李 昊，陳 暉

（1. 中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心，北京 100029；2. 中航工業(yè)直升機設(shè)計研究所，天津 300071）

李 昊

中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心工程師，主要從事直升機技術(shù)、型號、市場等領(lǐng)域情報研究。

在直升機技術(shù)的發(fā)展初期，由于設(shè)計、計算工具的不發(fā)達，將直升機旋翼轉(zhuǎn)速設(shè)定為固定值成為普遍的做法。盡管會導(dǎo)致旋翼的氣動特性在一些狀態(tài)下無法達到最優(yōu)，但由于能夠顯著減少直升機氣動特性和動力學特性設(shè)計時的工作量，降低設(shè)計難度和簡化設(shè)計流程，因此在很長一段時間內(nèi)被普遍采用。

然而，隨著直升機飛行速度的逐漸提高，懸停狀態(tài)與高速前飛狀態(tài)下旋翼的氣動環(huán)境差別越來越大，氣動性能最優(yōu)的轉(zhuǎn)速差距也就隨之增大，固定轉(zhuǎn)速的方式越來越難以兼顧懸停和高速飛行兩種狀態(tài)下的氣動性能。并且，由于直升機設(shè)計方法、工具，尤其是各種計算機輔助設(shè)計軟件CFD、CSD等的快速發(fā)展，固定旋翼轉(zhuǎn)速在工作難度、工作量等方面帶來的困難與在性能方面帶來的損失相比開始逐漸減小。

20世紀90年代初，變轉(zhuǎn)速旋翼開始得到發(fā)展，空客直升機公司（原歐直公司）研制的EC135就使用了可變轉(zhuǎn)速主旋翼，懸停時旋翼轉(zhuǎn)速比前飛狀態(tài)可提高3%。美國的Frontier公司開發(fā)的A160T“蜂鳥”無人直升機，為了滿足美國陸軍長航時無人偵查能力的需求引入了類似的技術(shù)，即“優(yōu)化轉(zhuǎn)速旋翼”（OSR）技術(shù)，該技術(shù)采用2速主減速器，根據(jù)飛行狀態(tài)調(diào)節(jié)旋翼轉(zhuǎn)速在50%和100%轉(zhuǎn)速之間切換，結(jié)合其他一些技術(shù)改進，A160T的續(xù)航時間突破了20h。

從20世紀末、21世紀初開始，高速旋翼機技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，出現(xiàn)了一系列新的型號，如西科斯基公司X2/S-97/SB>1、貝爾/波音公司V-22、貝爾/阿古斯塔·韋斯特蘭公司AW609、空客直升機公司X3等。高速旋翼機飛行速度高，導(dǎo)致其在不同飛行速度或飛行模式下氣動效率最優(yōu)的旋翼轉(zhuǎn)速的需求變化較大，成為變轉(zhuǎn)速旋翼技術(shù)發(fā)展的直接推動力。如復(fù)合推力構(gòu)型在高速前飛時需降低轉(zhuǎn)速以避免前行槳葉產(chǎn)生激波，而傾轉(zhuǎn)旋翼機則是由于直升機模式和固定翼模式的工作原理不同，對轉(zhuǎn)速的需求也有所區(qū)別，如NASA正在開發(fā)的“大型民用傾轉(zhuǎn)旋翼機2”（LCTR2）的基線方案中，懸停狀態(tài)和巡航狀態(tài)的最優(yōu)工作轉(zhuǎn)速分別為627r/min和338r/min[1]。因此，若使用常規(guī)直升機的固定旋翼轉(zhuǎn)速的設(shè)計，其性能損失將大得難以接受，因此變轉(zhuǎn)速旋翼就成為必然選擇。

不同構(gòu)型的旋翼機對于轉(zhuǎn)速的需求范圍也有所區(qū)別。傾轉(zhuǎn)旋翼機由于兩種狀態(tài)下工作模式不同，需求的轉(zhuǎn)速變化范圍最大，如XV-15在固定翼模式下旋翼轉(zhuǎn)速比旋翼機模式下降低了約17%（由400r/min降至333r/min），V-22也繼承了這一特點，轉(zhuǎn)速變化范圍約為16%（由397r/min 降至 333r/min），而 NASA LCTR2的轉(zhuǎn)速更是達到了46%[2]（見上文）；復(fù)合推力高速直升機構(gòu)型的旋翼轉(zhuǎn)速變化約為15%～20%，如西科斯基公司X2為19%（由446r/min降至360r/min），空客直升機公司（原歐直公司）X3則為15%左右，并且隨著最大飛行速度的提高，這一范圍還會擴大；而對于常規(guī)構(gòu)型直升機來說，由于最大飛行速度的限制，其轉(zhuǎn)速變化需求則應(yīng)在10%左右即可同時滿足懸停和最大速度前飛狀態(tài)下的氣動性能最優(yōu)化。

目前，變轉(zhuǎn)速旋翼可通過3種方式實現(xiàn)，一是通過控制系統(tǒng)改變發(fā)動機的轉(zhuǎn)速，從而改變輸出轉(zhuǎn)速；二是通過調(diào)整發(fā)動機動力渦輪迎角或其他幾何參數(shù)，在不改變核心機工作狀態(tài)情況下改變動力渦輪的輸出轉(zhuǎn)速；三是改變傳動系統(tǒng)的減速比。

第一種方案已投入應(yīng)用，EC135、EC145均采用了這一技術(shù)，但由于發(fā)動機工作轉(zhuǎn)速相對固定，變化過大會對發(fā)動機效率有較大影響，因此這種方式能夠改變的轉(zhuǎn)速范圍較小，如EC135的轉(zhuǎn)速變化范圍僅有3%。第二種方案能夠保證發(fā)動機工作效率，但由于需在發(fā)動機內(nèi)部加裝各種控制機構(gòu)，技術(shù)難度相對較大，對發(fā)動機的重量特性也有較大影響，自20世紀90年代至今尚未有可行性較高的成熟方案，一直停留在理論階段。因此，第三種，即改變傳動系統(tǒng)減速比的方案就成為了性價比最高的解決方案，NASA、西科斯基公司、貝爾公司等多個主要直升機制造商和航空研究機構(gòu)都開展了相關(guān)的研究。

LCTR2項目可變轉(zhuǎn)速傳動系統(tǒng)研究

LCTR2是NASA正在進行的一個民用傾轉(zhuǎn)旋翼機概念及技術(shù)研究項目。其研究基于2005年NASA開展的“重型旋翼機系統(tǒng)研究”中被認定為最優(yōu)的LCTR方案進行，在此基礎(chǔ)上進行了進一步的研究、修改和優(yōu)化，目標是研究一個具備垂直起降特性和較高經(jīng)濟性，可作為支線飛機使用的傾轉(zhuǎn)旋翼機概念方案。除傾轉(zhuǎn)旋翼外，該項目最主要的技術(shù)革新是采用了變轉(zhuǎn)速動力/傳動系統(tǒng)[3-4]。

作為用于民用運輸領(lǐng)域的飛行器，經(jīng)濟性必然是其考慮的首要因素。因此，可同時保證垂直起降性能和巡航性能最優(yōu)的可變轉(zhuǎn)速傳動系統(tǒng)成為其關(guān)鍵技術(shù)之一。（盡管NASA在該項目中同時開展了變轉(zhuǎn)速動力渦輪研究，但是其更傾向于技術(shù)相對簡單的2級變速傳動方案。）

可變轉(zhuǎn)速傳動系統(tǒng)的研究工作由NASA的格倫研究中心負責，該中心開展了一系列研究工作，希望確定一個能夠在工作狀態(tài)下改變傳動比，且高速和低速檔的傳動比約為 100：1 和 50：1 的傳動系統(tǒng)方案。研究工作主要集中在多級變速和連續(xù)變速的傳動系統(tǒng)概念研究上。

格倫研究中心最初提出的設(shè)計方案是基于一個雙發(fā)動機輸入的行星齒輪差動傳動的改良方案，由一臺發(fā)動機輸入到太陽輪，另一臺發(fā)動機則輸入到速度控制輪，與外環(huán)齒輪嚙合，通過差動來調(diào)整行星架的輸出轉(zhuǎn)速，其原理圖如圖1所示。隨后NASA又開發(fā)了一個內(nèi)嵌的2級變速傳動系統(tǒng)概念，其包括了一個離合器，在傳動系統(tǒng)改變傳動比，即換擋時將其暫時與動力系統(tǒng)斷開，其原理圖和CAD設(shè)計圖如圖2所示。然而這一方案存在一個問題，即在兩個檔位上輸出軸的轉(zhuǎn)動方向不一致。在低速檔工作時，輸出軸由行星機構(gòu)的外圈齒輪驅(qū)動，轉(zhuǎn)動方向與太陽輪相反；而在高速檔工作時，輸出軸則直接與太陽輪相連，轉(zhuǎn)動方向也與之相同。因此又在該方案的基礎(chǔ)上進行了改進，為其研究了幾個改變轉(zhuǎn)動方向的機構(gòu)方案。除了上述的兩種方案外，另一個NASA列為優(yōu)先考慮的方案是變轉(zhuǎn)速多軸分配功率構(gòu)型[5]。

隨后，NASA對上述方案及其各種變種方案進行了研究，選擇了最佳的3個構(gòu)型方案開展研究[5]，包括：

（1）雙星惰輪2級變速（圖3）；

（2）偏置式復(fù)合齒輪（OCG）2級變速（圖4）；

（3）行星輪差動連續(xù)變速（圖5）。

其中選擇2級變速的方案1和方案2都是通過離合器來控制輸出級，使其在不同檔位上可通過不同的傳動級來輸出，從而實現(xiàn)改變傳動比的目的；而方案3則使用了一個獨立的速度控制輪，通過其轉(zhuǎn)速來控制行星齒輪的太陽輪轉(zhuǎn)速來控制輸出級行星齒輪的轉(zhuǎn)速，由于其輸出轉(zhuǎn)速為行星輪與太陽輪之差，因此可實現(xiàn)連續(xù)改變傳動比的目的。

圖1 行星輪差動概念方案原理圖Fig.1 Concept schematic of differential

圖2 內(nèi)嵌式2級變速傳動系統(tǒng)Fig.2 Embedded two-speed transmission system concept

圖3 雙星惰輪2級變速Fig.3 Embedded two-speed planetary transmission with double-star-idler reversing

圖4 偏置式復(fù)合齒輪（OCG）2級變速Fig.4 Offset compound gear two-speed transmission

圖5 行星輪差動連續(xù)變速Fig.5 Differential planetary transmission

對上述構(gòu)型方案的研究得出的結(jié)論包括：（1）2級變速設(shè)計方案在復(fù)雜程度上要低于連續(xù)變速設(shè)計，但在換擋時須斷開動力。（2）平臺使用要求功率連續(xù)且速度可變。（3）模式轉(zhuǎn)換過程在整個任務(wù)剖面中所占比例很小。（4）2級變速設(shè)計方案可通過加裝外部或內(nèi)部的輔助動力裝置、控制器或變速器來實現(xiàn)動力供給連續(xù)的準連續(xù)變速。（5）采用嚙合傳動的連續(xù)變速構(gòu)型方案可通過2軸輸入的行星輪差動來實現(xiàn)（第二個輸入軸進行速度控制）。（6）最優(yōu)的構(gòu)型方案是采用簡單的齒輪結(jié)構(gòu)，且加裝連續(xù)變化過渡裝置的方案：分離式2級變速構(gòu)型或行星輪差動構(gòu)型（即上文給出的3個方案）。（7）速度范圍變化需要計算機進行控制，并同時對傳動系統(tǒng)和發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和功率進行監(jiān)測[5]。

各直升機公司開展的可變轉(zhuǎn)速傳動系統(tǒng)研究

除NASA外，各直升機公司為了滿足其高速旋翼機構(gòu)型概念的發(fā)展需求，也分別開展了適用于其高速旋翼機構(gòu)型的可變轉(zhuǎn)速傳動系統(tǒng)的研究工作。下面介紹西科斯基公司和波音公司開發(fā)的幾種變轉(zhuǎn)速傳動系統(tǒng)技術(shù)方案。

（1）西科斯基公司的行星齒輪變傳動比減速器。

西科斯基公司先后申請過幾個不同的變轉(zhuǎn)速傳動技術(shù)專利，以用于其X2構(gòu)型的高速旋翼機上。圖6為西科斯基公司的一個專利技術(shù)，采用了加裝變轉(zhuǎn)速機構(gòu)的方式改變減速器輸出轉(zhuǎn)速，它提出了2個不同的構(gòu)型方案，即在第三級減速齒輪加裝的方案和主減輸出軸上加裝的方案，分別如圖6所示，（a）中的30A、30B和（b）中的110即變轉(zhuǎn)速機構(gòu)。專利中并未描述該機構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)，但根據(jù)描述，其將包括液壓系統(tǒng)、行星齒輪減速器、離合器和制動系統(tǒng)，因此猜測該機構(gòu)應(yīng)與NASA的LCTR2中的方案類似，通過離合器改變行星齒輪的輸出級，從而實現(xiàn)改變傳動比的目的[6]。

（2）西科斯基公司的自由輪/離合器變轉(zhuǎn)速傳動技術(shù)。

圖6 西科斯基公司可變轉(zhuǎn)速傳動系統(tǒng)專利技術(shù)Fig.6 A variable speed transmission system concept patent of Sikorsky

除上文所述外，西科斯基公司還申請了一個自由輪/離合器變轉(zhuǎn)速傳動系統(tǒng)技術(shù)專利。圖7為西科斯基公司另一個專利的原理圖，其通過離合器（圖7中44）與自由輪（圖7中46）的組合實現(xiàn)2級變速。當離合器嚙合時，齒輪52a的轉(zhuǎn)速小于齒輪52b的轉(zhuǎn)速，因此自由輪處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，不傳輸扭矩；而當離合器松開時，52b失去齒輪50驅(qū)動，因此自由輪開始工作，帶動52b轉(zhuǎn)動并傳遞扭矩，從而實現(xiàn)不同的減速比[7]。

（3）貝爾公司的自由輪/離合器變轉(zhuǎn)速傳動技術(shù)。

貝爾公司也開展了與西科斯基公司類似的技術(shù)研究，根據(jù)其申請的專利，貝爾公司研究了一個基于自由輪的傾轉(zhuǎn)旋翼機2級變速傳動系統(tǒng)，其原理如圖8所示。圖8中102a/b、103a/b均為單向自由輪離合器，分別具有不同的減速比，通過控制高轉(zhuǎn)速齒輪系（即傳動比較低）一側(cè)的離合器來調(diào)節(jié)傳動比，當離合器嚙合時，該側(cè)輸出軸的轉(zhuǎn)速高于另外一側(cè)輸出軸，導(dǎo)致另一側(cè)自由輪空轉(zhuǎn)，使最終的輸出轉(zhuǎn)速為該側(cè)輸出軸的轉(zhuǎn)速；而當離合器松開時，高轉(zhuǎn)速齒輪系不再傳遞扭矩，只能通過另一側(cè)進行傳遞，從而使輸出轉(zhuǎn)速變?yōu)榈娃D(zhuǎn)速齒輪系一側(cè)的輸出轉(zhuǎn)速[8]。

圖7 西科斯基公司的另一個可變轉(zhuǎn)速傳動系統(tǒng)專利技術(shù)Fig.7 Another variable speed transmission system concept patent of Sikorsky

圖8 貝爾公司的一個用于傾轉(zhuǎn)旋翼機的變轉(zhuǎn)速傳動系統(tǒng)專利技術(shù)Fig.8 A variable speed transmission system for tiltrotor of Bell helicopter

不同構(gòu)型的性能優(yōu)劣

前文介紹的變轉(zhuǎn)速傳動系統(tǒng)構(gòu)型大致可分為兩種，即使用控制輪的連續(xù)變速構(gòu)型和使用離合器的2級變速構(gòu)型。

連續(xù)變速構(gòu)型的主要特點是：旋翼轉(zhuǎn)速可連續(xù)變化，在各個飛行狀態(tài)均能實現(xiàn)氣動效率最優(yōu)，更為適用于飛行模式不發(fā)生改變、飛行速度變化沒有斷點的常規(guī)直升機和復(fù)合推力高速直升機；然而其劣勢在于控制輪的轉(zhuǎn)速控制是一個設(shè)計難點。NASA的一個方案是由另一臺發(fā)動機帶動速度控制輪，應(yīng)是通過控制發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)其速度變化，這將導(dǎo)致發(fā)動機控制系統(tǒng)和控制算法的復(fù)雜程度有較明顯的提高，并且由于兩臺發(fā)動機都要直接連接到減速器，因此對其在傾轉(zhuǎn)旋翼機上的使用有所限制；而如果不使用發(fā)動機帶動控制輪的話，又要再為其設(shè)計一套控制機構(gòu)才能夠滿足需求，將進一步增加結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度和重量。

基于離合器的2級變速構(gòu)型的主要特點是：結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度較低，控制機構(gòu)相對簡單，因此設(shè)計難度、制造成本和可靠性均稍強于連續(xù)變速構(gòu)型，并且這一構(gòu)型與傾轉(zhuǎn)旋翼機高度適配；然而其只能在兩個轉(zhuǎn)速之間切換，因此只能在兩個設(shè)計點上達到氣動效率最優(yōu)，氣動性能的提升無法達到理論上的最優(yōu)，但通過對發(fā)動機轉(zhuǎn)速進行小范圍的調(diào)整，在一定程度上彌補這一缺陷。

未來發(fā)展展望

作為高速旋翼機的關(guān)鍵技術(shù)之一，變轉(zhuǎn)速傳動系統(tǒng)必將在未來得到快速發(fā)展。目前來看，現(xiàn)有的高速旋翼機大多需要改變旋翼轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)不同飛行狀態(tài)下的氣動效率最優(yōu)。如西科斯基公司的X2技術(shù)驗證機在高速巡航時主旋翼轉(zhuǎn)速降低至懸停狀態(tài)的80%，以避免前行槳葉產(chǎn)生激波而影響前飛效率。而空客直升機公司的X3也需要在高速前飛時降低旋翼轉(zhuǎn)速約15%，來降低其氣動阻力。而傾轉(zhuǎn)旋翼機由于工作模式的不同對于這一技術(shù)的需求更為明顯。因此可以預(yù)見，隨著未來十幾年內(nèi)高速旋翼機型號的成熟和陸續(xù)投入使用，各種可變轉(zhuǎn)速傳動技術(shù)也將隨之得到廣泛應(yīng)用。

而對常規(guī)構(gòu)型直升機來說，該技術(shù)能夠有效地降低全機的噪聲和振動水平，如歐直公司EC135采用了包括轉(zhuǎn)速可調(diào)主旋翼在內(nèi)的一系列技術(shù)后，座艙內(nèi)振動水平降低到0.05g以下，噪聲水平也低于國際民航組織直升機噪聲最高標準6.5dB。因此若能夠研制出重量和成本方面能夠令人滿意的系統(tǒng)，其將在旋翼機領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。而其技術(shù)成果，如主減速器的設(shè)計和制造方面的技術(shù)也能夠在其他直升機，甚至汽車等方面得以應(yīng)用。

從技術(shù)方面來看，2級變速的減速器將成為未來一個階段發(fā)展的主流，能夠有效地滿足未來型號的使用，并且技術(shù)難度相對較低，通過離合器切換輸出級齒輪即可實現(xiàn)變速效果，對控制機構(gòu)的需求較低。

變轉(zhuǎn)速傳動技術(shù)目前最大的難點在于重量和可靠性2個方面。

重量方面，NASA曾對LCTR2不同設(shè)計方案的傳動系統(tǒng)和動力系統(tǒng)重量進行過分析。其使用“NASA旋翼機設(shè)計及分析” 軟件NDARC （NASA Design and Analysis of Rotorcraft）和“數(shù)字化動力系統(tǒng)模擬”軟件NPSS（Numerical Propulsion System Simulation）等對2級變速傳動系統(tǒng)和常規(guī)傳動系統(tǒng)重量的計算結(jié)果顯示，理想情況下變轉(zhuǎn)速傳動系統(tǒng)的重量增加約為9%[9-10]。而主減速器重量約占全機最大起飛重量的5%～10%（與構(gòu)型有關(guān)，傾轉(zhuǎn)旋翼機減速器較重），換裝變轉(zhuǎn)速傳動后增加的重量僅為全機最大起飛重量的0.45%～0.9%，遠低于其帶來的收益。但僅為理論分析結(jié)果，尚需進行工程驗證，且對于該技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域——高速旋翼機來說，其重量控制更為苛刻，因此更要進行更深入的研究。

結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的提高，尤其是在高速轉(zhuǎn)動部件上加裝離合器等機構(gòu)，必然會導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性降低，同時對于民機領(lǐng)域的應(yīng)用來說，適航取證時也會受到一些限制。但這些問題都可以通過技術(shù)的發(fā)展來一一解決，因此可以預(yù)見，可變轉(zhuǎn)速傳動技術(shù)未來前景光明，將成為推動旋翼機性能提升的一個有效途徑。

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