[科普中国]-无铰旋翼

简介

一般所说的无铰式旋翼，是指在桨毂上取消了水平铰和垂直铰，仍保留了变距用的轴向铰。桨叶的挥舞运动和摆振运动，通过结构的弯曲变形来实现。这种形式的旋翼，目前使用的有两种：一种是旋翼桨毂为挥舞半刚性的，桨叶的挥舞是靠桨毂部件的弹性变形来实现的，如英法合制的WG-13“山猫”直升机，如图1所示；另一种是旋翼桨毂为挥舞刚性的，桨叶的挥舞靠桨叶根部的弯曲变形来实现，如德法合制的BO-105直升机。1

研究背景20世纪从四十年代到六十年代，铰接式旋翼都是主要的旋翼型式。在长期的应用中这种形式发展得比较成熟，经验也比较多。但是，由于结构复杂、维护工作量大，操纵功效及角速度阻尼小等固有的缺点，这种形式是很不理想的。因此，从20世纪50年代就开始了无铰式旋翼的研究工作。

与铰接式旋翼对比，无铰式旋翼的结构动力学特性与飞行动力学特性联系更为密切。此外，由于结构动力学特点上的差别，这种型式产生了一些新的动力稳定性问题。2

无铰式旋翼的固有特性无铰式旋翼桨叶挥舞一阶振型是和铰接式旋翼的挥舞零阶振型（绕水平铰的“刚体”挥舞）相当的。加入说铰接式旋翼的操纵取决于其零阶振型的振动——桨叶的“刚体”挥舞，那么无铰式旋翼则主要取决于其一阶振型的振动。这样，一阶振型的固有特性就是设计时的一个重要参数。

铰接式旋翼在水平铰外移量等于零时其零阶振型的固有频率就等于转速Ω。在有水平角外移量时这个固有频率会略有提高。但是，在一般结构允许的水平铰外移量范围内，这个固有频率难以超过1.04Ω。而无铰式旋翼的一阶振型固有频率则一般在1.08Ω~1.15Ω的范围内，且多在1.10Ω左右。与铰接式相比，无铰式旋翼的挥舞固有频率增加并不太多。

铰接式旋翼的零阶振型刚度完全由离心力提供。而无铰式旋翼的一阶振型，由于存在弹性变形，则除了离心力刚度外还附加了弹性刚度。这样固有频率也就必然要加大。但是，由于频率变化不大，也就说明了这时还是离心力刚度起主要作用，而弹性刚度的影响使次要的。

频率虽然变化不大，但振型却有明显变化。对于铰接式旋翼，桨叶没有弹性变形，水平铰处及水平铰以外的部分弯矩都等于零或接近于零。对于无铰式旋翼，则在根部产生很大的弯矩。2

稳定性影响无铰式旋翼挥舞运动类似于铰接式旋翼，两种旋翼力和挥舞导数相差无几。然而，铰接式旋翼的桨毂力矩是无铰式旋翼的数倍，所以，相较于3%~4%偏移量的铰接式旋翼，无铰式旋翼的有效偏移量需达到12%~16%，甚至更高。这就需要增加桨叶刚度，刚度增量会对直升机纵向静态稳定性造成不利影响：特殊情况下，直升机高速状态的俯仰不稳定性可能会更为严峻。直升机重心位置前倾会缓解上述影响，但是在实际中，直升机的重心位置取决于其任务剖面。我们还可以从水平安定面的设计入手，不仅其尺寸对稳定性有直接影响，而且其相对机身的安装角度也对俯仰力矩平衡有一定影响，同时，该设计还可以被利用于最小化操纵飞行包线上关键部分的桨毂力矩。不管怎样，高速飞行的典型特征就是稳定性逐渐衰退。3