■ 鄭青春 嚴(yán)岳勝 張志龍 孫炫琪/中國(guó)航發(fā)動(dòng)研所

重型運(yùn)輸直升機(jī)載重大、運(yùn)輸效率高，可以在野外垂直起降、懸停作業(yè)，在軍、民用領(lǐng)域具有無(wú)可替代的重要作用。通過分析與對(duì)比典型在役的重型直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)型，可以歸納總結(jié)出重型直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)特點(diǎn)，為重型直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的研發(fā)提供技術(shù)儲(chǔ)備。

重型運(yùn)輸直升機(jī)是指起飛質(zhì)量大于20t的直升機(jī)，它的出現(xiàn)可追溯至20世紀(jì)60年代。重型運(yùn)輸直升機(jī)用途十分廣泛：在軍事領(lǐng)域，可在空中機(jī)動(dòng)、全縱深機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)中大量、機(jī)動(dòng)地運(yùn)送兵力及重型裝備直達(dá)戰(zhàn)場(chǎng)，也可為海上艦隊(duì)進(jìn)行垂直補(bǔ)給；在民用領(lǐng)域，可用于應(yīng)對(duì)各種自然災(zāi)害和特殊需要，尤其對(duì)于山地、高原等特殊地理環(huán)境，重型直升機(jī)可以克服地形限制，快速、機(jī)動(dòng)、便利地解決運(yùn)輸、補(bǔ)給、搜救等應(yīng)急需求問題，能在重大自然災(zāi)害中發(fā)揮巨大作用。

單旋翼帶尾槳重型運(yùn)輸直升機(jī)

重型運(yùn)輸直升機(jī)發(fā)展?fàn)顩r

重型運(yùn)輸直升機(jī)可以采用多種構(gòu)型，主要包括單旋翼帶尾槳、縱列式雙旋翼，以及傾轉(zhuǎn)機(jī)翼/旋翼3種類型。國(guó)際上目前在役的重型直升機(jī)主要有俄羅斯的米-26系列，美國(guó)的CH-47系列、CH-53系列以及傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)V-22、AW609等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界重型直升機(jī)的保有量約為1700架。

重型運(yùn)輸直升機(jī)構(gòu)型分類

單旋翼帶尾槳重型運(yùn)輸直升機(jī)

此類直升機(jī)主要有米-26、CH-53系列。

米-26是蘇聯(lián)米里設(shè)計(jì)局(現(xiàn)米里莫斯科直升機(jī)股份公司)研制的重型運(yùn)輸直升機(jī)，是現(xiàn)役的載重能力最強(qiáng)的直升機(jī)，最大起飛質(zhì)量達(dá)56t。該型直升機(jī)于1971年開始研制，1978年2月21日首飛，包括米-26、米-26A、米-26T、米-26M等11種型別，已生產(chǎn)300架左右，并出口到20多個(gè)國(guó)家和地區(qū)。主要用于運(yùn)送大型軍事裝備、武器彈藥和其他軍用物資，也用于森林防火和邊遠(yuǎn)地區(qū)的地質(zhì)勘探開發(fā)。

CH-53系列運(yùn)輸直升機(jī)由美國(guó)西科斯基公司研制，具有多種改進(jìn)型，其中CH-53E是西方國(guó)家研制的尺寸和載荷最大的直升機(jī)，最大起飛質(zhì)量超過30t。該型直升機(jī)于1971年開始研制，總交付量為238架，主要裝備于美國(guó)海軍，遂行艦隊(duì)垂直補(bǔ)給、預(yù)警偵察或反潛巡邏等任務(wù)。

CH-47“支奴干”縱列雙翼直升機(jī)

V-22“魚鷹”傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)

縱列式雙旋翼運(yùn)輸直升機(jī)

此類直升機(jī)主要為美國(guó)CH-47“支奴干”系列直升機(jī)，由美國(guó)波音公司于1956年開始研制，A型機(jī)于1963年開始裝備部隊(duì)，后續(xù)又開發(fā)出B型、C型、D型、F型等衍生機(jī)型，現(xiàn)已銷往16個(gè)國(guó)家和地區(qū)，總交付量達(dá)1100余架。該運(yùn)輸直升機(jī)采用的是縱列式雙旋翼結(jié)構(gòu)，剔除了一般直升機(jī)采用的帶有尾部垂直螺旋槳構(gòu)型。按美國(guó)陸軍全天候運(yùn)輸直升機(jī)要求設(shè)計(jì)，可以在極端的高溫高原條件下完成運(yùn)輸任務(wù)，在美英等國(guó)軍隊(duì)中得到了廣泛應(yīng)用。

傾轉(zhuǎn)機(jī)翼/旋翼直升機(jī)

此類直升機(jī)具有多種工作模式：在起降、懸停階段為典型旋翼機(jī)模式；在巡航階段，可轉(zhuǎn)換為固定翼飛機(jī)模式進(jìn)行高速飛行。其優(yōu)點(diǎn)是速度更高，缺點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)起降、懸停至巡航狀態(tài)轉(zhuǎn)換的技術(shù)難度大。根據(jù)轉(zhuǎn)換后旋翼的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，轉(zhuǎn)換式高速旋翼機(jī)可分為停轉(zhuǎn)式和傾轉(zhuǎn)式兩種。典型代表有V-22“魚鷹”傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)、AW609傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)。其中V-22“魚鷹”傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)是目前在役的唯一一型傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)，最大起飛質(zhì)量約26t，也屬于重型運(yùn)輸直升機(jī)范疇，該機(jī)于2005年9月開始生產(chǎn)，主要裝備于美國(guó)海軍和空軍，用于戰(zhàn)場(chǎng)搜索、特種作戰(zhàn)和艦隊(duì)后勤及遠(yuǎn)距離特種運(yùn)輸。

重型運(yùn)輸直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)典型構(gòu)型分析

單旋翼帶尾槳構(gòu)型傳動(dòng)系統(tǒng)

單旋翼帶尾槳構(gòu)型傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，是一種經(jīng)典的直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)型。直升機(jī)升力僅由主旋翼提供，尾旋翼僅平衡直升機(jī)反扭矩。其傳動(dòng)系統(tǒng)一般采用“兩軸三器”結(jié)構(gòu)，由主減速器、中間減速器、尾減速器、動(dòng)力軸、尾軸組成一個(gè)完整的傳動(dòng)系統(tǒng)，部分直升機(jī)還會(huì)在主減速器和發(fā)動(dòng)機(jī)之間安裝一級(jí)頭部減速器進(jìn)行減速換向。對(duì)于這種單旋翼帶尾槳構(gòu)型傳動(dòng)系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率主要傳遞給主減速器，由主減速器實(shí)現(xiàn)大功率、大轉(zhuǎn)速比傳動(dòng)，主減速器的設(shè)計(jì)是這類構(gòu)型設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。為滿足主減速器的大功率流、大轉(zhuǎn)速比，并實(shí)現(xiàn)航空減速器所需要開展的減輕質(zhì)量設(shè)計(jì)要求，主減速器一般須采用分扭傳動(dòng)，將發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞的功率通過分流再并車。單旋翼帶尾槳構(gòu)型傳動(dòng)系統(tǒng)的典型機(jī)型為米-26直升機(jī)主減速器和CH-53K直升機(jī)主減速器。

米-26直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)由兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力均為3級(jí)減速傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)功率流、轉(zhuǎn)速比傳遞。發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力經(jīng)第一級(jí)螺旋錐齒輪副換向減速后分成兩路功率流，再經(jīng)兩路斜齒輪功率分流減速，到第三級(jí)時(shí)再由斜齒輪并車。并車齒輪為雙聯(lián)斜齒輪，每層有8個(gè)小齒輪與中心齒輪相嚙合。所有齒輪系統(tǒng)間均采用空心的浮動(dòng)彈性花鍵軸連接和均載，以保證扭矩分流的均勻性。由于輸入功率大，米-26直升機(jī)的主減速器放棄了傳統(tǒng)的行星傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，首次采用了分扭傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)最后一級(jí)減速的大傳動(dòng)比，從而大大減輕主減速器的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

CH-53K直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)則是在CH-53E的基礎(chǔ)上重新設(shè)計(jì)了傳動(dòng)系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)由原來(lái)的2臺(tái)增加為3臺(tái)，傳動(dòng)系統(tǒng)在保持原來(lái)輸入/輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向不變的情況下，取消CH-53E的兩個(gè)頭部減速器，主減速器則用分扭傳動(dòng)構(gòu)型替換了原有傳統(tǒng)的行星輪系結(jié)構(gòu)，由第一級(jí)螺旋錐齒輪進(jìn)行換向減速，第二級(jí)經(jīng)直齒輪分流減速，每一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率分為4路傳遞，并設(shè)計(jì)有彈性軸結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)各類功率的均載，最后再由第三級(jí)人字齒輪副實(shí)現(xiàn)并車減速，將功率傳遞至主旋翼系統(tǒng)。這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)同米-26直升機(jī)的主減速器一樣，均在最后一級(jí)減速實(shí)現(xiàn)了大傳動(dòng)比設(shè)計(jì)，從而大大減輕主減速器的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

米-26直升機(jī)主減速器傳動(dòng)鏈?zhǔn)疽鈭D

CH-47D直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

縱列式雙旋翼構(gòu)型傳動(dòng)系統(tǒng)

縱列式雙旋翼直升機(jī)在機(jī)身前后各設(shè)計(jì)有一個(gè)旋翼塔座，兩副相同的旋翼分別安裝在兩個(gè)塔座上，對(duì)旋翼旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行反向設(shè)置，實(shí)現(xiàn)直升機(jī)旋翼反作用扭矩的相互平衡。縱列式雙旋翼直升機(jī)典型機(jī)型為CH-47D，該直升機(jī)采用兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，其傳動(dòng)系統(tǒng)可從功能上劃分成頭部減速器、并車減速器、前主減速器和后主減速器等，各減速器間由傳動(dòng)軸相連接進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的傳動(dòng)。兩路發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力經(jīng)各動(dòng)力軸、頭部減速器換向和減速后，由并車減速器實(shí)現(xiàn)左/右發(fā)動(dòng)機(jī)的功率流匯流，再通過同步軸驅(qū)動(dòng)前/后主減速器，在前/后主減速器中均設(shè)計(jì)有3級(jí)減速傳動(dòng)，包括經(jīng)一級(jí)錐齒輪換向減速和兩級(jí)行星減速后，將動(dòng)力傳遞至前/后旋翼系統(tǒng)。

傾轉(zhuǎn)旋翼構(gòu)型傳動(dòng)系統(tǒng)

傾轉(zhuǎn)旋翼構(gòu)型傳動(dòng)系統(tǒng)主要由左/右發(fā)動(dòng)機(jī)、左/右旋翼減速器、左/右傾轉(zhuǎn)減速器、中間機(jī)翼減速器以及塔軸、機(jī)翼傳動(dòng)軸等組成。傾轉(zhuǎn)方案通過發(fā)動(dòng)機(jī)、減速器與旋翼一同繞機(jī)翼傳動(dòng)軸傾轉(zhuǎn)，傾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)則由一對(duì)螺旋錐齒輪實(shí)現(xiàn)。為抵消反扭矩效應(yīng)，在旋翼減速器中通過增加惰輪結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的改變，從而在發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速相同的情況下使旋翼獲得方向相反的轉(zhuǎn)速。V-22傾轉(zhuǎn)旋翼直升機(jī)和AW609傾轉(zhuǎn)旋翼直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)型布局相似，其中V-22旋翼減速器采用3級(jí)減速傳動(dòng)，包括一級(jí)斜齒輪傳動(dòng)和兩級(jí)行星齒輪系傳動(dòng)。AW609旋翼減速器同樣由3級(jí)減速傳動(dòng)組成，只是前兩級(jí)為人字齒輪傳動(dòng)減速，第三級(jí)為行星齒輪傳動(dòng)減速。

V-22“魚鷹”傾轉(zhuǎn)旋翼傳動(dòng)系統(tǒng)

重型運(yùn)輸直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)

減速器采用多路分扭傳動(dòng)

因重型運(yùn)輸直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)起飛質(zhì)量大，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)功率傳輸能力要求高。同時(shí)受結(jié)構(gòu)空間和質(zhì)量限制，傳動(dòng)系統(tǒng)須盡可能減少結(jié)構(gòu)尺寸、減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，為滿足這一要求，在主要的重型傳動(dòng)系統(tǒng)中普遍采用分扭傳動(dòng)，如米-26、CH-53K采用的是斜齒輪或人字齒輪分扭傳動(dòng)，CH-47D、V-22、AW609中采用的是行星齒輪傳動(dòng)。分扭傳動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)較為復(fù)雜，在各路功率流間如何實(shí)現(xiàn)均勻分配，須設(shè)計(jì)有效的均載結(jié)構(gòu)。

減速器須滿足大姿態(tài)傾轉(zhuǎn)要求

大姿態(tài)傾轉(zhuǎn)是傾轉(zhuǎn)旋翼傳動(dòng)系統(tǒng)所獨(dú)有的技術(shù)特點(diǎn)，不同于常規(guī)構(gòu)型直升機(jī)的大姿態(tài)機(jī)動(dòng)，其工作姿態(tài)范圍在0°～90°。因此，相較于常規(guī)的直升機(jī)主減速器潤(rùn)滑系統(tǒng)，傾轉(zhuǎn)減速器滑油油位隨姿態(tài)變化幅度更大，回油路徑數(shù)量更多、更復(fù)雜，油池內(nèi)滑油分布和不同位置處回油速率受多種因素影響。而且當(dāng)潤(rùn)滑系統(tǒng)的參數(shù)不匹配時(shí)或回油不暢時(shí)，容易導(dǎo)致滑油壓力和流量隨姿態(tài)大幅度波動(dòng)，甚至出現(xiàn)斷油現(xiàn)象。

減速器須承受大功率載荷下的干運(yùn)轉(zhuǎn)

因?yàn)闆]有冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，傳動(dòng)系統(tǒng)的失效將直接影響到直升機(jī)的生存。在潤(rùn)滑系統(tǒng)失效的情況下，傳動(dòng)系統(tǒng)主減速器將會(huì)進(jìn)入干運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，齒輪、軸承等摩擦副將迅速產(chǎn)生大量熱量引起零部件熱變形，從而導(dǎo)致減速器運(yùn)轉(zhuǎn)失效。重型直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的傳遞功率大，在滑油系統(tǒng)失效條件下工作環(huán)境將更加惡劣，為保證滑油系統(tǒng)失效后減速器仍具備30min的干運(yùn)轉(zhuǎn)能力所需的技術(shù)難度更大，須從潤(rùn)滑、儲(chǔ)油構(gòu)型、齒輪軸承耐高溫能力等方面采用更有利于提高干運(yùn)轉(zhuǎn)能力的措施。

功率傳遞路徑多

功率傳遞路徑多是傾轉(zhuǎn)旋翼傳動(dòng)系統(tǒng)所獨(dú)有的技術(shù)特點(diǎn)，對(duì)于單旋翼帶尾槳構(gòu)型和縱列式雙旋翼構(gòu)型直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力經(jīng)并車后只需分別單向傳遞至兩側(cè)主旋翼或尾槳，而傾轉(zhuǎn)旋翼傳動(dòng)系統(tǒng)則必須具有功能及結(jié)構(gòu)復(fù)雜的互聯(lián)傳動(dòng)系統(tǒng)，須將直升機(jī)兩側(cè)動(dòng)力連接或?qū)?dòng)力均勻傳遞起來(lái)，滿足功率的雙向傳遞，使之在雙發(fā)工況、單發(fā)失效工況下均能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

構(gòu)件尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜

重型運(yùn)輸直升機(jī)由于傳遞功率大，結(jié)構(gòu)載荷復(fù)雜，相比其他中型、輕型直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)零部件結(jié)構(gòu)的尺寸大，結(jié)構(gòu)力學(xué)指標(biāo)要求高，對(duì)設(shè)計(jì)、工藝、生產(chǎn)、檢驗(yàn)等要求也更高，同時(shí)部分零部件尺寸會(huì)超出航空制造企業(yè)的制造能力范圍。

結(jié)束語(yǔ)

傳動(dòng)系統(tǒng)作為直升機(jī)的三大關(guān)鍵動(dòng)部件之一，研制技術(shù)復(fù)雜，難度大。同時(shí)傳動(dòng)系統(tǒng)還具有單機(jī)配套的特點(diǎn)，受直升機(jī)整體布局影響大，隨著重型運(yùn)輸直升機(jī)采用的構(gòu)型不同，對(duì)應(yīng)的傳動(dòng)系統(tǒng)也會(huì)存在差異。但通過對(duì)比分析，仍可找出一些共性的或?qū)Ｓ械募夹g(shù)特點(diǎn)，并可從這些技術(shù)特點(diǎn)出發(fā)，為重型直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的研發(fā)提供技術(shù)儲(chǔ)備。