■ 余震 王永紅/中國航發(fā)動研所

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

高速直升機可分為傾轉式、復合式及停轉式（如圖1所示）。傾轉旋翼機既可以實現(xiàn)直升機模式垂直起降，又可在旋翼傾轉后以螺旋槳飛機模式飛行；復合推力直升機通過加裝輔助推力裝置、增加機翼給旋翼卸載、降低旋翼轉速等措施實現(xiàn)高速平飛；停轉式直升機以直升機模式垂直起飛，速度達到一定程度后，旋翼停止轉動，變?yōu)楣潭ㄒ砟Ｊ綄崿F(xiàn)高速飛行。

圖1 高速直升機分類

復合式高速直升機

復合式高速直升機的特點是旋翼在飛行包線內(nèi)的功能變化相對較小，確保其低空低速性能和近地面機動能力不低于常規(guī)構型直升機，同時實現(xiàn)了較高的平飛速度。有數(shù)據(jù)顯示，高速直升機中，以復合式高速直升機的類型居多，占50%以上。

常規(guī)旋翼復合式直升機

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

共軸剛性旋翼復合式直升機

共軸剛性旋翼復合式直升機的主旋翼系統(tǒng)由兩副共軸反轉的剛性槳葉構成，主要有XH-59、X2、S-97等。其中，S-97“襲擊者”直升機號稱是目前最先進的高速直升機（如圖2所示）。

圖2 S-97“襲擊者”直升機

20世紀70年代，美國西科斯基公司研制了高速直升機驗證機XH-59，于1973年7月26日首飛，1980年8月速度達到了487km/h。該直升機主旋翼動力為一臺PT6T-3渦軸發(fā)動機，前行動力則由兩臺渦扇發(fā)動機提供。XH-59驗證機傳動系統(tǒng)為兩級傳動，第一級為錐齒輪換向減速，第二級為復合行星共軸輸出。

西科斯基公司在XH-59驗證機的基礎上融和新技術，于2005年公布了新型復合推力驗證機X2。該直升機采用共軸式雙旋翼帶尾推進螺旋槳構型，起飛重量2406 kg，動力為一臺T800渦軸發(fā)動機。X2驗證機巡航速度達到463km/h，俯沖速度達到481km/h。該驗證機傳動系統(tǒng)由分路減速器、共軸減速器、推進減速器、動力傳動軸組件、尾傳動軸組件等組成，采用圓柱齒輪內(nèi)外嚙合形式實現(xiàn)共軸反向輸出。

2010年10月，西科斯基公司開展輕型戰(zhàn)術直升機S-97“襲擊者”原型機的設計。S-97原型機于2014年10月首次亮相，2015年3月開始地面測試，2015年5月22日成功首飛。S-97具備低速機動以及在速度超過370km/h時的大過載轉彎能力，這源于其采用共軸對轉雙旋翼加尾部螺旋槳設計。發(fā)動機則采用GE公司生產(chǎn)的T700第四代渦軸發(fā)動機。

俄羅斯卡莫夫設計局于2007年首次公開高速直升機（PSV）項目，推出了卡-92（如圖3所示）等復合式高速直升機?？?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；采用兩臺克里莫夫公司的VK2500發(fā)動機。卡-92為9～12t級的高速直升機，能搭載21名乘客，速度可達350km/h。

圖3 俄羅斯卡-92高速直升機模型

復合式高速直升機傳動系統(tǒng)特點

高速直升機通常為共軸主旋翼帶尾槳構型。直升機構型的不同也帶來了傳動系統(tǒng)的差異，與常規(guī)直升機傳動系統(tǒng)相比，高速直升機傳動系統(tǒng)具有以下特點。

功率分配有較大差異

高速直升機給主旋翼和輔助推進螺旋槳傳遞功率，功率分配隨飛行狀態(tài)改變更大。常規(guī)構型直升機的尾槳最大功率占傳動系統(tǒng)傳遞總功率的20%～25%，復合式高速直升機的推進螺旋槳最大功率占傳動系統(tǒng)傳遞總功率的60%以上，因此，傳動系統(tǒng)的方案設計應更加注重輔助推進傳動系統(tǒng)的布局，以獲得較高的功重比。

適應共軸剛性旋翼要求

高速直升機主旋翼為共軸剛性旋翼，對傳動系統(tǒng)結構有特殊要求。首先，要求主減速器能實現(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。

傳動系統(tǒng)具備變速能力

高速直升機的飛行速度可達400km/h以上，為避免高速前飛時前行槳葉激波，需降低旋翼轉速。降低旋翼轉速可以通過發(fā)動機變速和傳動系統(tǒng)變速來實現(xiàn)，發(fā)動機的正常工作的轉速范圍較小，通過降發(fā)動機轉速來降旋翼轉速的幅度很有限，因此傳動系統(tǒng)變速十分必要。目前直升機變速傳動存在一系列尚待解決的技術難題，如多傳動鏈主減速器的結構設計、換擋過程的沖擊、非工作傳動鏈的摩擦等，因此尚未在現(xiàn)有高速直升機上得到應用。

復合式高速直升機傳動系統(tǒng)關鍵技術分析

變速傳動技術

目前，航空用傳動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實現(xiàn)兩種不同轉速的輸出。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)，通過定軸圓柱齒輪傳動或行星齒輪傳動來實現(xiàn)減速，利用多片式離合器的通斷來實現(xiàn)功率傳遞路線的轉換。接通多片式離合器時，功率流直接從輸入軸—多片式離合器—輸出軸輸出，此時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)過輸入軸—齒輪副—斜撐離合器—輸出軸輸出。差動行星變速裝置通過控制齒圈的速度來實現(xiàn)不同轉速的輸出。

圖4為一種能提供兩個速比的傳動機構方案。多盤離合器斷開時，太陽輪輸入，依次通過兩個惰輪、齒圈、超越離合器，驅動輸出軸，有一定的減速比。多盤離合器接合時，輸入軸與輸出軸直接連接，不減速輸出。此雙速比傳動構型在波音公司研制的A-160T“蜂鳥”無人直升機原型機上有應用，如圖5所示。不同的是該無人機在低速飛行時采用較低的轉速輸出，而高速直升機要求高速飛行時采用較低的轉速輸出。

變傳動比的傳動方案雖然能從原理上實現(xiàn)，但還存在一些技術難點。若采用離合器變速裝置方案，需攻克多盤離合器控制、過渡過程中離合器的摩擦、沖擊及功率丟失等技術難點；而采用差動行星傳動方案，則需要另外一個可變速的驅動單元。同時，變速過程的發(fā)動機控制和飛行控制也需要探索驗證。此外，可變速比的傳動系統(tǒng)會導致零部件數(shù)量增加，傳動系統(tǒng)的質量增加，使傳動系統(tǒng)的可靠性和效率降低。

圖4 同軸雙速比傳動原理圖

圖5 采用離合變速方案的A-160T直升機傳動系統(tǒng)

共軸輸出技術

共軸剛性旋翼復合式直升機可以充分發(fā)揮前行槳葉的升力潛力，突破常規(guī)構型直升機前飛速度的限制，是高速直升機的關鍵技術所在。實現(xiàn)共軸反轉雙輸出的傳動系統(tǒng)構型主要有圓柱齒輪內(nèi)外嚙合傳動、錐齒輪傳動和復合行星傳動三種。

X2技術驗證機傳動系統(tǒng)采用圓柱齒輪內(nèi)外嚙合傳動，其特點是所有齒輪均為定軸傳動，受結構限制，承載能力有限。

錐齒輪共軸輸出構型，此種方案結構簡單，但沒有功率分流，承載能力有限。

復合行星共軸傳動應用于卡-50等直升機傳動系統(tǒng)，通過封閉差動實現(xiàn)旋翼軸共軸反轉輸出。復合行星輪系的優(yōu)點是承載能力強、效率高，但存在零件數(shù)量多，體積較大，設計、加工及裝配困難等問題。此外，共軸剛性旋翼復合式直升機上旋翼通常采用內(nèi)操縱，受結構限制，復合行星共軸傳動無法滿足要求。

結束語

復合式高速直升機具有速度快、體積小、結構緊湊、機動性好等優(yōu)點，將成為艦載直升機、武裝直升機、無人直升機的優(yōu)選構型，是未來直升機的發(fā)展方向之一，而傳動系統(tǒng)也應適應高速直升機的需求，同步發(fā)展。復合式高速直升機傳動系統(tǒng)相比常規(guī)直升機有共性也有不同，兩者的主要作用均是功率傳遞與分流，不同之處在于復合式高速直升機要求機翼卸載，傳動系統(tǒng)必須實現(xiàn)兩種速比傳動，其雙旋翼輸出要求傳動系統(tǒng)采用復合行星等特殊構型。由于直升機高速機動帶來大的動載荷，從而對傳動系統(tǒng)提出了更高的質量、壽命和可靠性要求。因此，在研制復合式高速直升機時，必須對傳動系統(tǒng)進行重點攻關，突破各項關鍵技術。