旋翼通鑒：剛性旋翼非剛硬，一文讀懂直升機旋翼構型

作者：丁尹 出品：旋翼飛行器

弁言

經常有讀者朋友在看我相關文章中提到「剛性旋翼」的時候會直觀地認為那是一種硬質槳葉剛硬地固定到了旋翼槳轂上，然後剛硬地旋轉——就有點類似於一副大尺寸的空氣螺旋槳——因此，這種被稱為「剛性」的旋翼系統被認為既不存在揮舞，也不存在擺振，和常規直升機的鉸接式旋翼完全不一樣。

說實話，最應該為這種「誤解」背鍋的就是「剛性旋翼」這個名字，一讀這個詞就讓人有一種整個旋翼系統都「硬邦邦」的感覺，實際上，所謂剛性，表徵的是一種旋翼與槳轂的連接方式，那這種連接到底和鉸接式有什麼區別，且看下文。

關於直升機旋翼的一些事實

直升機發動機的輸出功率經由傳動系統傳遞到旋翼軸，最終驅動主旋翼的轉動。一般來說，直升機的旋翼軸是一根圓柱形的金屬桿——其下部與傳動系統相嚙合，上部則伸出直升機機體。在旋翼軸的「頭頂上」附著著被稱為「槳轂」的部件，主旋翼的各片槳葉就通過某種方式連接到槳轂上，值得一提的是，在前飛過程中，直升機的旋翼槳轂所受的空氣阻力往往會達到旋翼槳葉受到空氣阻力的10~20倍，對於下一代高速型直升機而言，這個值也許會更高。

我們在談論直升機主旋翼系統差異的時候，其實我們在談論的就是「槳葉連接到槳轂方式的差異」，這也是我們區分不同類別的旋翼的「標準方法」。對於直升機而言，目前旋翼系統主要有三種基本類型：全鉸接式旋翼、蹺蹺板旋翼（半剛性旋翼）、無鉸式旋翼（剛性旋翼），不過有一些現代化的旋翼系統採用了「組合式構型」的旋翼系統。

關於旋翼的幾個事實：

旋翼系統的配重往往需要精細微調，因為不同的配重部署方式會影響不同飛行速度下旋翼系統的振動水平；

對於絕大部分直升機（常規布局的非複合式）而言，其旋翼的轉速在某種意義上是「恆定的」，當然這不是「絕對恆定」，而是在某個「較小的幅度」內變化，這種變化實際上是一種「油門補償」，該補償一般是自動實現的；

不管是哪種構型的旋翼系統都會存在「較顯著」的揮舞運動，揮舞運動也是直升機旋翼區別於空氣螺旋槳的一大特點；

直升機一般都會配備較大尺寸的旋翼系統，大尺寸的旋翼系統意味著較低的槳盤載荷（旋翼拉力與旋翼旋轉面積之比值），較低的槳盤載荷意味著低速狀態下較高的能源效率；

由於直升機往往以較低速度飛行，所以從槳根起約1/3半徑長度的槳葉段對旋翼升力的作用微乎其微。

好了，言歸正傳，下面開始介紹旋翼系統的幾種主要構型，與諸君共賞。

Fully articulated：全鉸接式旋翼

Juan de la Cierva（胡安·德拉謝爾瓦）發明了全鉸接式旋翼，不過他並非在研製直升機的過程——而是在研製自轉旋翼機時候——發明這一設計的 。但是他的這一偉大發明，大幅推進了直升機的發展——事實上，早期直升機的所謂「旋翼」都是大尺寸的「木製螺旋槳」，一旦試圖前飛，就很容易側翻，這是由於旋翼左右兩側（前行側和後行側）氣流分布不對稱而形成的升力差引起的滾轉力矩導致了這類事故。

在一套全鉸接式旋翼系統中，每一片旋翼槳葉都通過一組鉸鏈連接到旋翼槳轂上，因為這些鉸鏈的存在使得每片槳葉都能夠「獨立運動」。一般來說，全鉸接式旋翼會具有3片及以上的槳葉。這些槳葉的鉸鏈使其能夠各自實現揮舞、變距和擺振運動。

水平鉸：水平鉸又稱揮舞鉸，旋翼槳葉將會繞著這個鉸上下揮動，形成「揮舞運動」，揮舞運動能夠補償前飛時候旋翼存在的升力分布不對稱問題，揮舞鉸一般會布置在離槳轂中心有一定距離的地方，揮舞鉸和槳轂中心的間隔被稱為「揮舞鉸偏置量」；

垂直鉸：垂直鉸又稱為擺振鉸，旋翼槳葉會繞著這個鉸在旋翼槳盤平面內前後擺動，這種擺動是為了平衡旋翼周期性揮舞產生的「哥式力」；

軸向鉸：軸向鉸又稱變距鉸，它的方向指向旋翼槳葉的半徑方向，在駕駛員推拉杆、提總距的時候，操縱桿就會推/拉旋翼槳葉繞著軸向鉸轉動，從而改變槳葉的「幾何迎角」，來實現氣動力的改變，從而實現直升機的操縱。

採用全鉸接式構型旋翼系統的直升機數量可觀，這裡選個歐洲的AW109做代表吧。

Rigid：剛性旋翼

所謂「剛性旋翼」，千萬不要被這幾個字給誤導了，在文獻中，更常見的名稱叫做「無鉸式旋翼」（Hingeless Rotor），也就是說，這類旋翼系統中，槳葉是與槳轂之間是沒有類似於全鉸接式旋翼的鉸鏈的他們是通過一種「剛性方式」連接到槳轂之上的。第一副剛性旋翼是由洛克希德（注意，當時還不是洛克希德·馬丁）公司的Irv Culver（埃夫·卡爾弗）發明的，隨後剛性旋翼系統被廣泛應用於洛克希德公司在1960年到1970年之間製造的一系列直升機上，相信對直升機發展史關注的讀者朋友已經想到了，大名鼎鼎的AH-56夏延直升機，就是配備了這種剛性旋翼。

在剛性旋翼系統中，因為沒有鉸鏈的存在，所以每一片槳葉的揮舞和擺振都是通過槳根部位的彈性段來實現的。從結構上來說，剛性旋翼系統遠比全鉸接式旋翼系統來得簡單。槳葉揮舞和擺振產生的載荷通過旋翼的彎曲來承受，而非傳統的鉸鏈——也就是通過槳葉本身的彎曲變形來補償了以往需要可靠的鉸鏈來實現的高頻率擺動。由此帶來的好處就是：剛性旋翼能夠產生較大的槳轂力矩，該力矩大幅降低了旋翼系統的操縱響應滯後特性（所謂操縱響應滯後，通俗說法就是，你輸入一個操縱量，比如左推桿，直升機不會瞬間響應，而是要稍過一會兒才響應過來，這就是操縱響應滯後）。

AH-56A 夏延直升機當仁不讓成為該種構型的直升機代表。

Semi rigid：半剛性旋翼

半剛性旋翼也叫做「蹺蹺板旋翼」（Teetering Rotor/Seesaw Rotor）。該系統一般都是由兩片旋翼組成的，兩片旋翼之間是通過鉸鏈相互連接的，且通常只有一種鉸鏈（水平鉸或者垂直鉸二者之一，這也是被稱為半剛性的原因），由此，兩片旋翼會繞著槳轂中心一起運動，但方向相反（一個向上揮起，另一個就一定會向下落去），就好像蹺蹺板一樣。

這種旋翼的操縱與全鉸接式旋翼在原則上是相同的，周期變距所引起的周期揮舞（槳盤傾斜）可以通過槳葉的「蹺蹺板運動」來實現。不過由於其周期變距導致的是槳葉繞槳轂中心水平軸轉動，因此操縱引起的揮舞運動實際上也就是整個旋翼旋轉平面相對於旋翼軸傾斜了一個角度，這是它與全鉸接式旋翼的區別。

這種旋翼構型的代表機型為貝爾UH-1 伊洛魁（又稱「休伊」）直升機。

Combination：組合式旋翼（柔性旋翼）

圖——球柔性槳轂旋翼系統

現代化旋翼系統往往會採取上述旋翼系統的組合式設計。有些現代化的槳轂本身就是柔性槳轂，這種槳轂能夠使得旋翼的彎曲變形運動不需要任何的軸承或鉸鏈就能實現。這種被稱為「柔性槳轂」的系統通常是通過複合材料製造的。

圖——彈性軸承應用到旋翼系統中

此外，在一些新型的槳轂系統中，設計師也會採用彈性軸承來取代常規的滾柱軸承。彈性軸承一般都是通過橡膠類材質製造的，這種軸承為槳葉提供了「有限位移的運動空間」，相當貼合直升機的實際應用需求。

總的來說，柔性槳轂和彈性軸承的應用使得旋翼系統不再需要潤滑油，自然而言也就大幅減少了旋翼系統的維護工作量。這些柔性和彈性部件也能夠吸收振動，這意味著現代化槳轂將面臨更低的疲勞問題，因此其使用壽命也能大幅增大。

歐洲直升機公司的AS350 松鼠 直升機就是應用該構型旋翼的代表機型。

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