国外折叠旋翼桨毂构型技术分析

孙文芳，李建伟，覃海鹰，彭利乐

(1.中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001；2.陆军航空兵军事代表局驻景德镇地区军代室，江西 景德镇 333001)

0 引言

旋翼是直升机的升力面和操纵面，是直升机特有的关键动部件[1]。旋翼桨毂构型主要有跷跷板式、金属轴承全铰接式、星型柔性、球柔性、无铰式和无轴承式等[2]。

一方面，展开的旋翼桨叶占据了大量的空间，而航母、大型登陆舰、一般舰船或大型运输机等用于运输、存放直升机的空间是非常有限的，所以舰载直升机必须能旋翼折叠；另一方面，从存放安全性考虑，舰载直升机也必须能旋翼折叠。直升机在运输、存放过程中，一般通过起落架和系留绳等对直升机进行位置固定。由于旋翼展开状态的转动惯量较大，当风浪较大时极易造成安全事故。

旋翼折叠分人工折叠和自动折叠两种折叠方式。人工折叠即利用人力进行桨叶折叠驱动、折叠逻辑控制、折叠锁定机构锁定。自动折叠分液压驱动折叠和电动驱动折叠，即利用液压和电气等进行桨叶折叠驱动、折叠逻辑控制、折叠锁定机构锁定。液压驱动折叠是国外20世纪六、七十年代的技术，系统结构复杂、零件数目多，增重较大，可靠性较低。电机驱动折叠技术是当前国外新研舰载直升机的主流技术。

1 折叠方案的选择

小型直升机由于旋翼装机高度相对较低，单片桨叶重量相对较轻，所以一般选择人工折叠，可避免自动折叠带来的额外的空机重量、复杂机构和成本。

人工折叠有两种方法，一种是在桨毂支臂和桨叶根部之间引入一个折叠接头.折叠接头易于设计和加工，但如果是装机的一部分，则会带来附加的空机重量；如只是折叠的地面工装，站在直升机顶部整流罩操作的地勤人员需手持很重的工装及拆卸的若干桨叶销，加大地勤人员劳动强度，尤其在恶劣风况的舰船上操作时，工装或桨叶销可能会掉落，带来安全隐患，地勤人员无多余的手扶持，自己也有可能滑倒或跌落。另一种是连接桨毂支臂和桨叶的桨叶销倾斜一个角度[3]，但倾斜桨叶销很难设计和加工。

对于大中型直升机，由于直升机旋翼安装较高，单片桨叶重量大，如采用人工折叠，折叠时间长，地勤人员多，劳动强度大，且安全难以得到保证，在恶劣风况的舰船上操作更不切实际，所以一般采用自动折叠。国外各吨位直升机的旋翼折叠方式如表1所示。

表1 国外各吨位折叠直升机

2 桨叶折叠方向的选择

翘翘板式即2片桨叶旋翼，一般不折叠，为尽量减小占据空间，一片桨叶在前，一片在后系留固定。

3片桨叶旋翼折叠一般采用1片桨叶不折叠，平行于机身在后，另2片向后折叠。

4片桨叶旋翼折叠推荐采用全部向机身后折叠，如图1。也有采用2片不折叠，平行于机身，另2片中1片向后，1片向前，如图2。

图1 4片旋翼桨叶向后折叠

图2 4片旋翼桨叶前后折叠

5片桨叶旋翼折叠可采用2片桨叶在前，3片桨叶在后。对军用舰载直升机，因舰船空间极其重要，所以会推荐选用1片桨叶不折叠，平行于机身向后，另4片向后折叠，如图3所示。

图3 5片旋翼桨叶折叠

6片桨叶旋翼折叠可3片在前，3片在后，同样，对军用舰载直升机，推荐6片桨叶向后的折叠方案。

7片桨叶旋翼折叠，对军用舰载直升机，推荐选用1片桨叶不折叠，平行于机身向后，另6片向后折叠。

3 国外折叠旋翼桨毂构型技术特点

桨叶展向很长，桨毂支臂的小位移会导致桨叶产生较大的位移，桨尖位移最大。桨叶折叠时，桨叶绕一根固定轴转动，在桨叶旋转过程中，施加的弯矩会逐步转换成扭矩，如果在此过程中桨毂支臂的变距运动不能被锁定，由于桨叶重量、风载和操作的影响，则势必会导致桨叶不断下垂直至与机身干涉，造成结构损伤。因此，在开始折叠前必须锁定桨毂支臂的变距运动。同理，桨叶折叠过程中，旋翼桨叶重心远离挥舞铰，由于挥舞调节系数导致有变距耦合，产生的力矩可能会损伤自动倾斜器和操纵，需对桨毂支臂的挥舞运动进行有效锁定。桨毂支臂的摆振运动会妨碍折叠，引起干涉，所以需摆振定位。经验和运动分析表明，挥舞自由度对桨叶位移影响最小，摆振次之，变距影响最大。

折叠桨毂设计既需要考虑针对不同的桨毂构型如何消除/恢复桨毂支臂的挥舞、摆振和变距自由度，又要保证桨毂本身应具备的功能及性能。下面分析几个国外典型折叠直升机旋翼桨毂与桨毂支臂自由度锁定融合的技术方案。

3.1 SA365“海豚”折叠桨毂

“海豚”直升机旋翼桨毂采用四支臂星形柔性构型。每个支臂由星形件支臂、上下夹板、球面弹性轴承和频率匹配器组成。以星形件柔性臂和球面弹性轴承的弹性变形提供桨叶挥舞和摆振运动，星形件柔性臂摆振方向的刚度比挥舞方向大很多，是较为刚性的。以球面弹性轴承的扭转变形提供桨叶变距操纵所需的自由度。粘弹性频率匹配器提供旋翼摆振阻尼。每片桨叶通过快速拆卸桨叶销与桨毂支臂夹板连接，如图4所示。

旋翼桨叶采用手动折叠。因星形柔性旋翼的支臂的挥舞刚度较球柔性构型的弹性轴承刚度要大很多，因此在进行旋翼折叠时不需对桨毂支臂的挥舞自由度进行额外的限制；桨毂支臂摆振运动自由度的限制则通过在桨毂支臂之间增加频率匹配器固定夹工装来实现，如图5；桨毂支臂变距自由度锁定则是通过在桨毂支臂间加装挡块来实现。人工折叠时只需拔出一桨叶销，然后使桨叶绕另一桨叶销转动即可。

图4 “海豚”旋翼桨毂

图5 摆振自由度锁定工装示意

3.2 EC225折叠桨毂

EC225直升机旋翼桨毂采用五支臂单球面推力弹性轴承球柔性构型，液弹阻尼器“传统布置”(即阻尼器一端装中央件，另一端装桨毂支臂)，如图6。

图6 “海豚”EC225旋翼桨毂

旋翼折叠采用1片桨叶不折叠，平行于机身向后，另4片向后人工折叠。

桨毂支臂的挥舞锁定通过在支臂的上限动块和离心限动块之间插入楔形块工装，如图7；摆振定位则通过本身自带的液弹阻尼器实现。

停机后连接不动环的液压助力器无压力，桨叶折叠引起的扭矩会通过变距拉杆来平衡，变距拉杆无法承受折叠载荷，为此在动环不动环组件和中央件之间安装拉杆工装(见图8)，使得动环不动环组件和中央件成为一个整体，最终来自变距拉杆的载荷通过中央件传递到旋翼主轴。

图7 挥舞限位方案

图8 变距限位方案

3.3 “超黄峰”折叠桨毂

“超黄蜂”直升机旋翼桨毂采用六支臂金属轴承全铰接式构型，液压阻尼器传统布置。

桨毂支臂挥舞锁定通过桨毂本身自带的离心式挥舞限动器实现；摆振锁定通过液压阻尼器前摆桨毂支臂到极限实现；变距锁定通过在桨毂支臂引入变距锁实现，如图9。

3.4 NH90折叠桨毂

NH90直升机旋翼桨毂采用四支臂单球面推力弹性轴承球柔性构型，粘弹阻尼器臂间布置(即阻尼器两端连接相邻桨毂支臂)，如图10。

旋翼折叠采用四片桨叶向后电动自动折叠。

摆振和变距锁定通过在中央件引入一个支臂限动锁实现。当需折叠时，支臂限动锁绕其电机轴旋转一个角度，推动桨毂支臂前摆至极限位置，同时相邻支臂的变距摇臂卡入限动锁[4]，见图11。

图9 “超黄蜂”直升机变距锁

图10 NH90旋翼桨毂

图11 NH90桨毂支臂摆振和变距锁定

桨叶挥舞方向自由度的锁定是由桨毂原有的挥舞限动器提供，在地面停机状态，两个相对的桨叶在一个下限动环上相互平衡。向上则由离心式上限动限制桨叶的上挥实现。

3.5 SH60“海鹰”折叠桨毂

“海鹰”直升机是“黑鹰”的舰载型，旋翼桨毂采用四支臂球面弹性轴承和柱形弹性轴承组合球柔性构型，以球面弹性轴承承担桨叶的挥舞、摆振、变距运动，柱形弹性轴承分担变距运动，减少了球面弹性轴承的变距运动。

旋翼折叠采用4片桨叶向后电动自动折叠，如图12。

图12 “海鹰”直升机旋翼桨毂

为避免桨叶折叠时旋翼系统内部或旋翼与机身之间出现干涉，“海鹰”的桨毂半径比“黑鹰”更大。

桨毂支臂挥舞锁定通过桨毂本身自带的离心式限动器限制，摆振锁定通过液压阻尼器实现，因此“海鹰”的液压阻尼器与“黑鹰”的不同。变距锁定则是通过在变距摇臂处新增一把变距锁来实现。

3.6 EH101折叠桨毂

EH101直升机旋翼桨毂采用五支臂球面推力弹性轴承和球面定心弹性轴承组合球柔性构型，两弹性轴承球心重合，它们的橡胶变形共同实现挥舞、振摆铰功能，球面推力弹性轴承的橡胶变形实现变距铰功能。液压阻尼器为传统布置，如图13。

图13 EH101折叠桨毂

旋翼折叠采用1片桨叶不折叠，平行于机身向后，另4片向后电动自动折叠。

桨毂支臂挥舞、摆振、变距三个方向自由度的锁定方案[5]如下：

旋翼桨毂各支臂布置一把离心锁(如图14)，包括中央件上的限动槽和桨毂支臂上的锁架、锁销、弹簧和质量块等。当旋翼从飞行状态减速到地面空转时，弹簧力克服质量块的离心力，推动锁销进入限动槽，旋翼停转后，离心锁即上锁。在桨叶折叠时，离心锁结合弹性轴承球心与圆锥支撑件相合处构成桨毂支臂的变距轴线，将桨毂支臂在挥舞和摆振两个自由度有效锁定。

变距锁定通过布置直线锁及转动锁，三点锁定不动环。当不动环处于旋翼折叠位置时，布置于主减机匣上的转动锁将摇臂转到特定位置，此时布置于不动环上的直线锁伸出定位销插入摇臂叉耳孔，从而将自动倾斜器不动环固定在主减上；而当停机时液压助力器压力消失后，自动倾斜器依然能保持其初始位置，既不能实现总距运动，也不能实现周期变距运动，这样就间接地限制了桨毂支臂的变距运动。

图14 EH101直升机离心锁、变距锁

4 结束语

舰载直升机与陆基直升机相比，具有外廓尺寸较小、海上安全性高等特点。旋翼桨叶折叠是决定直升机能否成功上舰的关键要素，其技术的先进性也是舰载直升机划代的主要依据。国外多架舰载直升机已成功应用至型号，研制经验丰富。而国内则起步较晚，加上国外技术封锁，与国外相比还有不小差距。

本文对国外几种典型的舰载直升机旋翼桨毂进行了详细介绍。国外在旋翼折叠技术上的经验必然对我国舰载直升机的发展具有一定的借鉴作用。