万博士的航空讲堂深入篇 [8]

八、直升机和模型直升机

的旋翼桨毂

飞机产生升力的部件相对于机身是固定的，而直升机的旋翼相对于机身以一定的速度转动，这不仅使直升机旋翼桨叶的工作环境比飞机机翼的工作环境复杂得多，也使直升机旋翼的结构比固定翼飞机机翼复杂。

旋翼系统是直升机产生升力，并能够通过机构改变升力大小和方向的系统，由桨叶和桨毂组成。桨毂的主要作用是把旋翼桨叶和旋翼转轴连接在一起，并能让桨叶的桨距在自动倾斜器的驱动下有规律地改变。旋翼形式由桨毂形式决定，随着材料、工艺和旋翼理论的发展而发展。到目前为止，已在实践中应用的旋翼形式有铰接式、跷跷板式/万向接头式、无铰式/柔性铰式（图1）。

1.桨毂的典型构件

直升机的桨毂典型构件包括中央件、连接件、柔性件、柔性梁、减摆器、动力减震器、限动器和折叠机构。限于篇幅，本文仅对几个典型的重要构件进行说明。

1）中央件

桨毂的中央件主要起两大作用，一是使旋翼实现与其主轴的连接，并传递力和力矩；二是实现各个支臂上桨叶载荷的汇集、平衡和传递。在桨毂结构中，中央件的力学性能至关重要，其设计和生产过程也是最受关注的难点。图2为一典型中央件。

2）减摆器

铰接式旋翼在其摆振铰上都带有桨毂减摆器，简称为减摆器，主要作用是：提供减摆阻尼，防止发生地面共振，并对旋翼、传动装置和发动机组成的扭振系统提供阻尼。

常用的减摆器主要有液压减摆器和黏弹减摆器。

（1）液压减摆器

其主要工作原理是利用油液流动速度的损失形成压力差产生阻尼作用（图3）。液压减摆器的减摆力矩比较稳定，它不像摩擦减摆器那样需经常检查及调整，但如果油液泄漏使空气进入，则会显著地改变减摆器的特性。因此，除了减摆器上带密封装置外，往往还需要有油液补偿装置。

（2）黏弹减摆器

20世纪70年代开始出现了用黏弹性材料硅橡胶制成的黏弹减摆器。这种减摆器利用黏弹性材料（硅橡胶）变形时很大的内阻尼来吸收旋翼摆振能量，达到防止地面与空中共振的要求。其构造原理如图4所示。减摆器由当中的金属板和两块外部金属板构成。内部金属板与两块外部金属板之间各有一层硅橡胶。金属板和橡胶硫化粘结在一起。内部金属板一端与轴向铰轴颈相连。外部金属板与中间连接件连接。桨叶绕垂直铰摆动时，硅橡胶层的往复剪切变形使减摆器产生往复轴向变形，致使黏弹材料变形产生内摩擦，从而消耗能量，起到阻尼的作用。黏弹减摆器突出的优点是结构简单，除目视检查外，不需要其他维护。这种减摆器不仅提供了阻尼，对桨叶摆振运动也附加了刚度，提高了桨叶摆振固有频率。其缺点主要是在低温下硅橡胶会硬化，而且随飞行时间的增加，减摆器的刚度和阻尼值会下降，初期下降较快，中后期趋于平缓。

2.不同桨毂形式的结构特点

1）铰接式

铰接式（又称全铰接式）旋翼桨毂通过在桨毂上设置挥舞铰（也称水平铰）、摆振铰（也称垂直铰）和变距铰（也称轴向铰）来实现桨叶的挥舞、摆振和变距运动。典型的铰接式桨毂的布置顺序（从里向外）是挥舞铰、变距铰、摆振铰，如图1a所示。也有挥舞铰与摆振铰重合的情况，如图1b所示。

各个桨叶的离心力自桨叶接头经过桨毂上的3个铰传到桨毂中心相互平衡。在挥舞面内，挥舞弯矩在水平铰处为零，但水平铰以内部分承受由水平铰支反力产生的弯矩和剪力。在摆振面内，桨毂垂直铰以外部分承受摆振剪力和摆振力矩，后者传递给减摆器。桨叶产生的铰链力矩由变距拉杆平衡，并传给自动倾斜器。

必须指出的是，铰接式桨毂构造复杂，维护检修的工作量大，疲劳寿命低，因此在直升机的发展中一直在努力改善这种情况。

2）跷跷板式/万向接头式

在20世纪40年代中期，全铰式旋翼得到了广泛应用，但其构造复杂、难以维护的缺点也日益明显。为此，贝尔公司发展了万向接头式旋翼，并将其成功地应用在总重量1吨级的轻型直升机Bell-47上。20世纪50年代中期，该公司在万向接头式的基础上，经进一步改进，发明了跷跷板式，并应用在总重量达4吨多的中型直升机UH-1和9吨级的Bell-214直升机上。虽然这两种旋翼形式除了贝尔公司外很少被采用，但因Bell47及UH-1系列直升机产量很大，所以实际应用很广泛。

图5为Bell-47型直升机万向接头式旋翼桨毂的构造，图6为其原理图。两片桨叶通过各自的轴向铰与桨毂壳体互相连接，而桨毂壳体又通过万向接头与旋翼轴相连。如图6所示，挥舞运动通过万向接头β-β铰实现，周期变距通过万向接头绕α-α铰转动实现，改变总距通过轴向铰实现。

跷跷板式桨毂和万向接头式桨毂的主要区别是，前者的桨毂壳体只通过一个水平铰与旋翼轴相连，桨毂构造比万向接头式简单一些，但周期变距也是通过变距铰来实现（图7）。跷跷板式和万向接头式这两种桨毂形式与铰接式相比，其优点是桨毂构造简单，去掉了摆振铰、减摆器；两片桨叶共同的挥舞铰不承受离心力而只传递旋翼拉力和力矩；轴承负荷较小，不存在“地面共振”问题。

但是，因采用这两种桨毂形式的旋翼操纵功效和角速度阻尼都比较小，为了加大角速度阻尼，需要增加机械增稳装置——稳定杆，所以无法改善操纵功效，而对于机动性要求较高的直升机，这个缺点就很突出（图8）。

值得说明的是，对于模型直升机，由于不存在载人飞行等问题，结构要求也较为简单。在设计制作过程中，模型直升机的旋翼多采用跷跷板式。我们经常会看到其旋翼上的稳定杆（有的模型直升机在稳定杆两端加上小翼，又称副翼，此时稳定杆也称为平衡小翼），其目的就是为了增加角速度阻尼、改善飞行稳定性（图9）。近年来随着小型电子陀螺技术的普及，模型直升机逐渐开始使用没有稳定杆的旋翼桨毂，其角速度阻尼和增稳均由陀螺仪提供。这种旋翼系统被称为无副翼旋翼系统（图10）。

3）无铰式

从20世纪50年代起，对无铰式旋翼的研究工作也同步展开，并于60年代末和70年代初进入了实用阶段。带有无铰式旋翼的直升机，如德国的BO-105，英国的“山猫”（WG-13）等，都取得了成功且投入了批量生产。

（1）BO-105型直升机的无铰式旋翼

图11为BO-105型直升机无铰式旋翼。它的桨毂尺寸比较紧凑，刚度也很大，变距铰在桨叶根部与桨毂相连。桨叶挥舞和摆振运动通过玻璃钢桨叶根部的弯曲变形实现。

（2）“山猫”直升机的无铰式旋翼

图12为山猫直升机桨毂结构。这种旋翼采用了消除耦合的设计，摆振柔软。与BO-105直升机的桨毂相比，刚度要小。桨叶的挥舞运动由与桨轴相连的挥舞柔性件弯曲变形实现，而摆振运动则通过变距铰壳体延伸段的弯曲变形实现。

（3）星形柔性桨毂

图13为法国宇航公司的 “海豚”II型直升机的星形柔性旋翼桨毂构造，主要由中央星形件、球面层压弹性体轴承、黏弹减摆器、夹板和自润滑关节轴承等组成。星形件上伸出的四个支臂在挥舞方面是柔性的。球面弹性轴承是星形柔性旋翼桨毂的核心，可使桨叶做各种运动并承受桨叶传来的所有载荷，起到3个铰的作用。该结构形式相当于有弹性约束的铰接式旋翼桨毂。其球面弹性轴承承受离心力，与星形件柔性臂端的自润滑关节轴承配合形成轴向铰。桨叶和弹性轴承间的载荷则通过复合材料的上、下连接件传递。这种结构巧妙地综合了无铰式和全铰接式旋翼的优点，整体成型的复合材料中央件具有很好的破损安全特性。

（4）球柔性旋翼桨毂

球柔性旋翼桨毂是一种新型的弹性铰式桨毂。其弹性轴承、阻尼器与星形柔性桨毂的构造相当，但省略了柔性臂和关节轴承，结构更加简化。法国宇航公司的EC-120、EC-135等直升机均采用这种构型，桨毂零件数量从70个减少到50个，重量减轻了21%，价格下降了35%。此外，其气动废阻也比星形柔性桨毂降低了2/3。图14是EC-135直升机的球柔性桨毂。

星形柔性桨毂、球柔性旋翼桨毂的内部构造都相对较复杂，这里仅做简单介绍。感兴趣的读者可以参考专业书籍。

3.新形式的无轴承式旋翼

上述无铰式旋翼只是没有挥舞铰和摆振铰，却仍然保留了变矩铰，因此也不是真正意义上的“无铰”。由于保留了承受很大力矩和离心力的变距铰，因此结构重量难以减轻，结构优化也受到了限制。无铰式旋翼的进步之处在于进一步取消了变距铰。无轴承旋翼即为取消了挥舞铰、摆振铰和变距铰的旋翼。桨叶的挥舞、摆振和变距运动都利用桨叶根部的柔性元件完成。

西科斯基公司提出了一种所谓“交叉梁”式的无轴承旋翼方案，原理简图见图15。桨叶的主要承力件是一根单向碳纤维大梁。±45°铺层的玻璃钢蒙皮构成了桨叶的外形。蒙皮与大梁之间充填泡沫塑料。在根部，蒙皮变为空心的扭管，与大梁没有联系，其内端连接操纵摇臂。作用在操纵摇臂上的操纵力从扭管向外传至大梁，使其在扭管中的那部分产生扭转变形从而实现变距。这个方案采用了新颖的交叉梁布局，桨叶的离心力在大梁中得到平衡，能大大减轻旋翼的重量。据估计，与一般无铰式旋翼相比，重量可减轻50%。

4.模型直升机的常用桨毂

模型直升机旋翼系统常采用两片桨叶的布局，桨毂方式主要为跷跷板式。为了增加其角速度阻尼、改善飞行稳定性，模型直升机通常采用贝尔方式、希拉方式或贝尔-希拉混控方式，安装带有重锤或平衡小翼的稳定杆（图16），并通过机构将稳定杆与旋翼变距铰混控。

近年来，模型直升机开始采用三轴陀螺仪增稳驱动舵机直接调整旋翼桨距的无副翼旋翼系统（图17），因其结构简单便于维护等优势，逐渐得到推广。这种形式的旋翼系统，角速度阻尼和增稳均由陀螺仪控制舵机实现，甚至可在程序中加入优化算法和自动控制算法，实现更多的飞行功能。

由于支持两片桨叶的跷跷板式桨毂在模型直升机中最为常用，因此下面以Align 700 DFC模型直升机旋翼桨毂为例，介绍模型直升机跷跷板式桨毂的构造（图18）。该旋翼头依靠“T”形主旋翼固定座连接主轴，通过横穿主旋翼固定座内部的横轴实现旋翼的变距铰功能并承受旋翼的离心力。旋翼叶片安装于两端的主旋翼夹座，用一根竖直方向的螺栓固定，作为摆振铰的轴。横轴由两个深沟球轴承和一个轴向推力轴承支撑主旋翼夹座，并用一个螺栓锁止。倾斜盘的倾斜通过连杆驱动主旋翼夹座上的摇臂实现旋翼的变距运动。主旋翼固定座的两端装有橡胶等弹性材料制成的横轴垫圈来支撑横轴，飞行中即通过这两个横轴垫圈的变形实现挥舞运动。而两片旋翼叶片则依靠横轴保持同轴，因此横轴就像跷跷板一样运动。

也有部分模型直升机为追求像真效果或满足特殊的飞行竞赛需求，选用三桨叶或多桨叶（图19、图20）。此时桨毂大都采用铰接式（图21），桨毂机构也不再设置稳定杆机构，而采用三轴陀螺仪增稳方式。

图21的模型直升机旋翼桨毂的铰接方式与载人直升机的很相似，结构相对复杂，通常在实用中要对其进行简化。如图22所示，简化的铰接式三桨叶桨毂与常见的双桨叶桨毂的结构类似，有三根分体式横轴，分别由一根销钉与主旋翼固定座铰接实现挥舞运动，再用一个弹性垫圈限制其角度。变距运动由主旋翼夹座以分体式横轴为轴心进行转动实现。旋翼桨叶由一根螺栓安装于主旋翼夹座，可做摆振运动。

模型直升机的尾桨，因没有周期变距的需要，故其桨毂结构进一步简化，通常只需保留变距铰和摆振铰。在此不做赘述。（未完待续）