α-α鉸轉動實現，改變總距通過軸向鉸實現。

蹺蹺板式槳轂和萬向接頭式槳轂的主要區(qū)別是，前者的槳轂殼體只通過一個水平鉸與旋翼軸相連，槳轂構造比萬向接頭式簡單一些，但周期變距也是通過變距鉸來實現（圖7）。蹺蹺板式和萬向接頭式這兩種槳轂形式與鉸接式相比，其優(yōu)點是槳轂構造簡單，去掉了擺振鉸、減擺器；兩片槳葉共同的揮舞鉸不承受離心力而只傳遞旋翼拉力和力矩；軸承負荷較小，不存在“地面共振”問題。

但是，因采用這兩種槳轂形式的旋翼操縱功效和角速度阻尼都比較小，為了加大角速度阻尼，需要增加機械增穩(wěn)裝置——穩(wěn)定桿，所以無法改善操縱功效，而對于機動性要求較高的直升機，這個缺點就很突出（圖8）。

值得說明的是，對于模型直升機，由于不存在載人飛行等問題，結構要求也較為簡單。在設計制作過程中，模型直升機的旋翼多采用蹺蹺板式。我們經常會看到其旋翼上的穩(wěn)定桿（有的模型直升機在穩(wěn)定桿兩端加上小翼，又稱副翼，此時穩(wěn)定桿也稱為平衡小翼），其目的就是為了增加角速度阻尼、改善飛行穩(wěn)定性（圖9）。近年來隨著小型電子陀螺技術的普及，模型直升機逐漸開始使用沒有穩(wěn)定桿的旋翼槳轂，其角速度阻尼和增穩(wěn)均由陀螺儀提供。這種旋翼系統(tǒng)被稱為無副翼旋翼系統(tǒng)（圖10）。

3）無鉸式

從20世紀50年代起，對無鉸式旋翼的研究工作也同步展開，并于60年代末和70年代初進入了實用階段。帶有無鉸式旋翼的直升機，如德國的BO-105，英國的“山貓”（WG-13）等，都取得了成功且投入了批量生產。

（1）BO-105型直升機的無鉸式旋翼

圖11為BO-105型直升機無鉸式旋翼。它的槳轂尺寸比較緊湊，剛度也很大，變距鉸在槳葉根部與槳轂相連。槳葉揮舞和擺振運動通過玻璃鋼槳葉根部的彎曲變形實現。

（2）“山貓”直升機的無鉸式旋翼

圖12為山貓直升機槳轂結構。這種旋翼采用了消除耦合的設計，擺振柔軟。與BO-105直升機的槳轂相比，剛度要小。槳葉的揮舞運動由與槳軸相連的揮舞柔性件彎曲變形實現，而擺振運動則通過變距鉸殼體延伸段的彎曲變形實現。

（3）星形柔性槳轂

圖13為法國宇航公司的 “海豚”II型直升機的星形柔性旋翼槳轂構造，主要由中央星形件、球面層壓彈性體軸承、黏彈減擺器、夾板和自潤滑關節(jié)軸承等組成。星形件上伸出的四個支臂在揮舞方面是柔性的。球面彈性軸承是星形柔性旋翼槳轂的核心，可使槳葉做各種運動并承受槳葉傳來的所有載荷，起到3個鉸的作用。該結構形式相當于有彈性約束的鉸接式旋翼槳轂。其球面彈性軸承承受離心力，與星形件柔性臂端的自潤滑關節(jié)軸承配合形成軸向鉸。槳葉和彈性軸承間的載荷則通過復合材料的上、下連接件傳遞。這種結構巧妙地綜合了無鉸式和全鉸接式旋翼的優(yōu)點，整體成型的復合材料中央件具有很好的破損安全特性。

（4）球柔性旋翼槳轂

球柔性旋翼槳轂是一種新型的彈性鉸式槳轂。其彈性軸承、阻尼器與星形柔性槳轂的構造相當，但省略了柔性臂和關節(jié)軸承，結構更加簡化。法國宇航公司的EC-120、EC-135等直升機均采用這種構型，槳轂零件數量從70個減少到50個，重量減輕了21%，價格下降了35%。此外，其氣動廢阻也比星形柔性槳轂降低了2/3。圖14是EC-135直升機的球柔性槳轂。

星形柔性槳轂、球柔性旋翼槳轂的內部構造都相對較復雜，這里僅做簡單介紹。感興趣的讀者可以參考專業(yè)書籍。

3.新形式的無軸承式旋翼

上述無鉸式旋翼只是沒有揮舞鉸和擺振鉸，卻仍然保留了變矩鉸，因此也不是真正意義上的“無鉸”。由于保留了承受很大力矩和離心力的變距鉸，因此結構重量難以減輕，結構優(yōu)化也受到了限制。無鉸式旋翼的進步之處在于進一步取消了變距鉸。無軸承旋翼即為取消了揮舞鉸、擺振鉸和變距鉸的旋翼。槳葉的揮舞、擺振和變距運動都利用槳葉根部的柔性元件完成。

西科斯基公司提出了一種所謂“交叉梁”式的無軸承旋翼方案，原理簡圖見圖15。槳葉的主要承力件是一根單向碳纖維大梁?！?5°鋪層的玻璃鋼蒙皮構成了槳葉的外形。蒙皮與大梁之間充填泡沫塑料。在根部，蒙皮變?yōu)榭招牡呐す埽c大梁沒有聯系，其內端連接操縱搖臂。作用在操縱搖臂上的操縱力從扭管向外傳至大梁，使其在扭管中的那部分產生扭轉變形從而實現變距。這個方案采用了新穎的交叉梁布局，槳葉的離心力在大梁中得到平衡，能大大減輕旋翼的重量。據估計，與一般無鉸式旋翼相比，重量可減輕50%。

4.模型直升機的常用槳轂

模型直升機旋翼系統(tǒng)常采用兩片槳葉的布局，槳轂方式主要為蹺蹺板式。為了增加其角速度阻尼、改善飛行穩(wěn)定性，模型直升機通常采用貝爾方式、希拉方式或貝爾-希拉混控方式，安裝帶有重錘或平衡小翼的穩(wěn)定桿（圖16），并通過機構將穩(wěn)定桿與旋翼變距鉸混控。

近年來，模型直升機開始采用三軸陀螺儀增穩(wěn)驅動舵機直接調整旋翼槳距的無副翼旋翼系統(tǒng)（圖17），因其結構簡單便于維護等優(yōu)勢，逐漸得到推廣。這種形式的旋翼系統(tǒng)，角速度阻尼和增穩(wěn)均由陀螺儀控制舵機實現，甚至可在程序中加入優(yōu)化算法和自動控制算法，實現更多的飛行功能。

由于支持兩片槳葉的蹺蹺板式槳轂在模型直升機中最為常用，因此下面以Align 700 DFC模型直升機旋翼槳轂為例，介紹模型直升機蹺蹺板式槳轂的構造（圖18）。該旋翼頭依靠“T”形主旋翼固定座連接主軸，通過橫穿主旋翼固定座內部的橫軸實現旋翼的變距鉸功能并承受旋翼的離心力。旋翼葉片安裝于兩端的主旋翼夾座，用一根豎直方向的螺栓固定，作為擺振鉸的軸。橫軸由兩個深溝球軸承和一個軸向推力軸承支撐主旋翼夾座，并用一個螺栓鎖止。傾斜盤的傾斜通過連桿驅動主旋翼夾座上的搖臂實現旋翼的變距運動。主旋翼固定座的兩端裝有橡膠等彈性材料制成的橫軸墊圈來支撐橫軸，飛行中即通過這兩個橫軸墊圈的變形實現揮舞運動。而兩片旋翼葉片則依靠橫軸保持同軸，因此橫軸就像蹺蹺板一樣運動。

也有部分模型直升機為追求像真效果或滿足特殊的飛行競賽需求，選用三槳葉或多槳葉（圖19、圖20）。此時槳轂大都采用鉸接式（圖21），槳轂機構也不再設置穩(wěn)定桿機構，而采用三軸陀螺儀增穩(wěn)方式。

圖21的模型直升機旋翼槳轂的鉸接方式與載人直升機的很相似，結構相對復雜，通常在實用中要對其進行簡化。如圖22所示，簡化的鉸接式三槳葉槳轂與常見的雙槳葉槳轂的結構類似，有三根分體式橫軸，分別由一根銷釘與主旋翼固定座鉸接實現揮舞運動，再用一個彈性墊圈限制其角度。變距運動由主旋翼夾座以分體式橫軸為軸心進行轉動實現。旋翼槳葉由一根螺栓安裝于主旋翼夾座，可做擺振運動。

模型直升機的尾槳，因沒有周期變距的需要，故其槳轂結構進一步簡化，通常只需保留變距鉸和擺振鉸。在此不做贅述。（未完待續(xù)）