国外旋翼桨毂构型技术综述

李满福,程锦涛,王清龙

(中国直升机设计研究所,江西 景德镇 333001)

1 国外桨毂构型发展历程

直升机旋翼桨毂是一个不断变革的关键部件,其构型设计经历了一个由简单到复杂再到简单的发展过程。早期的直升机由于没有铰链,无法解决直升机的稳定性和操纵性问题。铰的发明使直升机旋翼变得可以操纵,直升机也因此真正发展成为一种实用的飞行器;但在以后的发展过程中,铰接式桨毂变得越来越复杂,桨毂中不仅有挥舞铰,摆振铰和变距铰,而且还有各式各样的轴承,减摆器,限动器等。由于全铰接式桨毂结构复杂,零件数目多,不仅制造成本高,维护费用昂贵,维护工作量大,而且安全性比较差,因此简化桨毂,改善桨毂势在必行。

简化桨毂的第一步是用弹性轴承或钛合金挠性件取代挥舞铰和摆振铰。20世纪 60年代初,世界上开始研制旋翼系统所用的弹性轴承,开始只是在尾桨中应用,20世纪 70年代初用于旋翼系统。简化和改善桨毂的第二步就是用复合材料取代钛合金挠性件,星形柔性桨毂是成功的案例,A S 350“松鼠”和 S A 365“海豚”直升机都装有星形柔性桨毂,同“云雀”的铰接式桨毂比较,星形柔性桨毂结构简单,零件数目大为减少。简化和改善桨毂的第三步就是取消变距轴承,设计出真正的无铰/无轴承旋翼桨毂。取消了轴承之后,每片桨叶都有一个复合材料挠性件,它可以适应桨叶的各种运动。在桨毂构型的进化过程中,先进材料和先进工艺技术的发展和应用,成为桨毂设计实现革命性飞跃的关键因素之一,在旋翼的设计中扮演着极其重要的角色。

根据国外桨毂构型出现的先后顺序,其发展历程可用简图进行描述(图 1)。

2 国外桨毂构型技术特点

2.1 铰接式桨毂

铰接式桨毂通常指具有挥舞铰、摆振铰和变距铰中的三个铰或两个铰。铰接式桨毂的构型包括：全铰接式、半铰接式,以及几种演变发展类型(用弹性轴承代替三铰的星形柔性和球柔性)。

2.1.1 全铰接式桨毂

1)金属轴承全铰接式桨毂

金属轴承全铰接式桨毂具有挥舞铰、摆振铰和变距铰,利用金属轴承的摆动来实现桨叶的挥舞、摆振和变距运动(图 2)。为了保证金属轴承具有良好的工作环境,桨毂通常设有润滑系统和密封系统。以中型直升机“海王”桨毂为例,桨毂就有几百个单独的零件,还有几十个润滑点,较大的直升机“支奴干”的旋翼,零件数目多达 1 800个。因此,全铰接式桨毂结构复杂、重量大、可靠性低、使用维护成本高。

金属轴承全铰接式桨毂又有典型的三铰分开和挥舞摆振两铰重合两种形式。三铰分开的机型有“海王 ”、“支奴干 ”、米 4、米 8等 ;二铰重合的机型有“超黄蜂”等。

2)弹性轴承全铰接式桨毂

弹性轴承全铰接式桨毂是在金属轴承全铰接式桨毂基础上发展成功的,其基本特点是用弹性轴承代替金属轴承。波音的 360型桨毂是一个弹性轴承全铰接式桨毂的成功范例(图 3)。这副桨毂主要的优点除了重量减轻 25%和零件数目减少 60%之外,桨毂的寿命达到了 5 000 h以上(主要是弹性轴承的寿命),桨毂的维修工时也降低 60%。

2.1.2 半铰接式桨毂

半铰接式桨毂通常指具有挥舞铰和变距铰,无摆振铰。半铰接式桨毂的构型包括：跷跷板式和万向铰式。

图1 桨毂构型发展简图

图2 金属轴承全铰接式桨毂

图3 波音 360型桨毂

2.1.2.1 跷跷板式桨毂

跷跷板式的两片桨叶通过各自的轴向铰和桨毂壳体相连接,没有垂直铰,属于摆振刚硬的桨毂(图 4)。桨毂壳体通过一个水平铰和旋翼轴相连接,因此桨叶没有单独的水平铰,其挥舞运动只能通过一个水平铰来实现。跷跷板桨毂通常采用悬挂装置来减少哥氏力的影响,这样就可以不设置摆振铰。为了弥补挥舞铰在旋转中心引起的桨毂操纵力矩的不足,通常把跷跷板桨毂中心布置较高。跷跷板式的机型有 U H-1等。

2.1.2.2 万向铰式桨毂

1)金属轴承万向铰桨毂

万向铰式旋翼各片桨叶通过各自的轴向铰和桨毂壳体连接,没有垂直铰,属于摆振刚硬的桨毂(图 5)。桨毂壳体通过万向接头和旋翼轴连接,因此桨叶没有单独的水平铰,其挥舞运动只能通过万向接头来实现。万向接头式的机型有 B e l l-47等。

图4 跷跷板式桨毂

图5 金属接头万向铰桨毂

2)弹性轴承万向铰桨毂

万向铰式旋翼经历了金属轴承万向铰和弹性轴承万向铰的发展过程,目前的发展趋势是采用弹性轴承万向铰。与金属轴承万向铰相比,弹性轴承万向铰无需润滑和密封,具有结构紧凑、简单、重量轻、寿命长、维护方便、阻力小等特征(图 6)。V-22“鱼鹰”采用弹性轴承万向铰式桨毂,,其零件数目减少了 30%,重量减轻 18%。

图6 弹性轴承万向铰桨毂

2.1.3 星形柔性桨毂

星形柔性桨毂是法国宇航公司在 20世纪 70年代后期研制成功的一种新型复合材料桨毂型式,并在 S A 365海豚系列和 A S 350小松鼠系列等直升机型号上成功使用。

星形柔性旋翼主要由中央星形件、球面弹性轴承、粘弹性阻尼器、夹板和自润滑关节轴承等组成(图 7)。该桨毂利用材料的柔性变形,使得其作用如同一个铰接式桨毂,但又无铰链机构,消除了传统金属桨毂的机械复杂性。与全铰接式金属桨毂相比,桨毂零件数量由 377个减少到 70个,重量减轻45%,桨毂的寿命由 2 500 h提高到6 000 h以上。

2.1.4 球柔性桨毂

1)单个球面弹性轴承球柔性桨毂

球柔性桨毂构型是一种新型的弹性铰式桨毂,其球面弹性轴承、阻尼器与星形柔性桨毂的构造相当,但省略柔性臂和关节轴承,结构更加简化(图 8)。该构型的特点是以球面弹性轴承来实现桨叶的挥舞运动、振摆运动和变距运动,法宇航(欧直)公司的 E C-120、E C-135等直升机均采用这种构型。其桨毂数量从星形柔性 70个进一步减少到50个,重量可减轻 21%,价格也下降 35%。此外,其气动废阻也比星形柔性桨毂低 2/3。

2)球面弹性轴承和柱形弹性轴承组合式球柔性桨毂

“黑鹰”直升机桨毂采用球面弹性轴承和柱形弹性轴承组合式,以球面弹性轴承承担桨叶的挥舞和摆振运动,柱形弹性轴承担变距运动(图 9)。与单个球面弹性轴承球柔性桨毂相比,减少了球面弹性轴承的变距运动,有效提高球面弹性轴承的寿命。

3)球面弹性轴承和定心轴承组合式球柔性桨毂

EH101直升机桨毂采用球面弹性轴承和定心轴承组合式(图 10),其特点是以球面弹性轴承和定心轴承共同承担桨叶的挥舞运动、振摆运动和变距运动。与单个球面弹性轴承球柔性桨毂相比,桨叶大部分升力通过定心轴承传递到桨毂中央件上,只有一小部分通过弹性轴承传递,这种设计减小了弹性轴承的载荷,有利于提高弹性轴承的寿命。

2.2 无铰式桨毂

无铰式桨毂通常指具有挥舞铰、摆振铰和变距铰中的一个铰。无铰式桨毂的构型包括：带变距铰无铰式和带摆振铰无铰式。

2.2.1 带变距铰无铰式桨毂

1)金属轴承无铰式桨毂

BO-105、BK-117和 Lynx(“山猫”)都属于金属轴承无铰式旋翼,其特点是：取消了挥舞和摆振铰,保留了变距铰,变距铰由金属轴承和拉扭条组成。由桨叶或桨毂柔性段的弹性变形来实现桨叶的挥舞和摆振运动(图 11)。

2)弹性轴承无铰式桨毂

“虎”式直升机桨毂是 MBB公司在BO-105和BK-117无铰基础上发展成功的弹性轴承无铰式桨毂。其主要特点是用一对弹性轴承替代金属变距铰(图 12)。整个桨毂的主要零件只有 20个,零件数目比BO-105减少了 50%,而其复合材料构件的寿命也已达到无限寿命的视情维护。

2.2.2 带摆振铰无铰式桨毂

A H-64阿帕奇直升机的无铰旋翼又是另一种构型,它取消了挥舞铰和变距铰,保留了垂直铰(图 13)。这种构型的特点是利用弯扭柔性件的弹性变形来实现桨叶的挥舞运动和变距运动。

2.3 无轴承桨毂

无轴承桨毂通常指不具有挥舞铰、摆振铰和变距铰。其特点是通过柔性梁来实现桨叶的运动,代替传统三铰的功能。由于承受严重载荷寿命较低的金属轴承和弹性轴承不再需要,桨毂的零件数目急剧减少,重量、废阻和费用也都得到降低,整个桨毂也只有在这种构型中,才有可能真正达到无限寿命设计。无轴承桨毂的构型包括：单独柔性梁构型和柔性梁与桨叶一体化构型。

2.3.1 单独柔性梁无轴承桨毂

柔性梁、袖套、桨叶单独成型,任一部件出现破损均可单独拆下更换,节约维护成本(图 14)。

2.3.2 柔性梁与桨叶一体化无轴承桨毂

柔性梁在典型段以后直接进入翼型段形成桨叶大梁,柔性梁、桨叶、袖套一体化成型,结构更简单(图 15)。

3 国外桨毂构型发展分析

3.1 专一性和多样性

国外各大直升机公司逐渐形成了各公司自身特色的旋翼构型技术,并且作为各大公司的核心技术牢牢掌握在自己手上,对外进行严密的技术保密和封锁。国外各大直升机公司正是通过独特风格的旋翼构型树立起各自的品牌形象,使其型号产品能够处于世界先进的行列。例如：美国贝尔公司跷跷板旋翼技术、美国西科斯基公司双线摆铰接式旋翼技术、美国波音公司人字形拉扭条旋翼技术、美国麦道公司无轴承旋翼技术、欧直(法国)公司的星形柔性和球柔性旋翼技术、欧直(德国)公司的无铰式旋翼技术、俄罗斯公司金属全铰接式旋翼技术等。

3.2 持续创新性和先进性

构型技术发展经历了几次突破,随着粘弹性材料和先进复合材料的发展和使用,旋翼构型从复杂的全铰接式结构逐步简化,先后发展了星型柔性结构、球柔性结构、无铰式和无轴承式结构,其中 20世纪末发展的旋翼技术特征是：桨叶采用先进复合材料、高效专用翼型、达到无限寿命,桨毂结构简化,球柔性、新型无铰式和无轴承桨毂得到广泛应用,新型无铰式和无轴承构型代表了旋翼的发展方向。

4 结束语

国外桨毂构型的发展历程表明,创新发展旋翼构型,是直升机技术可持续发展的必由之路。我们要走出有中国特色的旋翼技术发展之路,就应在充分吸收借鉴国外经验的同时,着眼于国内,立足我们的工业技术基础和经济条件,通过旋翼构型技术研究,形成自己的一套设计研制与试验验证方法,牵引直升机技术进步,谋求直升机的可持续发展。

[1] 邓景辉.直升机旋翼技术发展趋势[J].直升机,2007(2)：2-10