认识直升机划代标准：桨毂结构如何进化？

科普中国-军事科技前沿 2018-07-25 作者：程笑颜工作室

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　　在上篇中，我们介绍了如何从发动机的角度对直升机进行划代（《认识直升机划代标准：各代发动机构型如何变化？》）。今天我们则要系统性地介绍直升机划代的第二大标准——桨毂。

　　桨毂是直升机旋翼传动轴与旋翼桨叶的连接结构，它的主要作用有两点，一是将传动轴动力传递给旋翼，二是控制旋翼桨叶在三个方向上的运动来实现直升机机动。除此以外，桨毂还直接影响着直升机桨叶的寿命及噪音水平。由此可见，在一架直升机的设计中，桨毂的作用至关重要。如果说发动机是直升机的肌肉，那么桨毂就是直升机的骨骼！

　　直升机的骨骼——桨毂

　　直升机通过加大或减小旋翼的迎角，在转速不变的情况下改变旋翼升力，使直升机在垂直方向上下移动，这种改变旋翼迎角的运动叫做变距。当每片旋翼固定旋转到前方时将迎角减小，旋转到后方时将迎角加大，这种运动被称为周期变距。通过周期变距，直升机将会整体向着前方倾斜，这时由于旋翼盘有了一定倾斜角度，因此在产生升力的同时也会产生向前的推力，推动整个直升机前行，同样的原理还可以控制直升机的后退与左右偏移。而如果周期变距力度加大，直升机甚至会整个滚转起来，中国风雷直升机表演队的“筋斗”动作就是如此完成的。因此，桨毂必须拥有变距能力，这是直升机机动的核心。

　　武装直升机通过周期变距进行向后翻滚

　　而为了抵消直升机飞行速度改变带来的风阻变化，旋翼还应具备改变后掠角来抵消风阻的能力，这种运动被称为摆振。同样，在直升机遇到侧风时机身倾斜，如同人们歪着身子骑自行车，此时整个旋翼盘也随直升机一起倾斜于地面。想要在这种状态下恢复水平，则需要低处旋翼向上摆动，高处旋翼向下摆动来将整体旋翼盘水平于地面，这种动作被称为挥舞。

　　控制旋翼完成变距，摆振，挥舞，这就是桨毂的三大任务。自出现至今，桨毂经历了三次大的改进。而桨毂的更新换代，正是围绕着如何优化这三个动作而来的。

　　第一代桨毂为金属全铰接式桨毂，其变距，摆振，挥舞三个动作全部由金属轴承与铰链完成，采用金属全铰接式桨毂的直升机典型代表有苏联的米-4，美国的CH-47支奴干以及中国的直-8直升机。从以上这些例子不难发现，金属全铰接桨毂的使用机型并非仅限于米-4这样的一代直升机，而是包含了直-8与支奴干这样的二代直升机。事实上桨毂对直升机划代的影响与发动机不同，每一代发动机直接改变着直升机的代差。而一代桨毂却可以相继应用于两代直升机，这是由于人类的材料发展速度远低于机械结构创新速度导致的。

　　第一代金属全铰接桨毂构型

　　然而金属桨毂有着其自身的弊端，首先是重量较大，这在纤毫必争的飞行器设计中是个很扎眼的缺陷。其次，全铰接结构零件极多，机械轴承需要大量的零件进行组装，这大大降低了直升机的可靠性。最后，金属轴承长时间使用造成的金属疲劳更是一个巨大的隐患，这导致直升机的旋翼随时会失效。有着以上这些缺陷，工程师们不得不着手设计新一代桨毂。而这次，工程师们将目光放在了柔性材料的身上。

　　米-6重型直升机的金属铰接桨毂，可以看出结构复杂笨重。

　　第二代桨毂为柔性轴承桨毂。通过将金属轴承替换为具有弹性的抗拉材料。成功消除了金属轴承桨毂的一系列风险与问题。球形柔性桨毂是柔性桨毂里的代表。其结构是将每片旋翼连接到一个单独的球形万向轴上，这样当桨毂控制旋翼做变距挥舞摆振三大动作时，扭力与拉力被柔性材料吸收，金属结构只保留一个万向节接头。这大大增加了桨毂与旋翼的寿命，且由于取消了金属轴承与铰链，也减少了零件数量，直升机的可靠性有了质的飞跃。

　　第二代球形柔性桨毂结构。

　　柔性桨毂的发明提升了直升机可靠性的同时，也降低了直升机的噪音，由于其简化了桨毂结构，因此外形更加简洁，在高速旋转中产生的激波减少，噪音水平自然下降。由于这个原因，柔性桨毂受到了各国军方的青睐，以美国黑鹰为代表的三代直升机开始大规模使用柔性桨毂，在一系列需要隐蔽突击的作战任务中，黑鹰表现出色，可以伴随特战队员无声地猎杀目标。优秀的柔性桨毂一直延续到了第四代直升机的身上。诸如英国的EH-101灰背隼与欧洲的NH-90这两款公认四代直升机也采用了球形柔性桨毂设计。

　　第三代直升机代表——黑鹰与其使用的球面-柱形弹性轴承复合桨毂

　　第三代桨毂的出现依然伴随着材料水平的发展。由于碳纤维等复合材料抗拉寿命的进步，工程师开始设计“无轴承桨毂”。这种无轴桨毂甚至取消了柔性桨毂的金属万向节。完全依靠复合材料制造的柔性梁本身的形变来控制旋翼变距与抵消挥舞，摆振力矩。这种整个桨毂都不采用金属零件的设计代表了目前直升机桨毂发展的最高水平。只有材料技术雄厚的少数国家掌握。例如美军的AH-1Z第四代武装直升机与欧洲的虎式第四代武装直升机就采用了无轴承桨毂。2015年，采用了无轴承桨毂的直-11验证机成功首飞，标志着我国成功掌握了这项技术。