直升機旋翼槳葉的揮舞和變距 （二）

來自專欄旋翼飛行器：理論、設計、未來7 人贊了文章

本文為「直升機旋翼槳葉的揮舞和變距 Blade Flapping and Feathering」的第二篇

# 擺振

雖然Cierva 已經發明了揮舞鉸，但是他的自轉旋翼機槳葉的問題並沒有完全解決。他的飛行器的確能夠飛起來了，但是其槳葉卻又產生了一個令他很困擾的問題——槳葉老是斷裂——而據他的觀察，導致槳葉斷裂的原因是槳葉在周期性旋轉中，受到了巨大的應力和慣性載荷，正是這些力導致了槳葉的斷裂。

從揮舞鉸中嘗到了甜頭的Cierva自然而然就開始思考，既然槳葉能裝第一個鉸，那就能裝第二個，我安裝了一個水平較解決了揮舞的問題，那我為什麼不裝另一個鉸來解決應力過大的問題呢？於是旋翼槳葉的垂直鉸也誕生了，通過這個垂直鉸，槳葉就能夠在槳盤平面內前後擺動卻不會在槳葉上產生巨大的應力了。這個垂直鉸就是如今被稱為擺振鉸的東西，它和揮舞鉸一起促成了現代直升機的全鉸接式旋翼系統。

圖——全鉸接式旋翼系統

主要是基於動力學上的考慮，一般來說，兩片槳葉的旋翼系統不設計擺振鉸。這類的槳葉一般會在槳葉的根部進行加厚處理，讓槳根具有足夠的結構強度來應對強大的應力，因此能保證旋翼的安全性能。而且大部兩片槳葉旋翼都做成了蹺蹺板模式。也就是說，兩片槳葉是連在單一的一個蹺蹺板鉸鏈上面的，這樣兩片旋翼就會像一個整體一樣進行揮舞運動。

如今有不少直升機設計師都已經研製出了無鉸式旋翼，無鉸式旋翼的揮舞鉸呢，已經由槳轂或者槳葉的柔性部位所取代。這無鉸式旋翼的揮舞運動和鉸接式旋翼非常相似，因為他們本身就跟前文提到的Cierva橡皮筋模型是類似的，也就是說他揮起的量就和鉸接式的揮舞量差不多。但是現在有很多人就根據這種揮舞的特點會不自覺的把無鉸式旋翼就稱為剛性旋翼，實際上這是一種錯誤的說法。

圖——無鉸式旋翼系統

實際上，旋翼槳葉在前行側受到較大速度之後，逐漸揮起直至旋翼頭部而後落下，其實很大程度上決定了旋翼系統的某一動力學特性——共振。從共振的定義上來說，某個系統發生共振，是指它受到外部激勵的頻率和它的固有頻率相同。要想初略的理解共振，可以想像一個小孩坐在鞦韆上被你推來推去??

對於中心鉸接式旋翼槳葉而言，其揮舞運動的頻率，一般來說始終等於旋翼的轉速，因而中心鉸接式旋翼會始終處於共振中。因而旋翼槳葉最大共振響應位置，應該會比周期性激勵的最大值滯後90°。

旋翼揮舞一旦達到了平衡位置，它在每一個方位角站位的槳葉氣動合力導致的揮舞鉸力矩應該為零，因而，槳葉周期性旋轉與揮舞的合結果，就會形成一個穩定的槳尖軌跡平面，這個平面相對於旋翼軸的位置是保持不變的。但是一旦旋翼的飛行狀態發生了改變，旋翼受力發生變化，旋翼槳葉的揮舞就會重新進入一個新的平衡位置，槳尖軌跡片面因此也會發生改變。

# 橫向揮舞

在前後向（或者說縱向）之外，由於直升機前飛導致的旋翼機流速度分布不均勻，同樣會導致槳葉揮舞平面有一個向側方傾倒的趨勢。就和縱向揮舞一樣，橫向揮舞也是由氣動載荷不均勻分布導致的。一般來說橫向揮舞，主要是受到了錐度角的影響。直升機前飛過程中，氣流迎著槳盤吹來，由於錐度角的存在，旋翼頭部的槳葉將會受到一個向上氣流作用，而旋翼尾部的槳葉將會受到一個向下氣流的作用，兩者的氣動激勵滯後響應就會導致旋翼的橫向揮舞。

圖——旋翼橫向揮舞

按照前文所說的響應滯後90°的理論可以想像到，當旋翼槳葉在頭部180°方位角受到向上的激勵之後，槳葉揮起，直到後行側270°方位角處達到最高點，之後緩緩落下，在尾部0°方位角又受到向下的激勵，因而滯後90°，到前行側90°方位角達到橫向最低點，從而使得整個槳尖軌跡平面有一個側倒的角度，這個角度一般被稱為揮舞側倒角。

# 揮舞對飛行品質的好處

旋翼揮舞，還有另外一項值得關注的好處：這一項好處能使得直升機在陣風天氣飛行比固定翼飛機要來得更為穩定。其原因就是，旋翼槳葉的獨立揮舞直接就抵消了這個陣風的影響，因而直升機的機體受陣風擾動很小。對於固定翼飛機就不一樣了，陣風作用在機翼上將產生較大的氣動力，而這個氣動力將會直接傳遞到機身上，因而機身將受到劇烈的影響。這種陣風抵消作用曾在尺寸大小差不多的直升機和固定翼飛行器上面進行過測試，儀錶結果也表明直升機在陣風天氣確實具備更佳的飛行品質。如果覺得想像有困難的話，可以直接想像機動車車胎與車身之間裝不裝獨立懸掛系統進行越野騎行??

# 旋翼控制

在早期的自轉旋翼機設計中，旋翼只是被當成一種升力裝置來提供飛行器的升力而已，揮舞鉸和擺振鉸的出現都只是為了解決旋翼本身的不平衡性問題，而全機的俯仰、滾轉、偏航等控制都是通過操縱機翼、垂尾、平尾上的副翼或舵面來實現的，可想而知，這種操縱方式在低速狀況下的效率有多低。

不得不說，Cierva終究是一位偉大的工程師，他發明了一種機構，可以直接將他的自轉旋翼機的旋翼軸拉動，使之傾轉，這樣，旋翼的拉力矢量方向就可以改變，從而使得這架自轉旋翼機的俯仰和滾轉操縱可以通過旋翼來實現，大大提升了低速操縱功效。

# 周期變距

對於小型的自轉旋翼機而言，直接進行旋翼軸操縱還是能夠實現且實用的（目前仍有不少輕小型自轉旋翼機在應用這種操縱方式），但是隨著航空器越來越大，將整個旋翼軸直接傾轉所需要的力也越來越大，要想繼續操縱旋翼軸已經不現實了。

在這種情況下，一種名為「周期變距」的旋翼操縱方式應運而生。

這種操縱方式如今已經是旋翼標配了。所謂周期變距，就是周期性地改變旋翼的槳距以滿足飛行需要。為了周期性改變槳距，設計師給旋翼槳葉又設計了一個變距鉸，周期變距操縱桿連接到自動傾斜器再連接到旋翼槳葉，通過操縱變距桿，槳葉就會繞著變距鉸轉動，從而實現槳距改變。

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圖——自動傾斜器

當自動傾斜器的圓盤保持和旋翼軸垂直時，槳葉的槳距不存在周期性變化，而一旦自動傾斜器傾轉，槳葉的槳距將隨著旋翼的周期性旋轉而進行周期性變化。

值得注意的是，周期變距操縱也是有滯後效應的，所以雖然對駕駛員而言，向前推桿會使得旋翼槳盤前傾，但這是因為變距傳動桿所連接的槳葉有一個相位提前角，對於大多數直升機而言，這個角度是90°，而某些三片或者五片槳葉的直升機則不同。

# 揮舞與變距等效

在旋翼分析中，揮舞與變距等效是一個重要的概念。其原理就是通過周期變距，可以實現與揮舞等效的氣動力平衡。舉個例子來說，現在一架直升機在前飛過程中，通過改變周期變矩量，使得旋翼槳尖平面垂直於旋翼軸——也就是說這時候，旋翼槳葉沒有相對於揮舞鉸的運動——那麼在這種情況下，是不是可以不需要揮舞鉸了？由此，通過等效的變距作用，一架全鉸接旋翼完全可以改造成一架無鉸式旋翼。