代志雄 錢(qián)峰 馮志壯

摘要：直升機(jī)振動(dòng)的主要來(lái)源是槳葉旋轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的槳轂激振力，這種激振力通過(guò)主減裝置傳遞到機(jī)身，造成機(jī)身的劇烈振動(dòng)，因此，降低旋翼以及機(jī)體的振動(dòng)水平成為直升機(jī)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)中的首要問(wèn)題。液彈隔振器作為一種高效隔振、結(jié)構(gòu)緊湊的隔振裝置，能夠顯著地降低槳葉旋轉(zhuǎn)中產(chǎn)生的激振力的傳遞，從而降低飛機(jī)的振動(dòng)水平，提高飛行質(zhì)量。本文對(duì)被動(dòng)及主動(dòng)式液彈隔振技術(shù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述，并對(duì)液彈隔振技術(shù)的工程應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析和展望。

關(guān)鍵詞：直升機(jī)；振動(dòng)；液彈隔振；發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類號(hào)：V214.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.06.004

直升機(jī)獨(dú)特的構(gòu)造決定了這種飛行器具有高機(jī)動(dòng)性、高靈活性的特點(diǎn)，使其在軍事領(lǐng)域以及民用領(lǐng)域發(fā)揮廣泛的作用。而且隨著重型直升機(jī)、共軸高速直升機(jī)、無(wú)人直升機(jī)，以及超高速直升機(jī)等多種類型直升機(jī)投入研制和使用，有效地控制直升機(jī)的振動(dòng)水平，成為設(shè)計(jì)人員思考并亟須攻克的關(guān)鍵問(wèn)題[1]。

在直升機(jī)飛行的過(guò)程中，槳葉會(huì)受到氣動(dòng)慣性載荷，這些載荷主要來(lái)自包括旋翼轉(zhuǎn)速整數(shù)倍的各次諧波成分。在交變載荷作用下，槳轂處會(huì)形成一個(gè)對(duì)于機(jī)體不旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的頻率為PNΩ的槳轂振動(dòng)激振力與力矩，其中，Ω、N分別為旋翼轉(zhuǎn)速、槳片葉數(shù)，P為整數(shù)。這些力與力矩就是造成機(jī)身振動(dòng)的主要源頭，激振力通過(guò)主減裝置傳到機(jī)身，引起機(jī)身頻率為PNΩ的振動(dòng)響應(yīng)[2]。主減隔振技術(shù)[3]作為現(xiàn)代直升機(jī)的主要隔振形式，通過(guò)在直升機(jī)主減速器安裝機(jī)構(gòu)和機(jī)身之間安裝的隔振系統(tǒng)，將激振力與機(jī)身隔離，通過(guò)不同技術(shù)隔力或者隔幅，從而達(dá)到降低直升機(jī)水平的目的。

節(jié)點(diǎn)梁隔振器是由貝爾直升機(jī)公司的T.M.Gaffey[4]等提出來(lái)的，這種隔振器的優(yōu)點(diǎn)就是可以隔離垂向振動(dòng)，但是這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量（質(zhì)量）較大、占用空間較大，在現(xiàn)代的直升機(jī)上已經(jīng)很少應(yīng)用。聚焦式隔振器最早也是由貝爾公司提出的，并應(yīng)用在UH-1，SA-330和SA-341[5]等直升機(jī)上，國(guó)內(nèi)的直8和直9型直升機(jī)也采用了聚焦式隔振裝置。通過(guò)這種隔振系統(tǒng)，旋翼旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)的激振力或力矩向機(jī)體的傳遞效率可以明顯降低。此外該系統(tǒng)在垂直方向有很高的動(dòng)靜剛度，不會(huì)影響操縱系統(tǒng)的正常工作。目前的新型直升機(jī)隔振系統(tǒng)不再單獨(dú)采用聚焦式隔振，而是將其和其他的隔振器組合成新的隔振系統(tǒng)。動(dòng)力反共振隔振器（dynamic anti-resonant vibration isolator， DAVI）是由美國(guó)卡曼宇航公司的Flanelly[6]發(fā)明。這種隔振裝置是隔振與吸振原理相結(jié)合。動(dòng)力反共振隔振器不僅具有較高的動(dòng)靜剛度，而且在特定的頻率點(diǎn)附近具有顯著的隔振效率。而在實(shí)際應(yīng)用中，動(dòng)力反共振隔振器被設(shè)計(jì)成了機(jī)械式或者液壓式兩種構(gòu)型。國(guó)外的直升機(jī)公司在實(shí)際應(yīng)用中提出了不同的實(shí)現(xiàn)方式，如機(jī)械式、液壓式。但是DAVI系統(tǒng)也占用空間較大，而且機(jī)械磨損消耗使用壽命。目前來(lái)看，國(guó)內(nèi)外直升機(jī)采用最廣泛的振動(dòng)控制方法是主減隔振技術(shù)，而且對(duì)該技術(shù)的研究也取得了很多階段性的成果。根據(jù)隔振器的實(shí)現(xiàn)形式不同，主減隔振技術(shù)主要分為節(jié)點(diǎn)梁隔振、聚焦式隔振和動(dòng)力反共振隔振。

本文主要介紹的液彈隔振技術(shù)是基于動(dòng)力反共振原理實(shí)現(xiàn)的，本文將對(duì)被動(dòng)式液彈隔振器的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，并給出液彈隔振器的建模方法以及物理方程，最后對(duì)液彈隔振器的工程應(yīng)用趨勢(shì)進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。

1被動(dòng)式液彈隔振技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

德國(guó)的MBB[7]公司在1980年設(shè)計(jì)了一種液壓式動(dòng)力反共振隔振器。整個(gè)隔振系統(tǒng)主要由慣性質(zhì)量、可壓縮的波紋管以及彈簧組成。這種隔振器的工作原理是利用液壓的放大作用作為隔振器中的擺臂。最早波紋管內(nèi)充有低密度的液體，當(dāng)隔振系統(tǒng)受力時(shí)，波紋管會(huì)壓縮，在液壓的作用下，慣性質(zhì)量塊振動(dòng)產(chǎn)生的慣性力會(huì)與波紋管的彈性力相互抵消，使得傳遞到機(jī)身的振動(dòng)為零，達(dá)到隔振的目的。但是這種效果只能在設(shè)計(jì)的頻率上才能取得較好的成果，其他振動(dòng)頻率效果就差強(qiáng)人意。后來(lái)歐洲直升機(jī)公司在此研究基礎(chǔ)上，對(duì)液壓式動(dòng)力反共振隔振器進(jìn)行了改良設(shè)計(jì)，研發(fā)了ARIS液彈主減隔振器，這種隔振器取得了良好的隔振效果，并且被應(yīng)用在無(wú)軸承旋翼直升機(jī)EC135。

參考聚焦式隔振的工作原理，SARIB主減隔振技術(shù)通過(guò)在主減撐桿與機(jī)體連接處設(shè)計(jì)動(dòng)力反共振系統(tǒng)來(lái)達(dá)到減少旋翼垂向載荷向機(jī)體的傳遞，SARIB隔振系統(tǒng)能降低除旋翼扭振載荷外其余5個(gè)槳轂振動(dòng)載荷向機(jī)體的傳遞，NH-90和“虎”式直升機(jī)通過(guò)采用SARIB隔振系統(tǒng)取得了良好的隔振效果。

2008年，歐洲直升機(jī)公司對(duì)扭管式SARIB動(dòng)力反共振隔振系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，改進(jìn)后的隔振系統(tǒng)主要由扭管、慣性質(zhì)量塊和擺臂三部分組成，改進(jìn)后系統(tǒng)的扭管裝有橡膠，主要作用是為隔振系統(tǒng)提供剛度，并且通過(guò)橡膠取代了原有的片簧裝置，來(lái)實(shí)現(xiàn)擺臂的運(yùn)動(dòng)，簡(jiǎn)化了整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)?；诘蛣?dòng)態(tài)剛度的SARIB主減隔振系統(tǒng)受到主減安裝結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度以及重量代價(jià)大，安裝結(jié)構(gòu)空間有限等限制，在使用范圍上受到一定限制。

液彈隔振器最早是由貝爾公司的Halwes在設(shè)計(jì) LIVE[8]隔振系統(tǒng)時(shí)提出的。液彈隔振器采用橡膠連接內(nèi)外筒，封閉液腔并提供彈性剛度。液腔內(nèi)的液體作為等效的慣性元件，在受到激振力后，會(huì)在隔振器液腔通道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生慣性力從而抵消激振力，在特定的隔振頻率上能夠取得明顯的隔振效果。液彈隔振器采用高密度液體作為慣性元件，避免了傳統(tǒng)隔振方式產(chǎn)生的機(jī)械磨損，并且結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單、重量代價(jià)低、靜剛度大、隔振頻帶寬而且所需的安裝空間比較小。目前洛德公司已經(jīng)形成了完整的設(shè)計(jì)生產(chǎn)體系，并已經(jīng)成功應(yīng)用在貝爾公司427、429、430的機(jī)型上。

阿古斯特公司[9-10]在A109E上也試驗(yàn)采用了這種主減隔振系統(tǒng)，它使得旋翼主減與機(jī)體之間在靜態(tài)成為“剛性”安裝。采用液彈隔振裝置串聯(lián)于主減撐桿上，實(shí)際上是SARIB隔振系統(tǒng)的一種新的實(shí)現(xiàn)方式，由于其更適合不同噸位的直升機(jī)，并且可靠性高，所以成為當(dāng)前研究和采用的新技術(shù)。

我國(guó)在動(dòng)力學(xué)和振動(dòng)控制方面，受到國(guó)外嚴(yán)格的技術(shù)封鎖，加上國(guó)內(nèi)在這一領(lǐng)域的投入很少，技術(shù)層面的關(guān)注程度十分有限，導(dǎo)致直升機(jī)振動(dòng)控制領(lǐng)域的發(fā)展十分緩慢，其根源不僅在于直升機(jī)振動(dòng)問(wèn)題本身極其復(fù)雜，也在于國(guó)內(nèi)技術(shù)儲(chǔ)備嚴(yán)重匱乏。

在減振技術(shù)研究方面，國(guó)內(nèi)已開(kāi)展了雙線擺槳轂吸振器設(shè)計(jì)技術(shù)研究、聚焦式主減隔振與反共振技術(shù)研究，以及直升機(jī)結(jié)構(gòu)響應(yīng)主動(dòng)控制技術(shù)研究，基本掌握了部分被動(dòng)減振隔振技術(shù)和突破了直升機(jī)結(jié)構(gòu)響應(yīng)主動(dòng)控制設(shè)計(jì)、分析和試驗(yàn)的部分關(guān)鍵技術(shù)。近年來(lái)，吸取國(guó)外直升機(jī)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)與振動(dòng)控制先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，建立了通過(guò)旋翼、機(jī)體結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)和耦合動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行振動(dòng)控制設(shè)計(jì)的理念。

1989年，南京航空航天大學(xué)的顧仲權(quán)[11]等對(duì)動(dòng)力反共振隔振裝置的機(jī)理、結(jié)構(gòu)形式、應(yīng)用以及功能做了綜述介紹。對(duì)主動(dòng)式動(dòng)力反共振隔振器進(jìn)行了理論分析與試驗(yàn)研究。

2010年，鄧旭東[12]建立了ETT-SARIB主減隔振系統(tǒng)仿真分析模型并利用Ansys和Adams軟件進(jìn)行了仿真計(jì)算，推導(dǎo)了隔振器扭轉(zhuǎn)、徑向以及軸向的準(zhǔn)靜態(tài)剛度，最后對(duì)主減隔振系統(tǒng)的隔振效果做出了計(jì)算分析。

2011年，南京航空航天大學(xué)的龔亮[13]在國(guó)內(nèi)首次提出了一種液彈隔振器設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行了力學(xué)建模及其動(dòng)力學(xué)方程的推導(dǎo)，最后加工出了實(shí)體試驗(yàn)件并進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)特性測(cè)試。從技術(shù)發(fā)展的角度看，主減液彈隔振器一方面利用了反共振隔振原理，隔振效率非常高；另一方面，采用液體作為慣性元件后，液彈隔振器在重量效率、可靠性、維修性等方面又優(yōu)于傳統(tǒng)的機(jī)械式動(dòng)力反共振隔振器，因此這項(xiàng)技術(shù)已成為國(guó)外新型直升機(jī)降低機(jī)身振動(dòng)水平所采用的主流技術(shù)。

2013年，張揚(yáng)[14]建立了液彈隔振器的等效力學(xué)模型，并提出了一種帶液彈隔振器的6自由度隔振系統(tǒng)，采用Newton-Euler法建立了該系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程，分析了系統(tǒng)的耦合特性。通過(guò)模態(tài)分析、時(shí)域分析、頻域分析以及參數(shù)敏感性分析發(fā)現(xiàn)，6自由度的隔振系統(tǒng)具有相同的反共振頻率，而且在該頻率上具有良好的隔振效果。

2014年，雷少保[15]將液彈隔振器與聚焦式隔振系統(tǒng)組合并進(jìn)行建模仿真計(jì)算，結(jié)果表明聚焦式液彈隔振系統(tǒng)的隔振效率受到液彈隔振器阻尼及其安裝角、慣性通道內(nèi)的液體質(zhì)量等敏感參數(shù)的影響。

2015年，張旭[16]在分析了影響液彈隔振器隔振效率敏感參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)改變隔振器的剛度來(lái)達(dá)到半主動(dòng)隔振效果。文中設(shè)計(jì)了一組變剛度彈簧片，通過(guò)音圈電機(jī)作動(dòng)器來(lái)改變彈簧片之間的空隙從而實(shí)現(xiàn)控制隔振器的剛度參數(shù)，進(jìn)而控制隔振器的隔振頻率點(diǎn)，使得液彈隔振器能達(dá)到寬頻隔振的效果。

2018年，程起友[17-18]分析了橡膠的參數(shù)選擇對(duì)于隔振效率的影響，結(jié)果表明隔振器的傳遞能力隨著橡膠的損耗系數(shù)及阻尼的增加而增加，提出在選擇液彈隔振器的密封材料的時(shí)候應(yīng)盡量選用損耗系數(shù)及阻尼小的材料。

2模型建立與方程推導(dǎo)

2.1模型建立與分析

如圖3所示，隔振裝置主要由內(nèi)外筒、橡膠、液腔以及腔內(nèi)液體組成。橡膠連接內(nèi)外筒并將液體密封在液腔內(nèi)，在內(nèi)外筒發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的時(shí)候提供彈性剛度。隔振器在受到外力的情況下，液體會(huì)通過(guò)慣性通道在液腔內(nèi)流動(dòng)，產(chǎn)生阻尼力并提供剛度。液腔底端會(huì)留有空氣腔，作為液體流動(dòng)的體積補(bǔ)償。

2.2物理方程

假設(shè)旋翼系統(tǒng)的質(zhì)量為M1、通道內(nèi)的液體質(zhì)量為m，力學(xué)模型如圖4所示。

假設(shè)隔振器的低端AB固定，頂端M1會(huì)受到垂直向下的作用力f，M1的位移為x，即MN的位移也是x，通道內(nèi)的液體位移為x0，下液腔液體位移為xd。A1，A0，A2分別為上液腔橫截面面積、慣性通道橫截面面積和下液腔橫截面面積，k1為橡膠的剛度系數(shù)，k2為空氣腔的等效剛度，c為通道內(nèi)的液體阻尼系數(shù)，η為橡膠的損耗系數(shù)。pu為上液腔的壓強(qiáng)（壓力），pd為下液腔的壓強(qiáng)，規(guī)定向下為正方向。

3被動(dòng)式液彈隔振技術(shù)存在的問(wèn)題

液彈隔振器不僅構(gòu)造簡(jiǎn)單、質(zhì)量較小、結(jié)構(gòu)緊湊，而且在特定的隔振頻率點(diǎn)上有著顯著的隔振效果，但是特定的隔振頻率之外的頻率點(diǎn)上，這種隔振器的隔振效果一般，然而這種被動(dòng)隔振技術(shù)在直升機(jī)減振控制中仍具有廣泛的應(yīng)用前景，但是對(duì)于現(xiàn)在的液彈隔振器的研究存在著幾個(gè)必須解決的問(wèn)題。

首先，通過(guò)第二部分推導(dǎo)的物理方程可以看出，影響液彈隔振器性能的主要設(shè)計(jì)參數(shù)與液腔填充液體的密度（液體質(zhì)量）、橡膠的剛度以及慣性通道長(zhǎng)度有關(guān)。對(duì)于在液彈隔振器的填充液的選取方案中，最理想的液體為水銀，因?yàn)樗y的密度很大，相同體積的水銀在振動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生更大的慣性力抵消激振力，然而水銀是有毒液體，考慮到這一點(diǎn)研究人員不得不選擇其他高密度液體代替，但發(fā)現(xiàn)或者合成這種高密度液體是液彈隔振器的一個(gè)難題。此外由于要滿足直升機(jī)復(fù)雜的飛行環(huán)境，要保證液體在高低溫范圍內(nèi)依舊保持良好的性能，使得問(wèn)題更加困難。

對(duì)于慣性通道的長(zhǎng)度，由于受到直升機(jī)主減系統(tǒng)安裝空間的限制，無(wú)法直接增加通道的長(zhǎng)度，需要從其他的設(shè)計(jì)角度出發(fā)，增加通道長(zhǎng)度，同時(shí)控制液體阻尼產(chǎn)生的熱量。

再者，液彈隔振器自身的動(dòng)靜剛度也會(huì)影響到隔振效果。為了控制隔振器的剛度，國(guó)外直升機(jī)公司通過(guò)采用一種雙向變剛度彈簧連接液腔與內(nèi)筒，組成了一種雙頻隔振的變剛度液彈隔振器。通過(guò)這一思路，國(guó)內(nèi)的學(xué)者也嘗試著通過(guò)改變隔振器的剛度來(lái)實(shí)現(xiàn)隔振器的寬頻隔振、多頻隔振，然而這僅限于研究階段，還沒(méi)有投入到研究。

4主動(dòng)式液彈隔振技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

在直升機(jī)的研制初期，工程師需要對(duì)艙內(nèi)的振動(dòng)、噪聲水平進(jìn)行評(píng)估，并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行控制。在學(xué)術(shù)界，針對(duì)直升機(jī)減振、降噪技術(shù)的研究從未停止。當(dāng)前國(guó)產(chǎn)直升機(jī)的振動(dòng)、噪聲水平仍然差強(qiáng)人意，難以適應(yīng)我國(guó)不斷擴(kuò)充的市場(chǎng)需求，亟須發(fā)展效率更高、適應(yīng)性更強(qiáng)的減振、降噪手段。

振動(dòng)是制約直升機(jī)朝著大速度、高機(jī)動(dòng)性、高生存力、高可靠性、信息高度綜合控制方向發(fā)展的瓶頸之一。偏高的振動(dòng)水平不僅降低高精度的火控系統(tǒng)、精密的穩(wěn)瞄設(shè)備、高靈敏的偵測(cè)雷達(dá)等先進(jìn)電子設(shè)備的可靠性，還降低實(shí)現(xiàn)其高速度、高機(jī)動(dòng)性、敏捷性的作戰(zhàn)能力、精確打擊能力和戰(zhàn)場(chǎng)出勤率。新一代新構(gòu)型高速直升機(jī)將會(huì)是我國(guó)近、中、遠(yuǎn)期直升機(jī)發(fā)展重點(diǎn)，其主要特點(diǎn)是采用先進(jìn)無(wú)軸承旋翼技術(shù)、傾轉(zhuǎn)和共軸旋翼及復(fù)合推力技術(shù)，使直升機(jī)機(jī)動(dòng)性、敏捷性和飛行速度大大提高。這類新構(gòu)型旋翼系統(tǒng)在顯著提高這些作戰(zhàn)性能的同時(shí)，產(chǎn)生顯著高于傳統(tǒng)構(gòu)型的振動(dòng)載荷，因此要滿足低振動(dòng)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)要求，更需要高效、可靠的減振設(shè)計(jì)技術(shù)。

被動(dòng)式隔振技術(shù)在歐美先進(jìn)直升機(jī)公司已得到廣泛應(yīng)用，各類被動(dòng)隔振裝置使用過(guò)程中暴露出重量代價(jià)大、頻率適應(yīng)性差等問(wèn)題，始終無(wú)法得到根本解決。隨著智能材料與計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，主動(dòng)控制技術(shù)被引入直升機(jī)主減隔振設(shè)計(jì)中，該隔振系統(tǒng)通過(guò)對(duì)智能材料作動(dòng)器進(jìn)行自適應(yīng)控制，產(chǎn)生動(dòng)態(tài)激振力抵消來(lái)自旋翼、主減的振動(dòng)。主動(dòng)隔振技術(shù)最大優(yōu)勢(shì)在于在隔振頻帶寬、效果好，能夠適應(yīng)一定程度上的轉(zhuǎn)速變化，目前國(guó)外已基于液壓、磁致伸縮、壓電陶瓷等類型作動(dòng)器，開(kāi)展了一系列研究與裝機(jī)驗(yàn)證工作，結(jié)果表明主動(dòng)隔振裝置對(duì)低頻振動(dòng)及高頻噪聲均有出色的抑制效果。

英國(guó)南安普頓大學(xué)的Sutton[19]研究了磁致伸縮作動(dòng)器在主減撐桿上的應(yīng)用，如圖5所示，采用三個(gè)軸向作動(dòng)器通過(guò)夾具與主減撐桿相連，能沿軸向與彎曲方向產(chǎn)生250～ 1250Hz的驅(qū)動(dòng)力。隨后開(kāi)展了全尺寸原理樣件的主動(dòng)隔振試驗(yàn)，結(jié)果表明，該主動(dòng)撐桿對(duì)其工作頻率范圍內(nèi)的振動(dòng)有顯著的抑制效果，最多可降低30～40dB。

1999[20]年，貝爾直升機(jī)公司在美國(guó)陸軍DTAS項(xiàng)目框架內(nèi)，通過(guò)在LIVE隔振元件內(nèi)部集成壓電陶瓷作動(dòng)器，研制了“Smart Link”隔振器原理樣件（見(jiàn)圖6），采用多點(diǎn)振動(dòng)自適應(yīng)控制方法開(kāi)展了試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)主動(dòng)控制，頻率為NΩ的振動(dòng)降低了超過(guò)90%。

洛德[21]公司在液彈隔振器研究技術(shù)基礎(chǔ)上，開(kāi)展過(guò)適用于大噸位直升機(jī)用的并聯(lián)液壓作動(dòng)器的主動(dòng)液彈隔振器研究。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，并聯(lián)液壓控制系統(tǒng)后，隔振頻率點(diǎn)液彈隔振器動(dòng)剛度降低，同時(shí)隔振頻帶范圍變寬，理論上在隔振頻率點(diǎn)能達(dá)到完全隔振的效果（見(jiàn)圖7）。

西科斯基公司的Millott與Welsh[22-25]研究了基于慣性作動(dòng)器的主動(dòng)隔振系統(tǒng)，其中慣性作動(dòng)器被布置在主減與機(jī)身安裝點(diǎn)周圍，采用了高階諧波控制方法。隨后以S-76直升機(jī)為平臺(tái)，先后進(jìn)行了兩個(gè)階段的裝機(jī)飛行驗(yàn)證。第一階段的飛行試驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)主動(dòng)控制，艙內(nèi)800Hz的主減嚙合噪聲，在穩(wěn)態(tài)飛行時(shí)平均降低了14dB，機(jī)動(dòng)飛行時(shí)也有9～12dB的控制效果。第二階段改進(jìn)了系統(tǒng)識(shí)別方法與控制算法，懸停試驗(yàn)表明，艙內(nèi)主減嚙合噪聲平均降低了18dB，控制效果相比第一階段有明顯提升（見(jiàn)圖8）。

2002年，EADS[26-28]聯(lián)合研究中心與歐直德國(guó)分部以 BK117主減撐桿為基準(zhǔn)，研制了全尺寸主動(dòng)撐桿，其基本構(gòu)型是在原撐桿的外圍等方位布置了三個(gè)壓電堆，通過(guò)止推環(huán)將壓電堆的驅(qū)動(dòng)力傳到撐桿。當(dāng)三個(gè)壓電堆同步驅(qū)動(dòng)時(shí)，撐桿產(chǎn)生軸向輸出；只有一個(gè)或兩個(gè)壓電堆驅(qū)動(dòng)時(shí)，撐桿可產(chǎn)生橫向彎曲運(yùn)動(dòng)。

在控制系統(tǒng)方面，采用了FX-LMS控制算法，相關(guān)信號(hào)的解算與轉(zhuǎn)換由DSP系統(tǒng)完成。為了驗(yàn)證其振動(dòng)與噪聲控制效果，將BK-117直升機(jī)的7根主減撐桿（垂向4根，側(cè)向2根，航向1根）全部替換為主動(dòng)撐桿（見(jiàn)圖10），隨后開(kāi)展了地面測(cè)試與飛行試驗(yàn)，地面試驗(yàn)顯示，頻率為1485～1895Hz艙內(nèi)的噪聲降低了3～8dB。飛行試驗(yàn)主要測(cè)試了111.12km/h與222.24km/h兩種前飛速度下的實(shí)際控制效果，結(jié)果表明，在111.12km/h的速度下由主減齒輪嚙合產(chǎn)生的艙內(nèi)噪聲（1895Hz）降低了11dB，隨著前飛速度的增大，控制效果逐漸變差。

關(guān)于直升機(jī)主減的主動(dòng)隔振技術(shù)，國(guó)內(nèi)高校開(kāi)展了一些理論研究與原理性試驗(yàn)，主要集中在壓電陶瓷作動(dòng)器力學(xué)建模、系統(tǒng)辨識(shí)方法、自適應(yīng)控制算法以及軟件仿真等方面。西北工業(yè)大學(xué)的黃群[29]推導(dǎo)了壓電材料二維和一維情況下的壓電方程，在此基礎(chǔ)上建立了帶壓電陶瓷作動(dòng)器的單自由度主動(dòng)隔振系統(tǒng)模型，采用PID控制器對(duì)隔振性能進(jìn)行了仿真分析；南京航空航天大學(xué)的浦玉學(xué)[30]從振動(dòng)、噪聲主動(dòng)控制的機(jī)理入手，研究了各類系統(tǒng)辨識(shí)方法、時(shí)滯補(bǔ)償方法以及多通道自適應(yīng)算法的特點(diǎn)與實(shí)現(xiàn)方法，隨后針對(duì)懸臂梁開(kāi)展了振動(dòng)主動(dòng)控制試驗(yàn)，取得了不錯(cuò)的控制效果。

5結(jié)束語(yǔ)

歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)直升機(jī)主減主動(dòng)隔振技術(shù)的研究起步較早，技術(shù)基礎(chǔ)雄厚，十幾年前就已完成了裝機(jī)飛行驗(yàn)證，目前相關(guān)技術(shù)的成熟度與核心器件的可靠性逐步提高，基本具備了型號(hào)應(yīng)用條件。國(guó)內(nèi)的研究大多圍繞振動(dòng)主動(dòng)控制系統(tǒng)的某一項(xiàng)特定技術(shù)，對(duì)其基本原理與使用方法進(jìn)行了研究，并未針對(duì)直升機(jī)主減安裝所特有的技術(shù)需求開(kāi)展深入研究。同國(guó)外相比，我國(guó)在這方面的研究缺乏系統(tǒng)性、針對(duì)性，理論體系尚需要完善，試驗(yàn)驗(yàn)證有待深入。

液彈隔振系統(tǒng)作為一種構(gòu)造簡(jiǎn)單、質(zhì)量較小、結(jié)構(gòu)緊湊的隔振系統(tǒng)，具有很好的應(yīng)用前景，而在實(shí)現(xiàn)型號(hào)及民機(jī)上的應(yīng)用之前還有許多問(wèn)題需要進(jìn)一步突破。

（1）隔振的形式

目前的液彈隔振大部分都是采用被動(dòng)式隔振，只能做到單頻或窄頻隔振，應(yīng)用范圍受到較大的限制，結(jié)合目前研究比較成熟的智能材料向半主動(dòng)或主動(dòng)的隔振形式過(guò)渡，或者采用智能旋翼先進(jìn)構(gòu)造形式來(lái)減弱振源的強(qiáng)度[31]。

（2）隔振器的材料

按照現(xiàn)在的隔振器材料的選取，目前滿足條件的液體填充材料還無(wú)法實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，所以需要對(duì)高密度、低黏度的有機(jī)材料進(jìn)行調(diào)研，與有能力的廠商或研究所合作，實(shí)現(xiàn)整個(gè)隔振系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化。

（3）安全性

從這一角度來(lái)看，液彈隔振器作為主減系統(tǒng)中的一個(gè)連接機(jī)構(gòu)，需要滿足高穩(wěn)定性要求，而目前的隔振器的內(nèi)外筒之間完全是憑借橡膠連接，同時(shí)橡膠還保證著液腔的封閉性，而橡膠在剪切作用下會(huì)生熱老化[32]，所以還需要考慮到橡膠的使用壽命，很可能內(nèi)外筒之間會(huì)被拉脫，這樣就會(huì)發(fā)生很大的安全問(wèn)題，而且液腔內(nèi)部的液體流出也會(huì)產(chǎn)生安全隱患。所以最初的構(gòu)造設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)材料選取都要考慮到隔振器的安全問(wèn)題。

（4）商業(yè)化

在液彈隔振器的技術(shù)有一定突破以后，結(jié)合實(shí)際情況，應(yīng)盡快將成果轉(zhuǎn)換成產(chǎn)品，在實(shí)踐中檢驗(yàn)技術(shù)的有效性，使技術(shù)和產(chǎn)品得到迭代。

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作者簡(jiǎn)介

代志雄（1993-）男，碩士研究生。主要研究方向：直升機(jī)旋翼/機(jī)身的振動(dòng)與控制。

Tel：15652272400E-mail：848232546@qq.com

Development and Trend of Helicopter Main Reduction Fluidlastic Vibration Isolation Technology

Dai Zhixiong*，Qian Feng，F(xiàn)eng Zhizhuang

National Key Laboratory of Rotorcraft Aeromechanics，China Helicopter Design and Research Institute，Jingdezhen

333001，China

Abstract： The main source of helicopter vibration is the hub vibration force generated during the blade rotation. This vibration force is transmitted to the fuselage through the main reduction device， causing severe vibration of the fuselage. Thus reducing the vibration level of the rotor and the body， is one of the primary issue in helicopter dynamics design. As a highly efficient and compact vibration isolator， the fluidlastic isolator can significantly reduce the transmission of the exciting force generated during the rotation of the blades， thereby reducing the vibration level of the aircraft and improving the flight quality. This article describes the current status of the development of passive and active fluidlastic vibration isolation technology at home and abroad， analyzes and prospects for the development of engineering applications of fluidlastic vibration isolation technology.

Key Words： helicopter； vibration； fluidlastic vibration isolation； development trend