國外折疊旋翼槳轂構型技術分析

孫文芳，李建偉，覃海鷹，彭利樂

(1.中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001；2.陸軍航空兵軍事代表局駐景德鎮地區軍代室，江西 景德鎮 333001)

0 引言

旋翼是直升機的升力面和操縱面，是直升機特有的關鍵動部件[1]。旋翼槳轂構型主要有蹺蹺板式、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了大量的空間，而航母、大型登陸艦、一般艦船或大型運輸機等用于運輸、存放直升機的空間是非常有限的，所以艦載直升機必須能旋翼折疊；另一方面，從存放安全性考慮，艦載直升機也必須能旋翼折疊。直升機在運輸、存放過程中，一般通過起落架和系留繩等對直升機進行位置固定。由于旋翼展開狀態的轉動慣量較大，當風浪較大時極易造成安全事故。

旋翼折疊分人工折疊和自動折疊兩種折疊方式。人工折疊即利用人力進行槳葉折疊驅動、折疊邏輯控制、折疊鎖定機構鎖定。自動折疊分液壓驅動折疊和電動驅動折疊，即利用液壓和電氣等進行槳葉折疊驅動、折疊邏輯控制、折疊鎖定機構鎖定。液壓驅動折疊是國外20世紀六、七十年代的技術，系統結構復雜、零件數目多，增重較大，可靠性較低。電機驅動折疊技術是當前國外新研艦載直升機的主流技術。

1 折疊方案的選擇

小型直升機由于旋翼裝機高度相對較低，單片槳葉重量相對較輕，所以一般選擇人工折疊，可避免自動折疊帶來的額外的空機重量、復雜機構和成本。

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折疊接頭.折疊接頭易于設計和加工，但如果是裝機的一部分，則會帶來附加的空機重量；如只是折疊的地面工裝，站在直升機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，加大地勤人員勞動強度，尤其在惡劣風況的艦船上操作時，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角度[3]，但傾斜槳葉銷很難設計和加工。

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

表1 國外各噸位折疊直升機

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身后折疊，如圖1。也有采用2片不折疊，平行于機身，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，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，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，推薦選用1片槳葉不折疊，平行于機身向后，另6片向后折疊。

3 國外折疊旋翼槳轂構型技術特點

槳葉展向很長，槳轂支臂的小位移會導致槳葉產生較大的位移，槳尖位移最大。槳葉折疊時，槳葉繞一根固定軸轉動，在槳葉旋轉過程中，施加的彎矩會逐步轉換成扭矩，如果在此過程中槳轂支臂的變距運動不能被鎖定，由于槳葉重量、風載和操作的影響，則勢必會導致槳葉不斷下垂直至與機身干涉，造成結構損傷。因此，在開始折疊前必須鎖定槳轂支臂的變距運動。同理，槳葉折疊過程中，旋翼槳葉重心遠離揮舞鉸，由于揮舞調節系數導致有變距耦合，產生的力矩可能會損傷自動傾斜器和操縱，需對槳轂支臂的揮舞運動進行有效鎖定。槳轂支臂的擺振運動會妨礙折疊，引起干涉，所以需擺振定位。經驗和運動分析表明，揮舞自由度對槳葉位移影響最小，擺振次之，變距影響最大。

折疊槳轂設計既需要考慮針對不同的槳轂構型如何消除/恢復槳轂支臂的揮舞、擺振和變距自由度，又要保證槳轂本身應具備的功能及性能。下面分析幾個國外典型折疊直升機旋翼槳轂與槳轂支臂自由度鎖定融合的技術方案。

3.1 SA365“海豚”折疊槳轂

“海豚”直升機旋翼槳轂采用四支臂星形柔性構型。每個支臂由星形件支臂、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動，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。

旋翼槳葉采用手動折疊。因星形柔性旋翼的支臂的揮舞剛度較球柔性構型的彈性軸承剛度要大很多，因此在進行旋翼折疊時不需對槳轂支臂的揮舞自由度進行額外的限制；槳轂支臂擺振運動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現，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現。人工折疊時只需拔出一槳葉銷，然后使槳葉繞另一槳葉銷轉動即可。

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直升機旋翼槳轂采用五支臂單球面推力彈性軸承球柔性構型，液彈阻尼器“傳統布置”(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塊和離心限動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現。

停機后連接不動環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，為此在動環不動環組件和中央件之間安裝拉桿工裝(見圖8)，使得動環不動環組件和中央件成為一個整體，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”直升機旋翼槳轂采用六支臂金屬軸承全鉸接式構型，液壓阻尼器傳統布置。

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

3.4 NH90折疊槳轂

NH90直升機旋翼槳轂采用四支臂單球面推力彈性軸承球柔性構型，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自動折疊。

擺振和變距鎖定通過在中央件引入一個支臂限動鎖實現。當需折疊時，支臂限動鎖繞其電機軸旋轉一個角度，推動槳轂支臂前擺至極限位置，同時相鄰支臂的變距搖臂卡入限動鎖[4]，見圖11。

圖9 “超黃蜂”直升機變距鎖

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器提供，在地面停機狀態，兩個相對的槳葉在一個下限動環上相互平衡。向上則由離心式上限動限制槳葉的上揮實現。

3.5 SH60“海鷹”折疊槳轂

“海鷹”直升機是“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型，以球面彈性軸承承擔槳葉的揮舞、擺振、變距運動，柱形彈性軸承分擔變距運動，減少了球面彈性軸承的變距運動。

旋翼折疊采用4片槳葉向后電動自動折疊，如圖12。

圖12 “海鷹”直升機旋翼槳轂

為避免槳葉折疊時旋翼系統內部或旋翼與機身之間出現干涉，“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器限制，擺振鎖定通過液壓阻尼器實現，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現。

3.6 EH101折疊槳轂

EH101直升機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型，兩彈性軸承球心重合，它們的橡膠變形共同實現揮舞、振擺鉸功能，球面推力彈性軸承的橡膠變形實現變距鉸功能。液壓阻尼器為傳統布置，如圖13。

圖13 EH101折疊槳轂

旋翼折疊采用1片槳葉不折疊，平行于機身向后，另4片向后電動自動折疊。

槳轂支臂揮舞、擺振、變距三個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槽和槳轂支臂上的鎖架、鎖銷、彈簧和質量塊等。當旋翼從飛行狀態減速到地面空轉時，彈簧力克服質量塊的離心力，推動鎖銷進入限動槽，旋翼停轉后，離心鎖即上鎖。在槳葉折疊時，離心鎖結合彈性軸承球心與圓錐支撐件相合處構成槳轂支臂的變距軸線，將槳轂支臂在揮舞和擺振兩個自由度有效鎖定。

變距鎖定通過布置直線鎖及轉動鎖，三點鎖定不動環。當不動環處于旋翼折疊位置時，布置于主減機匣上的轉動鎖將搖臂轉到特定位置，此時布置于不動環上的直線鎖伸出定位銷插入搖臂叉耳孔，從而將自動傾斜器不動環固定在主減上；而當停機時液壓助力器壓力消失后，自動傾斜器依然能保持其初始位置，既不能實現總距運動，也不能實現周期變距運動，這樣就間接地限制了槳轂支臂的變距運動。

圖14 EH101直升機離心鎖、變距鎖

4 結束語

艦載直升機與陸基直升機相比，具有外廓尺寸較小、海上安全性高等特點。旋翼槳葉折疊是決定直升機能否成功上艦的關鍵要素，其技術的先進性也是艦載直升機劃代的主要依據。國外多架艦載直升機已成功應用至型號，研制經驗豐富。而國內則起步較晚，加上國外技術封鎖，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旋翼槳轂進行了詳細介紹。國外在旋翼折疊技術上的經驗必然對我國艦載直升機的發展具有一定的借鑒作用。