刚性旋翼跟柔性旋翼的区别（刚性旋翼还是柔性旋翼）

​作者：丁尹 出品：旋翼飞行器

弁言

经常有读者朋友在看我相关文章中提到“刚性旋翼”的时候会直观地认为那是一种硬质桨叶刚硬地固定到了旋翼桨毂上，然后刚硬地旋转——就有点类似于一副大尺寸的空气螺旋桨——因此，这种被称为“刚性”的旋翼系统被认为既不存在挥舞，也不存在摆振，和常规直升机的铰接式旋翼完全不一样。

说实话，最应该为这种“误解”背锅的就是“刚性旋翼”这个名字，一读这个词就让人有一种整个旋翼系统都“硬邦邦”的感觉，实际上，所谓刚性，表征的是一种旋翼与桨毂的连接方式，那这种连接到底和铰接式有什么区别，且看下文。

关于直升机旋翼的一些事实

直升机发动机的输出功率经由传动系统传递到旋翼轴，最终驱动主旋翼的转动。一般来说，直升机的旋翼轴是一根圆柱形的金属杆——其下部与传动系统相啮合，上部则伸出直升机机体。在旋翼轴的“头顶上”附着着被称为“桨毂”的部件，主旋翼的各片桨叶就通过某种方式连接到桨毂上，值得一提的是，在前飞过程中，直升机的旋翼桨毂所受的空气阻力往往会达到旋翼桨叶受到空气阻力的10~20倍，对于下一代高速型直升机而言，这个值也许会更高。

我们在谈论直升机主旋翼系统差异的时候，其实我们在谈论的就是“桨叶连接到桨毂方式的差异”，这也是我们区分不同类别的旋翼的“标准方法”。对于直升机而言，目前旋翼系统主要有三种基本类型：全铰接式旋翼、跷跷板旋翼（半刚性旋翼）、无铰式旋翼（刚性旋翼），不过有一些现代化的旋翼系统采用了“组合式构型”的旋翼系统。

关于旋翼的几个事实：

• 旋翼系统的配重往往需要精细微调，因为不同的配重部署方式会影响不同飞行速度下旋翼系统的振动水平；
• 对于绝大部分直升机（常规布局的非复合式）而言，其旋翼的转速在某种意义上是“恒定的”，当然这不是“绝对恒定”，而是在某个“较小的幅度”内变化，这种变化实际上是一种“油门补偿”，该补偿一般是自动实现的；
• 不管是哪种构型的旋翼系统都会存在“较显著”的挥舞运动，挥舞运动也是直升机旋翼区别于空气螺旋桨的一大特点；
• 直升机一般都会配备较大尺寸的旋翼系统，大尺寸的旋翼系统意味着较低的桨盘载荷（旋翼拉力与旋翼旋转面积之比值），较低的桨盘载荷意味着低速状态下较高的能源效率；
• 由于直升机往往以较低速度飞行，所以从桨根起约1/3半径长度的桨叶段对旋翼升力的作用微乎其微。

好了，言归正传，下面开始介绍旋翼系统的几种主要构型，与诸君共赏。

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Fully articulated：全铰接式旋翼

Juan de la Cierva（胡安·德拉谢尔瓦）发明了全铰接式旋翼，不过他并非在研制直升机的过程——而是在研制自转旋翼机时候——发明这一设计的 。但是他的这一伟大发明，大幅推进了直升机的发展——事实上，早期直升机的所谓“旋翼”都是大尺寸的“木制螺旋桨”，一旦试图前飞，就很容易侧翻，这是由于旋翼左右两侧（前行侧和后行侧）气流分布不对称而形成的升力差引起的滚转力矩导致了这类事故。

在一套全铰接式旋翼系统中，每一片旋翼桨叶都通过一组铰链连接到旋翼桨毂上，因为这些铰链的存在使得每片桨叶都能够“独立运动”。一般来说，全铰接式旋翼会具有3片及以上的桨叶。这些桨叶的铰链使其能够各自实现挥舞、变距和摆振运动。

水平铰：水平铰又称挥舞铰，旋翼桨叶将会绕着这个铰上下挥动，形成“挥舞运动”，挥舞运动能够补偿前飞时候旋翼存在的升力分布不对称问题，挥舞铰一般会布置在离桨毂中心有一定距离的地方，挥舞铰和桨毂中心的间隔被称为“挥舞铰偏置量”；

垂直铰：垂直铰又称为摆振铰，旋翼桨叶会绕着这个铰在旋翼桨盘平面内前后摆动，这种摆动是为了平衡旋翼周期性挥舞产生的“哥式力”；

轴向铰：轴向铰又称变距铰，它的方向指向旋翼桨叶的半径方向，在驾驶员推拉杆、提总距的时候，操纵杆就会推/拉旋翼桨叶绕着轴向铰转动，从而改变桨叶的“几何迎角”，来实现气动力的改变，从而实现直升机的操纵。

采用全铰接式构型旋翼系统的直升机数量可观，这里选个欧洲的AW109做代表吧。

Rigid：刚性旋翼

所谓“刚性旋翼”，千万不要被这几个字给误导了，在文献中，更常见的名称叫做“无铰式旋翼”（Hingeless Rotor），也就是说，这类旋翼系统中，桨叶是与桨毂之间是没有类似于全铰接式旋翼的铰链的他们是通过一种“刚性方式”连接到桨毂之上的。第一副刚性旋翼是由洛克希德（注意，当时还不是洛克希德·马丁）公司的Irv Culver（埃夫·卡尔弗）发明的，随后刚性旋翼系统被广泛应用于洛克希德公司在1960年到1970年之间制造的一系列直升机上，相信对直升机发展史关注的读者朋友已经想到了，大名鼎鼎的AH-56夏延直升机，就是配备了这种刚性旋翼。

在刚性旋翼系统中，因为没有铰链的存在，所以每一片桨叶的挥舞和摆振都是通过桨根部位的弹性段来实现的。从结构上来说，刚性旋翼系统远比全铰接式旋翼系统来得简单。桨叶挥舞和摆振产生的载荷通过旋翼的弯曲来承受，而非传统的铰链——也就是通过桨叶本身的弯曲变形来补偿了以往需要可靠的铰链来实现的高频率摆动。由此带来的好处就是：刚性旋翼能够产生较大的桨毂力矩，该力矩大幅降低了旋翼系统的操纵响应滞后特性（所谓操纵响应滞后，通俗说法就是，你输入一个操纵量，比如左推杆，直升机不会瞬间响应，而是要稍过一会儿才响应过来，这就是操纵响应滞后）。

AH-56A 夏延直升机当仁不让成为该种构型的直升机代表。

Semi rigid：半刚性旋翼

半刚性旋翼也叫做“跷跷板旋翼”（Teetering Rotor/Seesaw Rotor）。该系统一般都是由两片旋翼组成的，两片旋翼之间是通过铰链相互连接的，且通常只有一种铰链（水平铰或者垂直铰二者之一，这也是被称为半刚性的原因），由此，两片旋翼会绕着桨毂中心一起运动，但方向相反（一个向上挥起，另一个就一定会向下落去），就好像跷跷板一样。

这种旋翼的操纵与全铰接式旋翼在原则上是相同的，周期变距所引起的周期挥舞（桨盘倾斜）可以通过桨叶的“跷跷板运动”来实现。不过由于其周期变距导致的是桨叶绕桨毂中心水平轴转动，因此操纵引起的挥舞运动实际上也就是整个旋翼旋转平面相对于旋翼轴倾斜了一个角度，这是它与全铰接式旋翼的区别。

这种旋翼构型的代表机型为贝尔UH-1 伊洛魁（又称“休伊”）直升机。

Combination：组合式旋翼（柔性旋翼）

图——球柔性桨毂旋翼系统

现代化旋翼系统往往会采取上述旋翼系统的组合式设计。有些现代化的桨毂本身就是柔性桨毂，这种桨毂能够使得旋翼的弯曲变形运动不需要任何的轴承或铰链就能实现。这种被称为“柔性桨毂”的系统通常是通过复合材料制造的。

图——弹性轴承应用到旋翼系统中

此外，在一些新型的桨毂系统中，设计师也会采用弹性轴承来取代常规的滚柱轴承。弹性轴承一般都是通过橡胶类材质制造的，这种轴承为桨叶提供了“有限位移的运动空间”，相当贴合直升机的实际应用需求。

总的来说，柔性桨毂和弹性轴承的应用使得旋翼系统不再需要润滑油，自然而言也就大幅减少了旋翼系统的维护工作量。这些柔性和弹性部件也能够吸收振动，这意味着现代化桨毂将面临更低的疲劳问题，因此其使用寿命也能大幅增大。

欧洲直升机公司的AS350 松鼠 直升机就是应用该构型旋翼的代表机型。

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