復(fù)合式高速直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

■ 余震 王永紅/中國(guó)航發(fā)動(dòng)研所

直升機(jī)可以野外垂直起降、懸停作業(yè)，具有良好的低空機(jī)動(dòng)性能，在軍民用領(lǐng)域具有其他飛行器不可替代的重要作用。但與固定翼飛機(jī)相比，直升機(jī)存在飛行速度低、航程短等不足，因此高速飛行已成為未來(lái)直升機(jī)發(fā)展的趨勢(shì)之一，而傳動(dòng)系統(tǒng)是其中的一項(xiàng)核心關(guān)鍵技術(shù)。

高速直升機(jī)可分為傾轉(zhuǎn)式、復(fù)合式及停轉(zhuǎn)式（如圖1所示）。傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)既可以實(shí)現(xiàn)直升機(jī)模式垂直起降，又可在旋翼傾轉(zhuǎn)后以螺旋槳飛機(jī)模式飛行；復(fù)合推力直升機(jī)通過(guò)加裝輔助推力裝置、增加機(jī)翼給旋翼卸載、降低旋翼轉(zhuǎn)速等措施實(shí)現(xiàn)高速平飛；停轉(zhuǎn)式直升機(jī)以直升機(jī)模式垂直起飛，速度達(dá)到一定程度后，旋翼停止轉(zhuǎn)動(dòng)，變?yōu)楣潭ㄒ砟Ｊ綄?shí)現(xiàn)高速飛行。

圖1 高速直升機(jī)分類

復(fù)合式高速直升機(jī)

復(fù)合式高速直升機(jī)的特點(diǎn)是旋翼在飛行包線內(nèi)的功能變化相對(duì)較小，確保其低空低速性能和近地面機(jī)動(dòng)能力不低于常規(guī)構(gòu)型直升機(jī)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了較高的平飛速度。有數(shù)據(jù)顯示，高速直升機(jī)中，以復(fù)合式高速直升機(jī)的類型居多，占50%以上。

常規(guī)旋翼復(fù)合式直升機(jī)

常規(guī)旋翼復(fù)合式直升機(jī)在常規(guī)直升機(jī)上加裝輔助升力（一般為機(jī)翼）以及輔助推力裝置（一般為螺旋槳）實(shí)現(xiàn)高速飛行。隨著直升機(jī)飛行速度的提高，機(jī)翼升力逐漸增大，從而為旋翼卸載。該類直升機(jī)以美國(guó)的AH-56、X-49和俄羅斯的X1為代表。

共軸剛性旋翼復(fù)合式直升機(jī)

共軸剛性旋翼復(fù)合式直升機(jī)的主旋翼系統(tǒng)由兩副共軸反轉(zhuǎn)的剛性槳葉構(gòu)成，主要有XH-59、X2、S-97等。其中，S-97“襲擊者”直升機(jī)號(hào)稱是目前最先進(jìn)的高速直升機(jī)（如圖2所示）。

圖2 S-97“襲擊者”直升機(jī)

20世紀(jì)70年代，美國(guó)西科斯基公司研制了高速直升機(jī)驗(yàn)證機(jī)XH-59，于1973年7月26日首飛，1980年8月速度達(dá)到了487km/h。該直升機(jī)主旋翼動(dòng)力為一臺(tái)PT6T-3渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，前行動(dòng)力則由兩臺(tái)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)提供。XH-59驗(yàn)證機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)為兩級(jí)傳動(dòng)，第一級(jí)為錐齒輪換向減速，第二級(jí)為復(fù)合行星共軸輸出。

西科斯基公司在XH-59驗(yàn)證機(jī)的基礎(chǔ)上融和新技術(shù)，于2005年公布了新型復(fù)合推力驗(yàn)證機(jī)X2。該直升機(jī)采用共軸式雙旋翼帶尾推進(jìn)螺旋槳構(gòu)型，起飛重量2406 kg，動(dòng)力為一臺(tái)T800渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)。X2驗(yàn)證機(jī)巡航速度達(dá)到463km/h，俯沖速度達(dá)到481km/h。該驗(yàn)證機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)由分路減速器、共軸減速器、推進(jìn)減速器、動(dòng)力傳動(dòng)軸組件、尾傳動(dòng)軸組件等組成，采用圓柱齒輪內(nèi)外嚙合形式實(shí)現(xiàn)共軸反向輸出。

2010年10月，西科斯基公司開展輕型戰(zhàn)術(shù)直升機(jī)S-97“襲擊者”原型機(jī)的設(shè)計(jì)。S-97原型機(jī)于2014年10月首次亮相，2015年3月開始地面測(cè)試，2015年5月22日成功首飛。S-97具備低速機(jī)動(dòng)以及在速度超過(guò)370km/h時(shí)的大過(guò)載轉(zhuǎn)彎能力，這源于其采用共軸對(duì)轉(zhuǎn)雙旋翼加尾部螺旋槳設(shè)計(jì)。發(fā)動(dòng)機(jī)則采用GE公司生產(chǎn)的T700第四代渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)。

俄羅斯卡莫夫設(shè)計(jì)局于2007年首次公開高速直升機(jī)（PSV）項(xiàng)目，推出了卡-92（如圖3所示）等復(fù)合式高速直升機(jī)。卡-92采用共軸剛性雙旋翼布局，4片槳葉，尾部為共軸式螺旋槳；采用兩臺(tái)克里莫夫公司的VK2500發(fā)動(dòng)機(jī)?？?92為9～12t級(jí)的高速直升機(jī)，能搭載21名乘客，速度可達(dá)350km/h。

圖3 俄羅斯卡-92高速直升機(jī)模型

復(fù)合式高速直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)特點(diǎn)

高速直升機(jī)通常為共軸主旋翼帶尾槳構(gòu)型。直升機(jī)構(gòu)型的不同也帶來(lái)了傳動(dòng)系統(tǒng)的差異，與常規(guī)直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)相比，高速直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)。

功率分配有較大差異

高速直升機(jī)給主旋翼和輔助推進(jìn)螺旋槳傳遞功率，功率分配隨飛行狀態(tài)改變更大。常規(guī)構(gòu)型直升機(jī)的尾槳最大功率占傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞總功率的20%～25%，復(fù)合式高速直升機(jī)的推進(jìn)螺旋槳最大功率占傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞總功率的60%以上，因此，傳動(dòng)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)應(yīng)更加注重輔助推進(jìn)傳動(dòng)系統(tǒng)的布局，以獲得較高的功重比。

適應(yīng)共軸剛性旋翼要求

高速直升機(jī)主旋翼為共軸剛性旋翼，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有特殊要求。首先，要求主減速器能實(shí)現(xiàn)共軸雙路輸出；此外，共軸剛性旋翼操縱與常規(guī)直升機(jī)的操縱方式有很大不同，其要求內(nèi)旋翼采用內(nèi)操縱，因此旋翼軸內(nèi)孔需有較大空間。

傳動(dòng)系統(tǒng)具備變速能力

高速直升機(jī)的飛行速度可達(dá)400km/h以上，為避免高速前飛時(shí)前行槳葉激波，需降低旋翼轉(zhuǎn)速。降低旋翼轉(zhuǎn)速可以通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)變速和傳動(dòng)系統(tǒng)變速來(lái)實(shí)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作的轉(zhuǎn)速范圍較小，通過(guò)降發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)降旋翼轉(zhuǎn)速的幅度很有限，因此傳動(dòng)系統(tǒng)變速十分必要。目前直升機(jī)變速傳動(dòng)存在一系列尚待解決的技術(shù)難題，如多傳動(dòng)鏈主減速器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、換擋過(guò)程的沖擊、非工作傳動(dòng)鏈的摩擦等，因此尚未在現(xiàn)有高速直升機(jī)上得到應(yīng)用。

復(fù)合式高速直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

變速傳動(dòng)技術(shù)

目前，航空用傳動(dòng)變速裝置可分為兩類：一類為離合器變速裝置，另一類為差動(dòng)行星變速裝置。離合器變速裝置利用超越離合器的差速超越性能來(lái)實(shí)現(xiàn)兩種不同轉(zhuǎn)速的輸出。一般情況下，離合器變速裝置由多片式離合器和斜撐離合器并聯(lián)，通過(guò)定軸圓柱齒輪傳動(dòng)或行星齒輪傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)減速，利用多片式離合器的通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)功率傳遞路線的轉(zhuǎn)換。接通多片式離合器時(shí)，功率流直接從輸入軸—多片式離合器—輸出軸輸出，此時(shí)斜撐離合器處于差速超越狀態(tài)；斷開多片式離合器，功率流經(jīng)過(guò)輸入軸—齒輪副—斜撐離合器—輸出軸輸出。差動(dòng)行星變速裝置通過(guò)控制齒圈的速度來(lái)實(shí)現(xiàn)不同轉(zhuǎn)速的輸出。

圖4為一種能提供兩個(gè)速比的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案。多盤離合器斷開時(shí)，太陽(yáng)輪輸入，依次通過(guò)兩個(gè)惰輪、齒圈、超越離合器，驅(qū)動(dòng)輸出軸，有一定的減速比。多盤離合器接合時(shí)，輸入軸與輸出軸直接連接，不減速輸出。此雙速比傳動(dòng)構(gòu)型在波音公司研制的A-160T“蜂鳥”無(wú)人直升機(jī)原型機(jī)上有應(yīng)用，如圖5所示。不同的是該無(wú)人機(jī)在低速飛行時(shí)采用較低的轉(zhuǎn)速輸出，而高速直升機(jī)要求高速飛行時(shí)采用較低的轉(zhuǎn)速輸出。

變傳動(dòng)比的傳動(dòng)方案雖然能從原理上實(shí)現(xiàn)，但還存在一些技術(shù)難點(diǎn)。若采用離合器變速裝置方案，需攻克多盤離合器控制、過(guò)渡過(guò)程中離合器的摩擦、沖擊及功率丟失等技術(shù)難點(diǎn)；而采用差動(dòng)行星傳動(dòng)方案，則需要另外一個(gè)可變速的驅(qū)動(dòng)單元。同時(shí)，變速過(guò)程的發(fā)動(dòng)機(jī)控制和飛行控制也需要探索驗(yàn)證。此外，可變速比的傳動(dòng)系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致零部件數(shù)量增加，傳動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量增加，使傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性和效率降低。

圖4 同軸雙速比傳動(dòng)原理圖

圖5 采用離合變速方案的A-160T直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)

共軸輸出技術(shù)

共軸剛性旋翼復(fù)合式直升機(jī)可以充分發(fā)揮前行槳葉的升力潛力，突破常規(guī)構(gòu)型直升機(jī)前飛速度的限制，是高速直升機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)所在。實(shí)現(xiàn)共軸反轉(zhuǎn)雙輸出的傳動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)型主要有圓柱齒輪內(nèi)外嚙合傳動(dòng)、錐齒輪傳動(dòng)和復(fù)合行星傳動(dòng)三種。

X2技術(shù)驗(yàn)證機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)采用圓柱齒輪內(nèi)外嚙合傳動(dòng)，其特點(diǎn)是所有齒輪均為定軸傳動(dòng)，受結(jié)構(gòu)限制，承載能力有限。

錐齒輪共軸輸出構(gòu)型，此種方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但沒有功率分流，承載能力有限。

復(fù)合行星共軸傳動(dòng)應(yīng)用于卡-50等直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)封閉差動(dòng)實(shí)現(xiàn)旋翼軸共軸反轉(zhuǎn)輸出。復(fù)合行星輪系的優(yōu)點(diǎn)是承載能力強(qiáng)、效率高，但存在零件數(shù)量多，體積較大，設(shè)計(jì)、加工及裝配困難等問(wèn)題。此外，共軸剛性旋翼復(fù)合式直升機(jī)上旋翼通常采用內(nèi)操縱，受結(jié)構(gòu)限制，復(fù)合行星共軸傳動(dòng)無(wú)法滿足要求。

結(jié)束語(yǔ)

復(fù)合式高速直升機(jī)具有速度快、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、機(jī)動(dòng)性好等優(yōu)點(diǎn)，將成為艦載直升機(jī)、武裝直升機(jī)、無(wú)人直升機(jī)的優(yōu)選構(gòu)型，是未來(lái)直升機(jī)的發(fā)展方向之一，而傳動(dòng)系統(tǒng)也應(yīng)適應(yīng)高速直升機(jī)的需求，同步發(fā)展。復(fù)合式高速直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)相比常規(guī)直升機(jī)有共性也有不同，兩者的主要作用均是功率傳遞與分流，不同之處在于復(fù)合式高速直升機(jī)要求機(jī)翼卸載，傳動(dòng)系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)兩種速比傳動(dòng)，其雙旋翼輸出要求傳動(dòng)系統(tǒng)采用復(fù)合行星等特殊構(gòu)型。由于直升機(jī)高速機(jī)動(dòng)帶來(lái)大的動(dòng)載荷，從而對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)提出了更高的質(zhì)量、壽命和可靠性要求。因此，在研制復(fù)合式高速直升機(jī)時(shí)，必須對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行重點(diǎn)攻關(guān)，突破各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。