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

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，因此高速直升機(jī)成為未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)之一。共軸對(duì)轉(zhuǎn)雙旋翼為高速直升機(jī)采用較多的構(gòu)型，針對(duì)其主減速器構(gòu)型開(kāi)展研究尤為迫切。

直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)形式可分為單旋翼、縱列旋翼、交叉旋翼、共軸對(duì)轉(zhuǎn)雙旋翼等類型（如圖1所示）。近年來(lái)，隨著高速直升機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，復(fù)合高速直升機(jī)成為重點(diǎn)研究和發(fā)展的方向，其中較為典型的是SB-1直升機(jī)（如圖1（c）所示）。作為一款共軸對(duì)轉(zhuǎn)雙旋翼高速直升機(jī)，SB-1的巡航速度高達(dá)460km/h，而傳統(tǒng)構(gòu)型的直升機(jī)最大前飛速度通常只有300km/h左右。

共軸對(duì)轉(zhuǎn)雙旋翼直升機(jī)的特點(diǎn)

共軸對(duì)轉(zhuǎn)雙旋翼直升機(jī)與單旋翼直升機(jī)的主要區(qū)別在于，它在相互同心的軸上安裝兩副轉(zhuǎn)速相等且轉(zhuǎn)向相反的旋翼。由于旋翼轉(zhuǎn)速相等、轉(zhuǎn)向相反，兩副旋翼產(chǎn)生的反作用力矩可以相互平衡，不需要用尾槳來(lái)平衡旋翼產(chǎn)生的反作用力矩。

共軸對(duì)轉(zhuǎn)雙旋翼直升機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

與單旋翼直升機(jī)相比，共軸對(duì)轉(zhuǎn)雙旋翼直升機(jī)有如下優(yōu)點(diǎn)。

第一，由于采用上、下兩旋翼，與相同質(zhì)量的單旋翼直升機(jī)相比，旋翼長(zhǎng)度/旋轉(zhuǎn)面積減小，旋翼半徑約為單旋翼直升機(jī)的70%。由于沒(méi)有尾槳，共軸對(duì)轉(zhuǎn)雙旋翼直升機(jī)結(jié)構(gòu)更加緊湊，機(jī)身較單旋翼直升機(jī)短，縱向尺寸也僅為單旋翼直升機(jī)的60%左右，適于在艦艇的狹小空間使用。

第二，由于共軸對(duì)轉(zhuǎn)雙旋翼直升機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量以及載荷均集中在直升機(jī)的重心位置，因此直升機(jī)的俯仰、偏航轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較單旋翼直升機(jī)減少。兩副共軸反向旋轉(zhuǎn)的旋翼具有氣動(dòng)特性對(duì)稱、懸停效率和安全性高、機(jī)動(dòng)性和操縱性好等特點(diǎn)。

第三，由于雙旋翼直升機(jī)沒(méi)有尾槳，從而提高了其生存率。共軸對(duì)轉(zhuǎn)雙旋翼直升機(jī)相較于單旋翼直升機(jī)，消除了潛在的尾槳故障隱患以及在飛行中因尾梁的振動(dòng)、變形引起的尾槳傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的故障隱患。

圖2 卡-28主減速器主傳動(dòng)鏈簡(jiǎn)圖

共軸對(duì)轉(zhuǎn)雙旋翼直升機(jī)存在的問(wèn)題

雖然共軸對(duì)轉(zhuǎn)雙旋翼直升機(jī)具有顯著的優(yōu)勢(shì)，但也存在以下突出問(wèn)題。

第一，由于采用上、下兩副旋翼，旋翼之間的氣流會(huì)相互干擾，甚至可能發(fā)生碰撞（卡-50直升機(jī)曾經(jīng)因上下兩片旋翼碰撞而墜毀），因此兩副旋翼要留有足夠的間距，這就要求共軸對(duì)轉(zhuǎn)雙旋翼直升機(jī)的高度要遠(yuǎn)高于單旋翼直升機(jī)的高度。

卡-28、卡-52（共軸對(duì)轉(zhuǎn)雙旋翼直升機(jī)）的高度均為5.4m，與它們質(zhì)量相當(dāng)?shù)闹?、米-28（單旋翼直升機(jī)）的高度分別為4.01m、3.82m。

第二，由于上、下旋翼槳轂、操縱系統(tǒng)等非流線型部件的數(shù)量、體積均大于單旋翼直升機(jī)并曝露在氣流中，所以共軸對(duì)轉(zhuǎn)雙旋翼直升機(jī)的氣動(dòng)阻力較單旋翼直升機(jī)要大，會(huì)對(duì)飛行速度造成較大影響。

第三，由于采用共軸對(duì)轉(zhuǎn)雙旋翼構(gòu)型，直升機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、操縱系統(tǒng)要比單旋翼的復(fù)雜得多，質(zhì)量增大，可靠性也會(huì)有所降低。

由于存在上述問(wèn)題，俄羅斯的卡-92目前僅為概念機(jī)，卡-50/52也在競(jìng)爭(zhēng)中不敵米-28N。共軸對(duì)轉(zhuǎn)雙旋翼直升機(jī)僅在俄羅斯海軍和各國(guó)無(wú)人機(jī)領(lǐng)域有較多的應(yīng)用。

然而，隨著剛性旋翼技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了SB-1這種采用剛性共軸雙旋翼加尾槳構(gòu)型的復(fù)合式直升機(jī)，其剛性旋翼縮短了兩副旋翼之間的距離，同時(shí)，尾槳推進(jìn)器可以明顯提升飛行速度，傳統(tǒng)共軸對(duì)轉(zhuǎn)雙旋翼直升機(jī)的性能限制被打破，這也成為高速直升機(jī)的一個(gè)新的發(fā)展方向。

共軸對(duì)轉(zhuǎn)雙旋翼主減速器的典型構(gòu)型分析

直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)是連接動(dòng)力系統(tǒng)與執(zhí)行系統(tǒng)，傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，且能改變運(yùn)動(dòng)的速度和方向的裝置，它與發(fā)動(dòng)機(jī)、旋翼系統(tǒng)一起并稱為直升機(jī)的三大關(guān)鍵動(dòng)部件。其中，主減速器是直升機(jī)上主要傳動(dòng)部件之一，也是傳動(dòng)裝置中最復(fù)雜、最大、最重要的一個(gè)部件。與單旋翼主減速器相比，共軸對(duì)轉(zhuǎn)雙旋翼主減速器結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。

封閉差動(dòng)行星輪系共軸構(gòu)型

封閉差動(dòng)行星輪系共軸構(gòu)型主減速器，不論前面幾級(jí)采用“先并車后換向”“先換向后并車”，還是“同時(shí)換向并車”，最后一級(jí)都是采用封閉差動(dòng)行星輪系。該構(gòu)型在俄羅斯卡系列直升機(jī)的主減速器中被廣泛應(yīng)用，如卡-28、卡-50等直升機(jī)主減速器。

本文以卡-28直升機(jī)主減速器的封閉差動(dòng)行星輪系為例對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明。從卡-28主速器減主傳動(dòng)鏈（如圖2所示）可以看出，其第一級(jí)為圓柱齒輪減速并車，第二級(jí)為錐齒輪減速換向，第三級(jí)采用封閉差動(dòng)行星輪系——以差動(dòng)輪系為基礎(chǔ)，采用星形定軸輪系來(lái)封閉差動(dòng)輪系，形成自由度為1的輪系，以星形定軸輪系的太陽(yáng)齒輪為輸入，通過(guò)差動(dòng)輪系的行星架和內(nèi)齒圈實(shí)現(xiàn)兩路輸出。

該結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是：主減工作時(shí)星形定軸輪系的內(nèi)齒圈驅(qū)動(dòng)差動(dòng)輪系的內(nèi)齒圈，相對(duì)于差動(dòng)輪系反向旋轉(zhuǎn)，降低了差動(dòng)輪系的相對(duì)傳動(dòng)比（卡-28主減速器星形定軸輪系的減速比為6.273∶1，差動(dòng)輪系減速比為3.636∶1），使差動(dòng)輪系可布置更多行星齒輪且結(jié)構(gòu)尺寸緊湊。

封閉差動(dòng)行星輪系具有體積小、傳動(dòng)比范圍大、效率高、承載能力強(qiáng)和工作平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)差動(dòng)輪系還可以用于速度的合成與分解或用于變速傳動(dòng)。但其配齒困難、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、制造精度要求較高、制造安裝較困難。

圖3 定軸內(nèi)外嚙合共軸構(gòu)型

圖4 西科斯基專利號(hào)為US 7413142B2的主減速器傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

圖5 西科斯基專利號(hào)為US 8870538B2的主減速器傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

定軸內(nèi)外嚙合共軸構(gòu)型

定軸內(nèi)外嚙合共軸構(gòu)型主減速器的最后一級(jí)是通過(guò)定軸輪系分別與共軸的圓柱齒輪和內(nèi)齒圈進(jìn)行嚙合，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速相等、轉(zhuǎn)向相反的共軸輸出，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。該結(jié)構(gòu)在卡-26主減速器和西科斯基專利號(hào)為US 7413142B2的主減速器（如圖4所示）中有所應(yīng)用。

本文以西科斯基專利為例，對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明。該專利為高速?gòu)?fù)合直升機(jī)用主減速器構(gòu)型，雙發(fā)輸入，主傳動(dòng)鏈為3級(jí)傳動(dòng)。同時(shí)，通過(guò)兩級(jí)圓柱齒輪減速傳動(dòng)，將功率由圓柱齒輪傳輸給尾槳推進(jìn)器。與傳統(tǒng)復(fù)合行星輪系結(jié)構(gòu)布局相比，該結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，齒輪數(shù)量少，所需的軸承數(shù)量也少，主減速器的質(zhì)量更輕。另外，該結(jié)構(gòu)的主減速器的高度較低，安裝平臺(tái)能布置在更高位置，可增大直升機(jī)的艙內(nèi)空間。

面齒輪共軸構(gòu)型

面齒輪共軸構(gòu)型主減速器最后一級(jí)為兩個(gè)共軸反向旋轉(zhuǎn)的面齒輪副，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速相等、轉(zhuǎn)向相反的共軸輸出。本文以西科斯基專利號(hào)為US 8870538B2的主減速器傳動(dòng)結(jié)構(gòu)為例，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。一般主減速器的最后一級(jí)齒輪的輸出轉(zhuǎn)速低、扭矩大，為了承受大的扭矩，與內(nèi)外旋翼軸相連的從動(dòng)大齒輪的尺寸都較大。該專利為3級(jí)傳動(dòng)，其結(jié)構(gòu)的最后一級(jí)為面齒輪輸出，并使用了功率分流，可以有效地減小主減速器的外廓尺寸和質(zhì)量。同時(shí)，該結(jié)構(gòu)的另一個(gè)特點(diǎn)就是在兩個(gè)面齒輪之間使用了一個(gè)大的推力軸承，使其高度方向的結(jié)構(gòu)更緊湊，減小了主減速器的高度。

簡(jiǎn)單傳動(dòng)共軸構(gòu)型

簡(jiǎn)單傳動(dòng)共軸構(gòu)型主減速器（如圖6所示）分無(wú)功率分流和功率分流兩種類型，其中功率分流型傳動(dòng)一般有均扭機(jī)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)在“海鷗”無(wú)人機(jī)的主減速器（如圖7所示）、西科斯基專利號(hào)為US 20150060596A1的主減速器（如圖8所示）中有所應(yīng)用。

當(dāng)前美國(guó)西科斯基公司研制的輕型武裝偵察直升機(jī)S-97（最大起飛質(zhì)量為5t）的主減速器就是使用了簡(jiǎn)單傳動(dòng)構(gòu)型。該構(gòu)型主減速器的主傳動(dòng)鏈采用3級(jí)傳動(dòng)：第一級(jí)為錐齒輪減速換向；第二級(jí)為圓柱齒輪減速并進(jìn)行功率分流；第三級(jí)為圓柱齒輪減速并車。

該類型主減速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、齒輪軸承等構(gòu)件數(shù)量較少，維修較方便、可靠性較高，如設(shè)計(jì)得當(dāng)，質(zhì)量不一定比行星齒輪傳動(dòng)的主減速器大。對(duì)大功率主減速器，可以采用功率分流傳動(dòng)或采用圓弧齒輪、高重合度齒輪等，以顯著提高減速器的強(qiáng)度和疲勞壽命。

圖6 簡(jiǎn)單傳動(dòng)共軸構(gòu)型

圖7 "海鷗"無(wú)人機(jī)主減速器傳動(dòng)簡(jiǎn)圖

圖8 西科斯基專利號(hào)為US 20150060596A1的主減速器傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

各種構(gòu)型的特點(diǎn)和差異

在目前收集到的共軸對(duì)轉(zhuǎn)雙旋翼主減速器相關(guān)資料中，除采用1級(jí)或2級(jí)的簡(jiǎn)單傳動(dòng)構(gòu)型用于無(wú)人機(jī)或輕型直升機(jī)的主減速器外，其他主要為俄羅斯的卡莫夫設(shè)計(jì)局的封閉差動(dòng)行星輪系構(gòu)型和美國(guó)西科斯基公司的3種專利構(gòu)型。從上面對(duì)這幾種構(gòu)型的分析可以看出，西科斯基的3項(xiàng)專利與俄羅斯的封閉差動(dòng)行星輪系構(gòu)型在結(jié)構(gòu)上有顯著的區(qū)別，體現(xiàn)了兩種不同的設(shè)計(jì)風(fēng)格，主要體現(xiàn)在以下幾方面。

第一，封閉差動(dòng)行星輪系構(gòu)型與西科斯基的3項(xiàng)專利相比，結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，要實(shí)現(xiàn)內(nèi)外旋翼軸的轉(zhuǎn)速完全相等，配齒非常困難；同時(shí)，該構(gòu)型因?yàn)橛卸鄠€(gè)行星輪和星輪，所以其零件數(shù)量也比西科斯基的3項(xiàng)專利構(gòu)型更多，但因缺少相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)于不同構(gòu)型主減速器的質(zhì)量系數(shù)的優(yōu)劣目前尚無(wú)法進(jìn)行評(píng)估。

第二，從主減速器的外廓尺寸上看，封閉差動(dòng)行星結(jié)構(gòu)主減速器外廓比較細(xì)長(zhǎng)，而西科斯基的3項(xiàng)專利結(jié)構(gòu)主減速器的外廓比較扁平。扁平的主減速器可提高其安裝平臺(tái)的高度位置，增大直升機(jī)的艙內(nèi)空間。

第三，西科斯基的3項(xiàng)專利最后一級(jí)都使用尺寸較大的從動(dòng)齒輪，所以其內(nèi)外軸的直徑可以設(shè)計(jì)得比較大，而封閉差動(dòng)行星輪系因受太陽(yáng)齒輪的尺寸限制，內(nèi)軸直徑尺寸不可能設(shè)計(jì)得很大（卡-28的主減速器內(nèi)軸的內(nèi)徑最小處僅為105mm）。所以西科斯基的3項(xiàng)專利構(gòu)型更容易在內(nèi)軸布置相關(guān)裝置，如內(nèi)操縱裝置、防除冰裝置和測(cè)試設(shè)備等。

第四，封閉差動(dòng)行星輪系結(jié)構(gòu)復(fù)雜，該結(jié)構(gòu)的核心技術(shù)、專利等均為俄羅斯卡莫夫設(shè)計(jì)局掌握。從西科斯基的3項(xiàng)專利可以看出其對(duì)共軸對(duì)轉(zhuǎn)雙旋翼構(gòu)型的直升機(jī)和主減速器進(jìn)行了大量研究，但這些專利僅描述了結(jié)構(gòu)布局，具體參數(shù)匹配、如何實(shí)現(xiàn)等細(xì)節(jié)并未公開(kāi)。

結(jié)束語(yǔ)

主減速器的不同構(gòu)型是為適應(yīng)各種直升機(jī)的不同需求而產(chǎn)生的，受諸多因素限制，理論上并沒(méi)有最優(yōu)的構(gòu)型，需要根據(jù)主機(jī)的需求，對(duì)各種構(gòu)型進(jìn)行對(duì)比分析，最終選出使主減速器結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、可靠性高的構(gòu)型。