[直升机之髓]三大“动部件”

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　　如果有一架武装直升机摆在你面前，你最关心的是什么?战力，挂什么武器、遂行什么任务；你也可能会关注它的性能，飞多高、多快、多远、多久，能不能做斤斗、横滚甚至兰威茨曼；你甚至会关心它的航电系统、复合材料、飞控技术、数据链什么的。对兴趣人士来说，关注这些都很正常，但若是直升机专业人士，首先关注的肯定是三大“动部件”――旋翼系统、发动机和传动系统。三大“动部件”都属于旋转部件，需要在交变载荷下长期稳定工作。与其它技术相比，三大动部件技术才是直升机的特征技术、核心技术和关键技术。
　　三大“动部件”也是直升机研制过程中最困难、最复杂、技术含量最高的工作，不掌握三大“动部件”技术，就不可能研制出高性能的直升机。
　　
　　旋翼系统
　　
　　旋翼是直升机上最显著的特征部件，如果看到天上有个硕大的、风车一样的家伙在头顶上呼呼旋转，就知道那准是架直升机。旋翼又是直升机上最重要的气动部件，平衡重力的升力、使直升机前进的驱动力以及直升机改变姿态的操纵力，主要源自于它。旋翼桨叶的运动更复杂，除了绕着旋翼轴不停地旋转外，还要以桨毂为支点上下挥舞，以桨毂为中心前后摆振，绕桨叶轴进行变距(改变桨叶角)运动。
　　旋翼系统由旋翼轴、桨毂和若干片桨叶组成，一般也将尾桨归到旋翼系统之中。旋翼对于改善直升机的飞行性能、飞行品质，降低噪声和振动水平，具有决定性的作用。因此，旋翼技术一直是引导直升机发展的主导技术。
　　事实上，旋翼的鼻祖是我们中国人。明朝初期，中国人发明了一种叫“竹蜻蜓”的玩具，用竹子或木片削成细长而扭曲的薄片，在中间安上一个轴，用手搓动该轴，“竹蜻蜓”便能垂直飞向天空。18世纪“竹蜻蜓”被传到了欧洲，引起法国、英国、俄罗斯学者的极大兴趣，管它叫“中国飞陀螺”。“竹蜻蜓”是现代直升机旋翼的基础。但是到了现代，中国的旋翼技术曾经远远地落后于欧美、也远远落后于苏联／俄罗斯。在1990年之前，我们基本不具备自主研制先进旋翼系统的能力，这成了中国直升机界的一大心病。如果连旋翼都设计不出来，还谈什么直升机发展呀?
　　旋翼与固定翼飞机的机翼相比，其动力学问题和结构问题要复杂得多。为什么这样说呢?
　　先看旋翼的桨叶。桨叶和机翼一样都是提供升力的基本部件，其空气动力特性是由桨叶的剖面形状(也叫叶型)和桨叶平面形状共同决定的。这两个几何形状的确定，与机翼相比一点都不简单，除了大量的风洞试验和分析计算之外，还要建个旋翼试验塔。别觉得直升机速度小，桨叶就是个低速空气动力学问题。事实上，直升机在前飞过程中其桨尖的速度是能够达到音速的。不仅如此，旋翼的桨叶还有其特殊的复杂问题。一是，桨叶周围是非定常、非理想流场，这下子麻烦就来了：没有准确描述这种流场的数学方程，必须通过大量的试验才能够建立起数学模型。工程技术发展到今天，什么事情最难?无法定量描述的东西最难!二是，桨叶始终处在高速旋转的环境中，受到交变载荷的反复作用，抗疲劳就成了一个大问题。当今先进直升机都采用复合材料桨叶，主要出自于这方面的考虑，直升机旋翼的复合材料应用往往代表着这个国家的最高水平。还有，一个旋翼由几片桨叶组成，前面的桨叶会对后面的桨叶产生气动干扰，这叫“桨涡干涉”，是一个非常复杂的动力学问题。
　　再看旋翼桨叶的运动。旋翼桨叶的运动可不像是吊扇的桨叶只绕着轴旋转，前飞时旋翼桨叶必须在旋转过程中上下挥舞，为什么要挥舞呢?因为直升机前飞时，流过不同位置桨叶的气流速度是不一致的，当桨叶转到与前飞方向相同位置时(前行桨叶方)，流过桨叶的气流速度=桨叶的旋转线速度+直升机的前飞速度；当桨叶转到与前飞方向相反位置时(后行桨叶方)，流过桨叶的气流速度=桨叶的旋转线速度一直升机的前飞速度。而桨叶产生的升力大小又与气流速度平方成正比，这样以来，桨叶在不同位置产生的升力大小不一样，前行桨叶方一侧升力大，后行桨叶方一侧升力小，直升机势必产生倾斜。这可是个大问题，曾经困扰了直升机界好多年，后来西班牙人切尔瓦发明了水平铰才解决了这个问题。原理是这样的：在桨叶的根部安装一个水平铰链，让桨叶能够绕着这个铰链自由转动，当前行桨叶方的桨叶因气流速度增大而升力增大时，桨叶就向上挥舞，导致桨叶迎角减小，升力又会因迎角减小而减小；同理，后行桨叶方的桨叶绕轴向下挥舞，使迎角增大，补偿了因气流速度减小而造成的升力差值。
　　桨叶的自然挥舞解决了前飞时旋翼出现的升力不对称和交变弯矩问题，但新的问题又来了：桨叶上下挥舞时每片桨叶的重心至旋翼轴的距离都是不断变化的。桨叶上挥时，桨叶重心至旋冀轴的距离减小；桨叶下挥时，桨叶重心至旋翼轴的距离增大。看过花样滑冰吗?当运动员在冰面上旋转时，他的手臂上举转速就会加大，他的手臂平展转速就会减缓，这是哥式力作用的结果。桨叶挥舞也会受到哥式力的作用，力图使桨叶的转速加速或减缓，这样就在桨叶根部产生了一个很大交变弯矩，容易使桨叶因疲劳而提前损坏，也容易引起过大的振动。为了避免这种情况的发生，最早的办法是在桨叶根部再设置一个垂直铰链，让桨叶在前后方向上有一个自由度，产生前后摆振运动。
　　还有，为了改变旋翼拉力的大小和方向，必须让桨叶按照驾驶员的意志改变桨叶的迎角，即“变距”。驾驶员上提或下放总距杆，使所有的桨叶迎角都发生变化，这叫变总距；驾驶员向某个方向移动驾驶杆，使桨叶迎角发生周期性变化，进而使桨盘倾斜，这叫周期变距。变总距、周期变距都是通过桨叶绕桨叶轴转动而实现的。
　　这样一来，桨叶在旋转的同时伴随着三种运动：挥舞运动、摆振运动、变距运动。如何实现这三种运动呢?依靠旋翼的桨毂来实现。最早的桨毂都是铰接式的，桨毂上设置了水平铰、垂直铰和变距铰，典型的是苏联的米-8系列。后来美国在一些中小型直升机上采用万向接头桨毂和跷跷板式桨毂(比如UH-1)，去掉了垂直铰，使结构得到简化。60年代末无铰式桨毂进入实用化(如“山猫”)，无铰式桨毂取消了水平铰和垂直铰，只保留变距铰。再后来，出现了无轴承桨毂，三个铰链全部取消，桨叶的挥舞、摆振、变距运动都由桨叶根部的柔性单元来承担。目前比较先进的无轴承桨毂是球柔性桨毂，其柔性单元是一个球形的复合材料层压元件，由它来完成桨叶所需要的三种运动。这种桨毂构造简单、抗疲劳、免维护、寿命长，优点很多，以至于成为衡量直升机先进与否的重要指标。
　　是不是有点晕?这很正常，因为直升机的旋翼系统实在太复杂了，涉及到气动问题、动力学问题、材料问题、工艺问题等，还有工程经验。现代旋翼技术已经微妙到了新手根本无法企及的地步，世界上没有几个国家能掌握如此复杂的技术。
　　
　　发动机
　　
　　发动机是航空器的心脏，也可以说是整个航空事业的心脏。回顾航空发展史，每一个里程碑式的成就，无不与航空发动机的技术进步密切相关。正因如此，世界航空强国都把先进 航空发动机技术列为具有战略意义的关键技术，航空发动机历来是一些大国对别国进行技术封锁的重点领域。机翼可以转包生产，机体可以转包生产，武器可以外销，有些航电也可以谈技术转让问题，但航空发动机的关键技术是万不可转让并严格保密的。
　　航空发动机要在高温、高压、高转速和高负荷的环境中反复地工作，还要具有重量轻、体积小、功率大、使用可靠及经济性好等特点，因此，必须要有很强的设计、加工及制造能力，是一种典型的技术密集型产品。发动机研制周期长，技术难度大，耗费资金多，只有科技大国、经济大国才有能力研制和生产。航空发动机堪称最精密、最复杂的机械装置，有人将其比喻为“工业时代皇冠上的明珠”。
　　直升机用的航空发动机主要有两种：活塞式发动机和涡轮轴发动机。早期的直升机都采用活塞式发动机，存在振动大、功率重量比小、功率体积比小、控制复杂等许多问题。1950年，法国透博梅卡公司在涡轮喷气发动机基础上研制出206千瓦的“阿都斯特”I型涡轮轴发动机，并配装在美国S-52-5直升机上。涡轮轴发动机最大的特点是功率重量比大，使用维护也简单，因此已成为直升机最主要的动力形式。60多年来，涡轮轴发动机已经发展了4代，功率重量比从2千瓦／千克发展到了6.8-7.1千瓦／千克。第一代涡轮轴发动机于上世纪50年代开始研制，60年代服役；第二代60年代研制；第三代70年代设计，80年代投产，代表型号有美国通用电气公司的T-700GE-701A、加拿大普惠公司的PT6C-67C、苏联的TV3-117VM等：第四代涡轮轴发动机于上世纪90年代初开始研制，是目前最先进的发动机，代表型号有英法联合研制的RTM322-0、美国的T800-LHT-800、俄罗斯的TVD1500等。对于专用武装直升机而言，至少要配装第三代涡轮轴发动机才能满足其性能要求。在1990年之前，中国涡轮轴发动机技术基本上处在第一代的水平，不具备自主研制第三代涡轮轴发动机的能力，因此，在当时还无法自主研制专用武装直升机。
　　涡轮轴发动机的尾喷管排出的气流速度很小，产生的推力也很小，甚至完全不产生推力。它的高温燃气的热能绝大部分都用来推动燃气涡轮的旋转。在燃气涡轮上有一根与主减速器连接的输出轴，发动机功率通过这根轴被传送出去。
　　直升机对发动机的一般要求是：功率重量比高、耗油率低、高度特性与温度特性好、起动容易、加速快、可靠性高、维修性好、振动与噪声小等。直升机对发动机还有两项特殊要求：一是要求发动机在起动停车和旋翼自转时必须使旋翼和发动机脱开；二是要求发动机的扭矩――转速特性应保持足够的稳定性，即，任何原因引起的转速变化均可由发动机轴上的扭矩自动增加或减少来恢复到原来的转速。对于专用武装直升机来说，为适应在沙尘环境下飞行的需要，在其前端要加装粒子分离器，以过滤掉空气中的沙尘；为避免被红外探测装置探测和红外寻的导弹跟踪，在发动机排气管处要加装排气红外抑制装置。
　　涡轮轴发动机最核心的是三大部件――压气机、燃烧室、涡轮，这三大部件构成一个热循环系统，被合称为燃气发生器(涡轮风扇发动机习惯上称这三大部件为“核心机”)。燃气发生器是涡轮轴发动机研制中最难的，上游部件的出口流场和温度场对下游部件有很大影响，下游部件的工作又影响到上游部件的稳定性，因此技术难度大、研制周期长、经费投入多。发动机研制涉及到工程热力学、流体力学、结构力学、燃烧学、航空材料、制造工艺、控制理论等学科，研制过程是一个研究一设计一试验一修改设计一再试验多次迭代的过程，一般需要十万小时的零部件试验、四万小时的附件试验、一万小时的整机试验，研制周期一般比直升机机体长3～5年。第三代涡轮轴发动机在工艺上还有两项特征技术：单晶叶片和粉末冶金盘。所谓单晶叶片就是指整个涡轮叶片由一粒晶体构成，大大提高了其高温性能，往往还具有空心、薄壁和复杂曲面结构等特点。粉末冶金盘是指用快速凝固高温合金粉末制成的涡轮盘。以前航空发动机的涡轮盘大都由高温合金锻造而成，70年代，美国通用电气公司率先采用快速凝固高温合金粉末制作CFM56发动机涡轮盘，大大提高了发动机的高温性能和抗蠕变性能，从此，粉末冶金涡轮盘得到快速发展。
　　而今，中国已自主研制出具有独立知识产权的第三代涡轮轴发动机，实现了从第一代到第三代的跨越，说明我们在发动机基础理论、设计、制造、工艺、试验、工程管理、产业基础等各个环节都取得了突破，终于解决了长期困扰我们的“心脏病”问题，这是一个非常了不起的成就，可喜可贺!
　　
　　传动系统
　　
　　传动系统是直升机特有的一个系统，是发动机驱动旋冀和尾桨旋转不可缺少的关键部件，它与发动机、旋翼系统共同构成一个机械运动系统，决定了直升机许多关键的技术、战术指标。因其技术的复杂性和作用的关键性，与旋翼系统、发动机一起被称为直升机的三大“动部件”。
　　传动系统的功能是将发动机的轴输出功率通过减速和换向，成为旋翼和尾桨能够使用的功率。传动系统通常有五部分组成：主减速器、尾减速器、中间减速器、主减速器与发动机之间的动力传动轴组件、尾传动轴组件。
　　下面我们按照传输路径，逐个介绍传动系统各部分的功用。
　　动力传动轴组件位于发动机功率输出轴与主减速器之间，其后端与发动机相连接，前端与主减速器相连接，功能是将发动机的动力传输给主减速器。
　　主减速器一般位于旋翼下方、发动机的前面，其主要功能是：将每分钟20000多转的发动机转速减至每分钟300转左右后传送给旋翼；对于多发直升机来说，还要将多台发动机并车；同时将旋翼的气动载荷传递给机身，并且要驱动尾传动轴、发电机、液压泵等。
　　尾传动轴组件一般位于直升机的尾梁和尾斜梁内，功能是将主减速器的尾传输出功率传递给中间减速器，并将中间减速器的输出功率传递给尾减速器。
　　中间减速器一般位于尾梁的最后端，功能是按照转向和转速要求，将主减速器的尾传输出功率通过尾斜轴传递给尾减速器。
　　尾减速器位于尾斜梁上部，功能是按照转向和转速要求，将尾斜轴功率传递给尾桨，并为尾桨操纵机构提供安装支座。
　　在外行人看来，传动系统不就是些齿轮、轴承吗?哪来得这么复杂和重要呀?事实上，传动系统涉及到关键技术有很多，比如：系统的动力学匹配问题，高转速输入条件下的高生存力、长寿命问题，高疲劳强度动力传动轴的研制，重量轻、抗弹击的尾传动轴的研制，长寿命、高功率重量比的尾减速器，以及高速斜撑离合器、行星齿轮球面调心轴承等。这些关键技术的背后，则是材料、工艺、试验手段、基础理论、加工设备等一系列因素。可以说，要研制出高性能传动系统，需要调集现代机械制造业的大部分顶尖手段。先进的武装直升机都有一个重要战术指标――30分钟干运转能力，意思是，假如直升机在战场上被击中，传动系统的润滑油漏光了，传动系统的齿轮、轴承 “干磨”30分钟。试想，这需要多么过硬的材料、多么高超的工艺、多么精准的配合呀!武装直升机的传动系统都有抗弹击的要求，意思是被20毫米口径以下的枪弹击中了，不能影响其工作，这又需要什么样的材料制作呢?
　　我国直升机界过去对传动系统的认识不到位，一直认为传动系统与旋翼系统、发动机相比要简单一些。但随着高性能直升机型号研制的深入，感觉就大不一样了。事实上，世界著名的直升机企业如意大利阿古斯塔公司、美国西科斯基公司、法国的欧洲直升机公司等都认为，三大动部件各有各的难处。传动系统之难，除了前面提到的一些技术因素之外，还难在四处一是，传动系统必须在给定条件下即发动机和旋翼都确定的条件下方可研制，犹如“带着镣铐跳舞”，约束条件很多，只能在机体和发动机设计冻结后才能开始设计，很难发挥预先研究的优势；其二，发动机可以搞验证机，传动系统则不能，只能在有限的时间内完成设计、加工与安装；其三，需要丰富的工程经验积累，在这一点上我们是曾经最缺乏的；其四，更加依赖于先进的三维设计手段和虚拟制造技术。
　　结合直升机的传动系统再谈点题外的话。传动系统的主体无疑是由齿轮和轴承构成的，齿轮和轴承也是两种最古老的工业零件。如今已经到了21世纪，世界进入了网络时代，似乎硅片才是这个时代先进生产力的象征，齿轮和轴承如蒸汽机车那样成为“过气”明星。事实并不尽然，齿轮和轴承依然是当代机械设备中举足轻重不可缺少的基础零部件，在我国工业化发展中依然具有重要的战略地位。二战时期，盟军对德国纳粹进行战略轰炸时就将轴承厂定为重点打击目标，1943年8月和10月两次对德国轴承厂集中的施魏恩浮特小城进行战略轰炸，使德国轴承产量分别下降了38％和65％，军工生产能力遭到重创。今天，看到一些大型国有轴承企业和齿轮企业纷纷倒闭、转产、合资的时候，笔者心中深感隐忧。
　　
　　“铁鸟”台与旋翼塔
　　
　　直升机同固定翼飞机相比，对试验的依赖性更强，因为直升机的许多状态都很难用准确的数学模型来描述。加之直升机各系统之间关联度高，彼此之间相互影响，牵一发而动全身，因此，试验工作和试验设施建设对于直升机的研制具有前提性作用。有一位世界直升机大师曾经说过：“直升机是试出来的，而不是设计出来的。”直升机难就难在这个地方。在众多直升机试验设施中，“铁鸟”试验台和旋翼试验塔是最关键的设备，当然，发动机的试车台也很关键，但一般将其归在发动机领域里。在此简要介绍一下“铁鸟”台和旋翼塔。
　　大家都知道，在固定翼飞机的研制过程中，首飞的风险是最大的。可你知道吗?对直升机来说，首飞的风险只能排在第二位，风险最大的是“铁鸟”试验。什么是“铁鸟”试验?正规名称叫“直升机地面联合试验”，就是将装机状态的三大“动部件”放在“铁鸟”台上，进行近似实际飞行状态的联合测试。为什么它的风险最大呢?因为三大动部件哪怕出现一丁点故障，在高速运转的条件下，立马会像子弹一样“飞”出去，对试验台造成灾难性破坏，伤及人员，祸及现场，更严重的是，整个型号研制将因此而无法再继续下去。
　　所谓“铁鸟”试验台，是以型号装机的发动机、传动系统、旋翼系统为试件，采用或部分采用装机的操纵系统、燃油系统、滑油系统、液压系统、起动系统及相关仪表，配置测试系统、监测报警系统组成试验装置，来完成旋翼、动力、传动等三大系统的功能性、协调性、耐久性试验，考核这三大系统的综合能力，全面摸透三大动部件的功能特性，深入了解了各部件、各系统之间的协调关系，为以后的装机、首飞奠定了基础。固定翼飞机也有“铁鸟”试验，主要是为了测试操纵系统和液压系统的性能，而直升机的“铁鸟”试验则是一次针对三大“动部件”的综合性大考，其作用和地位比固定翼的“铁鸟”试验要重要得多。正因如此，在直升机“铁鸟”试验的时候，往往是最紧张、也是最关键的时刻，行政总指挥、总设计师等头面人物都要到场。
　　改革开放初期，中国直升机界的专家到欧洲、美国参观，看到人家功能完备的“铁鸟”试验台，十分羡慕。要搞世界一流的直升机，没有一流的试验设备是不行的。中国的“铁鸟”试验台于2000年前后初步建成，采用世界流行的总线测试技术，其技术水平与世界航空强国相当，为我国高性能直升机的顺利研制做出了重要贡献。
　　在世界的知名直升机公司里都有一个像碉楼一样的建筑，它是做什么用的?它就是旋翼试验塔，是用来进行旋翼系统试验。对于固定翼飞机来说，通过计算空气动力学(CFD)、吹风试验、飞行试验即可基本完成气动部件的设计。但对直升机来说这还不够，必须进行旋翼塔试验，才能完全摸透气动规律，而且这个环节是不可替代的。旋翼试验塔由塔体、驱动系统、测控系统、旋翼天平、辅助系统等五部分组成。那么，旋翼塔试验主要有哪些内容呢?旋翼塔上安装的是全尺寸的真实的旋翼系统，可直接进行直升机悬停和垂直飞行的各种试验，也可通过周期变距来研究旋翼桨叶的挥舞和摆振运动规律，还可进行旋翼的耐久性试验。这对于深入研究旋翼技术、缩短型号研制周期、降低技术风险具有重要意义。
　　过去我国没有旋翼塔，许多试验都无法进行，旋翼系统的设计只能依赖现有型号，参数选择必须与现有型号一致，很难有多少自主创新的东西。2010年前后，我们通过重点型号的研制，建成了具有世界先进水平的旋翼试验塔，号称“亚洲第一塔”，随后又成功进行了一系列试验，大大促进了我国旋翼技术水平的提高，也为以后我国自主开发重型直升机、高性能直升机奠定了基础。
　　现在，以武装直升机的诞生为标志，我国直升机三大“动部件”的研制水平已经跻身于世界先进行列。瓶颈已经突破，前程豁然开朗。
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