关于单旋翼直升机长期悬停后部件使用寿命缩短现象的研究

高博

摘  要：本文针对长期从事悬停作业的单旋翼直升机进行研究，结合直升机运行时各部件的设计思想与工作原理对主减速器与滑油散热器、尾桨层压半轴承的工作状态进行分析，通过与其他作业模式下的直升机相同部件使用寿命的比对，研究此类部件寿命缩短的原因，并根据受损原因结合工作实际提出设计改进建议。

一、单旋翼直升机的工作原理与操纵系统

1.1 单旋翼直升机的工作原理

直升机发动机驱动旋翼提供升力，把直升机举托在空中，单旋翼直升机的主发动机同时也输出动力至尾部的小螺旋桨，通过调整小螺旋桨的螺距可以抵消大螺旋桨产生的不同转速下的反作用力。[1]

1.2 单旋翼直升机的操纵系统

总距操纵杆：用来控制旋翼桨叶总距变化。总距杆上提时，自动倾斜器整体上升而增大旋翼桨叶总距使旋翼拉力增大，反之拉力减小，由此来控制直升机的升降运动。

操纵杆：与固定翼航空器的驾驶杆作用相似，通过操纵线系与自动倾斜器相连接。驾驶员沿横向和纵向操纵周期变距操纵杆时，自动倾斜器会出现相应方向的倾斜，从而导致旋翼拉力方向也发生相应方向的倾斜。

脚蹬：与固定翼航空器的方向舵脚蹬作用相似，都是控制航向工具。对于单旋翼带尾桨直升机，脚蹬经操纵线系与尾桨的桨距控制装置相连，通过控制尾桨桨距的大小来调节尾桨产生的侧向力，达到控制航向的目的。[2]

二、单旋翼直升机运行中的不同阶段

2.1 悬停

当旋翼升力大于直升机重力时，直升机将垂直上升，如果上升到一定高度而减小悬疑升力使之与重力大小相等，方向相反时，直升机将停止上升，这种飞行状态叫做悬停。只要旋翼能够产生足够的升力来平衡飞机中立，直升机便可在任何高度悬停。

2.2 过渡飞行

过渡飞行是指直升机从悬停状态转变成转换飞行状态之间的过程。要实现这个转变，首先应使主桨旋转平面向着需要飞行的方向倾斜。由于旋翼有效力是与叶尖旋转平面相垂直，因此旋翼有效力也将向着同方向偏转。

2.3 转换飞行

转换飞行状态是指除垂直飞行以外的其他飞行状态。要进入转换飞行状态，应将旋翼旋转平面向着所需方向倾斜，旋翼有效力的水平分量将直升机向着所需方向运动。[3]

三、 以H125机型为例长期悬停作业对直升机部件寿命的影响

3.1 长期悬停作业对主减速器与发动机滑油散热器的寿命影响

H125机型直升机正常运行时最大巡航速度258公里每小时，最大无地效悬停高度3000米。直升机上装载的主减速器与发动机滑油散热器为风冷形式，当检测到滑油温度过高后，电门自动接通，散热器风扇开启为滑油降温，防止因温度过高而出现的滑油粘度降低，润滑效率降低。在主减速器与发动机滑油散热器的前方设有通风通道，当航空器前飞时，后行的气流会自行流过滑油散热器，此时无需散热器风扇工作也会有冲压气流对滑油进行冷却。

在航空器悬停时由于直升机与地面的相对速度极小，此时将没有冲压气流对滑油进行有效冷却，此时随着直升机运行时间的增加，滑油温度不断升高，当温度达到滑油散热器风扇工作的临界值后，风扇开始工作冷却滑油。

H125型直升机在设计时未曾考虑到客户会长期应用航空器执行悬停作业任务，按照H125机型原本的设计理念，主减速器与发动机滑油散热器风扇应只在极少数情况下工作，其他运行中的滑油冷却任务完全由前飞时的冲压气流承担，制造厂家对滑油散热器风扇电动机的可靠性要求较低，导致在直升机长期从事悬停任务后，滑油散热器风扇电机常常因长时间工作而发生卡滞或损坏的现象，对直升机的正常运行作业造成了不利的影响。

3.2 长期悬停作业对尾桨层压半轴承的寿命影响

直升机的尾桨主要作用为平衡主旋翼在转动过程中产生的反扭矩，在运行过程中通过操纵直升机尾桨叶的桨距来控制直升机的飞行方向。尾桨上装载的层压半轴承为尾桨变距时受力的主要部件，在正常工作中，尾桨通过层压半轴承的限制可以自行回到初始桨距位置，并在飞行员操纵中保持在飞行员希望得到的桨距位置。厂家手册要求每1200飞行小时或120个月强制更换层压半轴承。

目前长期从事悬停作业的直升机上装载的层压半轴承，均在600小时出现不同程度的橡胶与金属的分层情况，且损伤状况接近或超过报废标准。使得运营公司不得不缩短尾桨层压半轴承的使用寿命。因为H125机型在设计时，将直升机的垂直尾翼设计为不对称的流线型，在直升机大速度前飞时可以产生一个与尾桨相同方向的补偿力，进而改变层压半轴承受到的扭转力的大小。但长期进行悬停作业的直升机无法使得垂直尾翼处通过高速流过的气流产生足够的推力来对尾桨进行补偿。因此尾桨层压半轴承始终处于大幅度的扭转状态。使得金属层与橡胶层间的粘连剂部分脱开，超出厂家规定的报废标准。

四、以H125机型为例针对部件寿命缩短的解决方案

4.1 针对主减速器和发动机滑油散热系统的设计更改

生产厂方可从改变滑油管路的走向，在滑油散热器前端利用机载空调系统的冷气，对滑油进行预冷却，并在预冷却后设置自动的温控电门，在滑油温度过低时关闭预冷却这一分路，使得滑油可以直接旁通回油箱。当预冷却无法满足冷却需求时通过滑油散热器工作的方式对滑油进行降温。

此种改进方式在及时降低主减速器与发动机滑油温度的同时，仅需要对滑油与机载空调的管路进行改装，并安装温控活门即可达到预期的目的，可行性较高。

4.2 针对尾桨层压半轴承的设计更改

生产厂方可以通过改进尾桨层压半轴承的构型，是它能在保证拉伸与压缩强度的同时，提高自身抗剪切力与扭转力的强度，可以摆脱传统的金属层与橡胶层设计，通过一体式的改进设计。采用整体结构，局部加强的设计可以保证材料整体受力均衡，在特殊受力較大区域辅以加强梁补强设计，从细节上保证了尾桨变距轴承的强度与刚度。

尾桨变距轴承的一体化设计需要对不同的材料进行长期的力学实验，并针对不同部位的受力情况加装补强梁，因此一体化设计是一个长期的需要不断试验与修正的过程。在目前的设计构型中，橡胶层与粘连层的选取尚存在很大的改变空间，作为一体式尾桨变距轴承投产前的过渡产品，新式的尾桨层压半轴承应通过更换更高强度的橡胶层与更大粘性的粘连剂避免频频出现的损伤超标现象，并加大已有构型的补强面积，通过整体补强的形式将扭转力分散在更多的层压区域上，产生的裂纹会分散在更大面积的层压面上，可以提高产品可靠性。

参考文献

[1] 张呈林，郭才根， 直升机总体设计，[专著]-国防工业出版社，2006-09

[2] 王永虎，直升机飞行原理，[专著]-西南交大出版社，2017-07

[3] John Seddon， 直升机空气动力学基础（第3版）[专著]-国防工业出版社，2014-05