孫文芳，李建偉，覃海鷹，彭利樂

(1.中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001；2.陸軍航空兵軍事代表局駐景德鎮(zhèn)地區(qū)軍代室，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

旋翼是直升機(jī)的升力面和操縱面，是直升機(jī)特有的關(guān)鍵動(dòng)部件[1]。旋翼槳轂構(gòu)型主要有蹺蹺板式、金屬軸承全鉸接式、星型柔性、球柔性、無鉸式和無軸承式等[2]。

一方面，展開的旋翼槳葉占據(jù)了大量的空間，而航母、大型登陸艦、一般艦船或大型運(yùn)輸機(jī)等用于運(yùn)輸、存放直升機(jī)的空間是非常有限的，所以艦載直升機(jī)必須能旋翼折疊；另一方面，從存放安全性考慮，艦載直升機(jī)也必須能旋翼折疊。直升機(jī)在運(yùn)輸、存放過程中，一般通過起落架和系留繩等對直升機(jī)進(jìn)行位置固定。由于旋翼展開狀態(tài)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，當(dāng)風(fēng)浪較大時(shí)極易造成安全事故。

旋翼折疊分人工折疊和自動(dòng)折疊兩種折疊方式。人工折疊即利用人力進(jìn)行槳葉折疊驅(qū)動(dòng)、折疊邏輯控制、折疊鎖定機(jī)構(gòu)鎖定。自動(dòng)折疊分液壓驅(qū)動(dòng)折疊和電動(dòng)驅(qū)動(dòng)折疊，即利用液壓和電氣等進(jìn)行槳葉折疊驅(qū)動(dòng)、折疊邏輯控制、折疊鎖定機(jī)構(gòu)鎖定。液壓驅(qū)動(dòng)折疊是國外20世紀(jì)六、七十年代的技術(shù)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零件數(shù)目多，增重較大，可靠性較低。電機(jī)驅(qū)動(dòng)折疊技術(shù)是當(dāng)前國外新研艦載直升機(jī)的主流技術(shù)。

1 折疊方案的選擇

小型直升機(jī)由于旋翼裝機(jī)高度相對較低，單片槳葉重量相對較輕，所以一般選擇人工折疊，可避免自動(dòng)折疊帶來的額外的空機(jī)重量、復(fù)雜機(jī)構(gòu)和成本。

人工折疊有兩種方法，一種是在槳轂支臂和槳葉根部之間引入一個(gè)折疊接頭.折疊接頭易于設(shè)計(jì)和加工，但如果是裝機(jī)的一部分，則會帶來附加的空機(jī)重量；如只是折疊的地面工裝，站在直升機(jī)頂部整流罩操作的地勤人員需手持很重的工裝及拆卸的若干槳葉銷，加大地勤人員勞動(dòng)強(qiáng)度，尤其在惡劣風(fēng)況的艦船上操作時(shí)，工裝或槳葉銷可能會掉落，帶來安全隱患，地勤人員無多余的手扶持，自己也有可能滑倒或跌落。另一種是連接槳轂支臂和槳葉的槳葉銷傾斜一個(gè)角度[3]，但傾斜槳葉銷很難設(shè)計(jì)和加工。

對于大中型直升機(jī)，由于直升機(jī)旋翼安裝較高，單片槳葉重量大，如采用人工折疊，折疊時(shí)間長，地勤人員多，勞動(dòng)強(qiáng)度大，且安全難以得到保證，在惡劣風(fēng)況的艦船上操作更不切實(shí)際，所以一般采用自動(dòng)折疊。國外各噸位直升機(jī)的旋翼折疊方式如表1所示。

表1 國外各噸位折疊直升機(jī)

2 槳葉折疊方向的選擇

翹翹板式即2片槳葉旋翼，一般不折疊，為盡量減小占據(jù)空間，一片槳葉在前，一片在后系留固定。

3片槳葉旋翼折疊一般采用1片槳葉不折疊，平行于機(jī)身在后，另2片向后折疊。

4片槳葉旋翼折疊推薦采用全部向機(jī)身后折疊，如圖1。也有采用2片不折疊，平行于機(jī)身，另2片中1片向后，1片向前，如圖2。

圖1 4片旋翼槳葉向后折疊

圖2 4片旋翼槳葉前后折疊

5片槳葉旋翼折疊可采用2片槳葉在前，3片槳葉在后。對軍用艦載直升機(jī)，因艦船空間極其重要，所以會推薦選用1片槳葉不折疊，平行于機(jī)身向后，另4片向后折疊，如圖3所示。

圖3 5片旋翼槳葉折疊

6片槳葉旋翼折疊可3片在前，3片在后，同樣，對軍用艦載直升機(jī)，推薦6片槳葉向后的折疊方案。

7片槳葉旋翼折疊，對軍用艦載直升機(jī)，推薦選用1片槳葉不折疊，平行于機(jī)身向后，另6片向后折疊。

3 國外折疊旋翼槳轂構(gòu)型技術(shù)特點(diǎn)

槳葉展向很長，槳轂支臂的小位移會導(dǎo)致槳葉產(chǎn)生較大的位移，槳尖位移最大。槳葉折疊時(shí)，槳葉繞一根固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，在槳葉旋轉(zhuǎn)過程中，施加的彎矩會逐步轉(zhuǎn)換成扭矩，如果在此過程中槳轂支臂的變距運(yùn)動(dòng)不能被鎖定，由于槳葉重量、風(fēng)載和操作的影響，則勢必會導(dǎo)致槳葉不斷下垂直至與機(jī)身干涉，造成結(jié)構(gòu)損傷。因此，在開始折疊前必須鎖定槳轂支臂的變距運(yùn)動(dòng)。同理，槳葉折疊過程中，旋翼槳葉重心遠(yuǎn)離揮舞鉸，由于揮舞調(diào)節(jié)系數(shù)導(dǎo)致有變距耦合，產(chǎn)生的力矩可能會損傷自動(dòng)傾斜器和操縱，需對槳轂支臂的揮舞運(yùn)動(dòng)進(jìn)行有效鎖定。槳轂支臂的擺振運(yùn)動(dòng)會妨礙折疊，引起干涉，所以需擺振定位。經(jīng)驗(yàn)和運(yùn)動(dòng)分析表明，揮舞自由度對槳葉位移影響最小，擺振次之，變距影響最大。

折疊槳轂設(shè)計(jì)既需要考慮針對不同的槳轂構(gòu)型如何消除/恢復(fù)槳轂支臂的揮舞、擺振和變距自由度，又要保證槳轂本身應(yīng)具備的功能及性能。下面分析幾個(gè)國外典型折疊直升機(jī)旋翼槳轂與槳轂支臂自由度鎖定融合的技術(shù)方案。

3.1 SA365“海豚”折疊槳轂

“海豚”直升機(jī)旋翼槳轂采用四支臂星形柔性構(gòu)型。每個(gè)支臂由星形件支臂、上下夾板、球面彈性軸承和頻率匹配器組成。以星形件柔性臂和球面彈性軸承的彈性變形提供槳葉揮舞和擺振運(yùn)動(dòng)，星形件柔性臂擺振方向的剛度比揮舞方向大很多，是較為剛性的。以球面彈性軸承的扭轉(zhuǎn)變形提供槳葉變距操縱所需的自由度。粘彈性頻率匹配器提供旋翼擺振阻尼。每片槳葉通過快速拆卸槳葉銷與槳轂支臂夾板連接，如圖4所示。

旋翼槳葉采用手動(dòng)折疊。因星形柔性旋翼的支臂的揮舞剛度較球柔性構(gòu)型的彈性軸承剛度要大很多，因此在進(jìn)行旋翼折疊時(shí)不需對槳轂支臂的揮舞自由度進(jìn)行額外的限制；槳轂支臂擺振運(yùn)動(dòng)自由度的限制則通過在槳轂支臂之間增加頻率匹配器固定夾工裝來實(shí)現(xiàn)，如圖5；槳轂支臂變距自由度鎖定則是通過在槳轂支臂間加裝擋塊來實(shí)現(xiàn)。人工折疊時(shí)只需拔出一槳葉銷，然后使槳葉繞另一槳葉銷轉(zhuǎn)動(dòng)即可。

圖4 “海豚”旋翼槳轂

圖5 擺振自由度鎖定工裝示意

3.2 EC225折疊槳轂

EC225直升機(jī)旋翼槳轂采用五支臂單球面推力彈性軸承球柔性構(gòu)型，液彈阻尼器“傳統(tǒng)布置”(即阻尼器一端裝中央件，另一端裝槳轂支臂)，如圖6。

圖6 “海豚”EC225旋翼槳轂

旋翼折疊采用1片槳葉不折疊，平行于機(jī)身向后，另4片向后人工折疊。

槳轂支臂的揮舞鎖定通過在支臂的上限動(dòng)塊和離心限動(dòng)塊之間插入楔形塊工裝，如圖7；擺振定位則通過本身自帶的液彈阻尼器實(shí)現(xiàn)。

停機(jī)后連接不動(dòng)環(huán)的液壓助力器無壓力，槳葉折疊引起的扭矩會通過變距拉桿來平衡，變距拉桿無法承受折疊載荷，為此在動(dòng)環(huán)不動(dòng)環(huán)組件和中央件之間安裝拉桿工裝(見圖8)，使得動(dòng)環(huán)不動(dòng)環(huán)組件和中央件成為一個(gè)整體，最終來自變距拉桿的載荷通過中央件傳遞到旋翼主軸。

圖7 揮舞限位方案

圖8 變距限位方案

3.3 “超黃峰”折疊槳轂

“超黃蜂”直升機(jī)旋翼槳轂采用六支臂金屬軸承全鉸接式構(gòu)型，液壓阻尼器傳統(tǒng)布置。

槳轂支臂揮舞鎖定通過槳轂本身自帶的離心式揮舞限動(dòng)器實(shí)現(xiàn)；擺振鎖定通過液壓阻尼器前擺槳轂支臂到極限實(shí)現(xiàn)；變距鎖定通過在槳轂支臂引入變距鎖實(shí)現(xiàn)，如圖9。

3.4 NH90折疊槳轂

NH90直升機(jī)旋翼槳轂采用四支臂單球面推力彈性軸承球柔性構(gòu)型，粘彈阻尼器臂間布置(即阻尼器兩端連接相鄰槳轂支臂)，如圖10。

旋翼折疊采用四片槳葉向后電動(dòng)自動(dòng)折疊。

擺振和變距鎖定通過在中央件引入一個(gè)支臂限動(dòng)鎖實(shí)現(xiàn)。當(dāng)需折疊時(shí)，支臂限動(dòng)鎖繞其電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，推動(dòng)槳轂支臂前擺至極限位置，同時(shí)相鄰支臂的變距搖臂卡入限動(dòng)鎖[4]，見圖11。

圖9 “超黃蜂”直升機(jī)變距鎖

圖10 NH90旋翼槳轂

圖11 NH90槳轂支臂擺振和變距鎖定

槳葉揮舞方向自由度的鎖定是由槳轂原有的揮舞限動(dòng)器提供，在地面停機(jī)狀態(tài)，兩個(gè)相對的槳葉在一個(gè)下限動(dòng)環(huán)上相互平衡。向上則由離心式上限動(dòng)限制槳葉的上揮實(shí)現(xiàn)。

3.5 SH60“海鷹”折疊槳轂

“海鷹”直升機(jī)是“黑鷹”的艦載型，旋翼槳轂采用四支臂球面彈性軸承和柱形彈性軸承組合球柔性構(gòu)型，以球面彈性軸承承擔(dān)槳葉的揮舞、擺振、變距運(yùn)動(dòng)，柱形彈性軸承分擔(dān)變距運(yùn)動(dòng)，減少了球面彈性軸承的變距運(yùn)動(dòng)。

旋翼折疊采用4片槳葉向后電動(dòng)自動(dòng)折疊，如圖12。

圖12 “海鷹”直升機(jī)旋翼槳轂

為避免槳葉折疊時(shí)旋翼系統(tǒng)內(nèi)部或旋翼與機(jī)身之間出現(xiàn)干涉，“海鷹”的槳轂半徑比“黑鷹”更大。

槳轂支臂揮舞鎖定通過槳轂本身自帶的離心式限動(dòng)器限制，擺振鎖定通過液壓阻尼器實(shí)現(xiàn)，因此“海鷹”的液壓阻尼器與“黑鷹”的不同。變距鎖定則是通過在變距搖臂處新增一把變距鎖來實(shí)現(xiàn)。

3.6 EH101折疊槳轂

EH101直升機(jī)旋翼槳轂采用五支臂球面推力彈性軸承和球面定心彈性軸承組合球柔性構(gòu)型，兩彈性軸承球心重合，它們的橡膠變形共同實(shí)現(xiàn)揮舞、振擺鉸功能，球面推力彈性軸承的橡膠變形實(shí)現(xiàn)變距鉸功能。液壓阻尼器為傳統(tǒng)布置，如圖13。

圖13 EH101折疊槳轂

旋翼折疊采用1片槳葉不折疊，平行于機(jī)身向后，另4片向后電動(dòng)自動(dòng)折疊。

槳轂支臂揮舞、擺振、變距三個(gè)方向自由度的鎖定方案[5]如下：

旋翼槳轂各支臂布置一把離心鎖(如圖14)，包括中央件上的限動(dòng)槽和槳轂支臂上的鎖架、鎖銷、彈簧和質(zhì)量塊等。當(dāng)旋翼從飛行狀態(tài)減速到地面空轉(zhuǎn)時(shí)，彈簧力克服質(zhì)量塊的離心力，推動(dòng)鎖銷進(jìn)入限動(dòng)槽，旋翼停轉(zhuǎn)后，離心鎖即上鎖。在槳葉折疊時(shí)，離心鎖結(jié)合彈性軸承球心與圓錐支撐件相合處構(gòu)成槳轂支臂的變距軸線，將槳轂支臂在揮舞和擺振兩個(gè)自由度有效鎖定。

變距鎖定通過布置直線鎖及轉(zhuǎn)動(dòng)鎖，三點(diǎn)鎖定不動(dòng)環(huán)。當(dāng)不動(dòng)環(huán)處于旋翼折疊位置時(shí)，布置于主減機(jī)匣上的轉(zhuǎn)動(dòng)鎖將搖臂轉(zhuǎn)到特定位置，此時(shí)布置于不動(dòng)環(huán)上的直線鎖伸出定位銷插入搖臂叉耳孔，從而將自動(dòng)傾斜器不動(dòng)環(huán)固定在主減上；而當(dāng)停機(jī)時(shí)液壓助力器壓力消失后，自動(dòng)傾斜器依然能保持其初始位置，既不能實(shí)現(xiàn)總距運(yùn)動(dòng)，也不能實(shí)現(xiàn)周期變距運(yùn)動(dòng)，這樣就間接地限制了槳轂支臂的變距運(yùn)動(dòng)。

圖14 EH101直升機(jī)離心鎖、變距鎖

4 結(jié)束語

艦載直升機(jī)與陸基直升機(jī)相比，具有外廓尺寸較小、海上安全性高等特點(diǎn)。旋翼槳葉折疊是決定直升機(jī)能否成功上艦的關(guān)鍵要素，其技術(shù)的先進(jìn)性也是艦載直升機(jī)劃代的主要依據(jù)。國外多架艦載直升機(jī)已成功應(yīng)用至型號，研制經(jīng)驗(yàn)豐富。而國內(nèi)則起步較晚，加上國外技術(shù)封鎖，與國外相比還有不小差距。

本文對國外幾種典型的艦載直升機(jī)旋翼槳轂進(jìn)行了詳細(xì)介紹。國外在旋翼折疊技術(shù)上的經(jīng)驗(yàn)必然對我國艦載直升機(jī)的發(fā)展具有一定的借鑒作用。