連著寫了三篇直升機，查資料的時候一直碰到球柔槳轂、揮舞鉸、擺振鉸、總距杆、變距杆、渦軸發動機這些術語，以前也經常接觸到但是一直沒有徹底搞清楚它們的含義和工作原理，這次就趁這個機會給自己科普一下。
軍迷圈一直有個說法：只要動力足，板磚都能飛上天。這對直升機來說可能更加貼切，不過得反過來講：只要沒動力，直升機就是塊板磚。
固定翼飛機至少還有機翼，或多或少都具備一定的滑翔能力，連767這樣一百多噸重的龐然大物都能無動力滑翔飛行50公里以上（如著名的加航143航班）；而且負責產生升力的機翼、負責俯仰、滾轉、航向的舵面和負責產生推力的發動機是相互獨立的系統，各司其職又能配合工作，具備較大範圍的容錯控制能力。比如當方向舵被卡住時，多發飛機可以通過左右發動機的差動推力控制航向，單發飛機也可以通過兩側副翼的差動儘量維持。
直升機沒有翅膀，就算安裝了短翼產生的升力也不足以支撐機體重量，完全依賴旋轉的旋翼，一旦旋翼發生故障不轉了，就立馬變板磚。
長話短說，下面用盡量簡潔的方式來看看直升機這套極為複雜而精密的動力-傳動系統是怎麼工作的。
渦軸發動機
現代直升機採用的都是渦軸發動機 - Turboshaft，它和渦扇 - Turbofan、渦槳 - Turboprop、槳扇 - Propfan一樣都是渦噴 - Turbojet的變體，核心機是一臺通過多級壓氣機對進氣進行增壓，然後在燃燒室內和燃料混合燃燒，利用燃氣推動渦輪盤 - Turbine旋轉的燃氣輪機。
渦軸發動機是針對直升機低空速、大扭矩的特點優化設計的，它的不同之處在於燃氣渦輪之後設置了自由動力渦輪 - free power turbine，直接在發動機內部將燃氣做功轉化為機械能，驅動傳動軸經減速器帶動旋翼旋轉。自由渦輪的軸和壓氣機-燃氣渦輪的軸是分離的，可按照最優化速度自由旋轉而不必遷就壓氣機和渦輪的轉速，因此其效率也是所有航空燃氣渦輪發動機中最高的。
直升機的飛行速度慢，對進氣道、排氣口的氣動設計要求相對很低，佈置位置也比較靈活，但這並不等於渦軸發動機的研製難度就低 - 渦軸對體積、重量、耐用性和安全性的要求非常苛刻，輸出扭矩很大。全世界能夠製造直升機的國家不少，但能夠研製先進渦軸發動機的只有美、俄、法、中四家。
以黑鷹的GEＴ700發動機（上圖）為例，它採用五級壓氣機、兩級燃氣渦輪加兩級自由動力渦輪，額定中間功率1622軸馬力，而它的長度只有1.2米、直徑640毫米、乾重198公斤，功率重量比為3.71馬力/磅（6.10千瓦/公斤）。
> 2015年3月5日沖繩白灘海軍基地，“好人查理”號兩棲攻擊艦上的陸戰隊機械師正在維護一臺UH-1Y上拆下來的T700-GE-401C發動機，可以看到它和強大功率不相稱的緊湊體型
作為對比，二戰時期“噴火”Mk.IX所用的梅林61活塞發動機（下圖）功率為1565軸馬力，還略低於T700，而它的長度達到2.25米，寬780毫米，高1.02米，乾重744公斤，功率重量比為0.96馬力/磅（1.58千瓦/公斤），僅為T700的1/4。
主減速器
排在發動機之後的第二大關鍵部件就是主減速器 - Main gearbox，它的作用是減速、轉向和並車。
減速：
Ｔ700渦軸發動機的轉速高達20900轉/分，而黑鷹16.36米直徑旋翼的最佳工作轉速只有258轉/分，此時槳尖的線速度已經達到221米/秒（時速795公里），再提高接近音速時阻力激增，氣動效率將急劇下降。這樣巨大的速度差只能通過主減速器的行星齒輪系來進行減速，減速比為81:1。
轉向：
渦軸發動機為了進、排氣順暢都是沿軸向安裝的，而旋翼主軸是垂直的，這個動力轉向的過程也是在主減速器裡通過純齒輪機械結構實現的。
並車：
現代大中型直升機都是雙發甚至三發，這就需要把各個發動機的高轉速、低扭矩輸入功率（上圖橙色箭頭）合併到一起，轉變成低轉速、高扭矩的輸出功率（上圖藍色箭頭）傳遞給主軸 - Main rotor mast。同時還要按規定的轉速和扭矩分配出部分功率去驅動尾槳和液壓泵、發電機等附件，這個並車再分配的功能也是由主減速器完成的。黑鷹的主減速器額定功率為3400馬力，遠遠高於M1系列主戰坦克液力變速箱1500馬力的輸出功率。
還有最重要的一點，主減速器也是整個直升機的中樞受力構件，直接承受旋翼產生的全部力矩並傳遞給機體，因此它被設計得非常結實，重量往往佔到整動力-傳動系統的一半以上。
黑鷹的主減速器安全性非常高，可以在無滑油狀態下幹運轉30分鐘，足夠支撐回到安全地帶降落。主減速器的三個單元體可以在外場用普通扳手進行拆卸更換，維護非常簡便。
槳觳
發動機和減速器的作用是輸出動力，解決了旋翼旋轉產生升力的問題，就是能讓直升機飛起來。但直升機實際上無法像開車、開船、開固定翼飛機那樣通過調節油門改變發動機功率來改變速度和高度，因為它的發動機轉速和輸出功率是近似恆定的，原因有三：
- 渦軸發動機和旋翼的工作轉速範圍都非常窄，而且旋翼高速旋轉時產生巨大的轉動慣量，要靠調節轉速改變升力響應時間將會很長，無法精確操控；
- 結構複雜的主減速器已經承載了巨大的重力和旋轉載荷，要再給它增加改變傳動比的機構將導致主減速器過大過重，工程上不現實；
- 高速旋轉的旋翼共振現象嚴重，全機各個部件在設計時都要避開其固定的幾個共振頻率，如果旋翼轉速可變將導致共振頻率遷移，令動力學設計複雜化。
除此之外，直升機也沒有固定翼飛機上的襟翼、副翼和尾舵等氣動控制面，因此前飛、倒飛、俯仰和滾轉也都只能依靠調節旋翼系統來實現。
上圖是維護中的UH-60主軸-槳轂組件，可以看出主軸（藍色部分）十分粗壯，和底下主減速器中的行星齒輪是硬連接，不能傾斜移動；旋翼系統的可調節部分都在頂部的槳轂（金色部分）上，它才是直升機操控的核心。
槳轂【gǔ - 音同谷】- Rotor hub就是主軸頂端連接各個旋翼的部件，也是直升機第一眼看過去最複雜的部件，各種管線、螺栓、鉸鏈、插銷、連桿就裸露在外面，琳琅滿目。
> 加拿大皇家空軍的CH-148直升機槳轂特寫，去年攝於Abbotsford航展
旋翼
其實槳轂才是我寫這篇文章的重點，但是為了講清楚其中的道理，還是先得提一下旋翼。旋翼本身就非常複雜，足夠寫幾篇長文，這裡就不涉及具體細節了，簡單講講它是如何工作的。
翼型：
產生升力的旋翼剖面也和固定翼飛機的機翼一樣是流線型的，而且旋翼各部位的線速度從槳根向槳尖遞增，相對應的翼型和扭轉角度也不同，通常是連續變化的負扭度，比固定翼翼型還要複雜。（以下示意圖均來自美國聯邦航空管理局FAA官方頒佈的《直升機飛行手冊》，我編輯過並修改了中文註釋）
槳盤：
當旋翼高速旋轉時，槳葉形成槳盤，但在實際飛行中它並是不一個扁平的圓盤，而是一個圓錐體、因為槳尖的線速度最大，升力也最大，在離心力的共同作用下槳尖部分會向上翹起。
而且這個圓錐還是不對稱的，因為位於主軸兩側的旋翼雖然轉速相同，但是前行槳的實際槳尖氣流速度要疊加直升機向前飛行的速度，後行槳則要減去飛行速度，導致兩側槳葉存在速度差，產生的升力也不同（速度越快升力差越大，可達到5倍之多）。這一滾轉力矩如果不進行控制將導致直升機失穩進入滾轉狀態，無法正常飛行；而且週期性的快速應力變化將加速材料疲勞，併產生劇烈振動。
這個看似很棘手的問題卻早在1923年就被第一架旋翼機（Autogyro）的設計者 - 西班牙工程師胡安·切爾瓦在無意中解決了。當時他的旋翼機模型試飛成功，但2架全尺寸樣機卻都在起飛時側翻報廢。經研究他發現問題不在側風而是槳葉，模型採用的是柔性的竹製槳葉，而樣機用的是剛性的鋼材。
> 胡安·切爾瓦和他的Cierva系列旋翼機
柔性槳葉可以上下彎曲，前行槳受到較大氣動力的激勵向上揮舞，氣動迎角變小，升力下降；在離心力的作用下槳葉有自然拉直的趨勢，揮舞達到最高點後就會自動回落到水平位置；後行槳則相反，氣動力減小，槳葉自然下垂，氣動仰角增大，升力增加。槳葉如此週期性循環揮舞，使氣動力的變化剛好能夠抵消前行槳和後行槳導致的升力差，自然到達平衡狀態。據此切爾瓦在旋翼和槳轂之間安裝了一個機械水平鉸鏈，令旋翼可以自由地上下揮舞，併成功實現了首飛。
緊接著他又遇到了第二個煩惱，旋翼機是能飛起來了，但槳葉很容易斷裂。據他觀察發現，前行槳空速增加，風阻也隨之大增，後行槳則正好相反。槳葉高速旋轉時在水平方向也週期性承受巨大的應力和慣性載荷，就好像用手不斷彎折一把尺子，造成疲勞性結構損傷。受到水平鉸的啟發，切爾瓦又在槳轂上安裝了一幅垂直鉸，令槳葉可以在水平方向擺動：前行時後擺，後掠角增大，降低阻力；後行時前擺，後掠角減小，阻力增大，回到原位。這樣的前後擺振也正好能夠抵銷空氣阻力施加的應力變化，令槳葉平穩運行。
切爾瓦對直升機的貢獻還不僅於此，旋翼機和直升機的主要區別就是旋翼機的旋翼是沒有動力的，依靠前進的氣流吹拂自旋產生足夠的升力。早期的旋翼機還留有比較大的機翼和尾翼，俯仰、滾轉、偏航等機動都靠傳統的副翼和尾舵完成，低速時氣動效率低下，響應速度很慢。切爾瓦發明了一個機構，可以直接改變旋翼主軸的傾角，進而改變整個槳盤的升力矢量方向進行俯仰和滾轉操縱。
旋翼變距示意圖
這一發明雖然不能直接運用在旋翼有驅動力的直升機上，但它啟發後人設計出了週期性地改變旋翼的槳距來操縱旋翼位置的裝置，可以在高速旋轉中精確改變每一片槳葉的的傾角，也就是槳距 - Pitch，進而在主軸不傾斜的情況下改變槳盤的位置和傾角。如果同時改變所有槳葉的槳距，還可以像固定翼螺旋槳飛機的一樣改變螺旋槳的推力，對直升機來說就是升力。
所以今天我們看到三蹦子旋翼機可不要瞧不起它，直升機旋翼的主要調節機構都來自它呢。
旋翼要週期性揮舞和振擺，就必須採用柔性材料製作才能承受劇烈的應力變化而不被折斷。前三代直升機採用包括鈦合金在內的金屬材料製作葉梁，為了及時檢測可能的疲勞裂紋，在密封的大梁內充滿氮氣，並設置槳葉破損指示器 - BIM來提示結構破損漏氣。第四代直升機則採用全複合材料模壓槳葉，不再使用金屬葉梁，槳葉使用壽命提高了3倍以上達到一萬小時。
> 世界上最大的直升機米-26旋翼直徑達到32米，地面靜止狀態時槳葉下彎明顯，空中旋轉時上翹的幅度也相當大
關於旋翼還有個有意思的現象，目前世界上主流的直升機分為兩個陣營，美、英、德、意、日的旋翼是逆時針旋轉的，法、俄、中、印、波蘭則是順時針，相應整套傳動系統的旋轉方向都是相反的。這是各國在研發、仿製、引進直升機的過程中一直沿襲下來的慣例，沒有優劣之分，黑鷹4.0和之前的型號也有這個截然不同的區別。
金屬全鉸接槳轂
可以想象一下自己坐在一張轉椅上，兩手同時伸展開，當轉椅旋轉的時候，你的手臂以肩關節為軸上下扇動，再以肘關節為軸左右移動，手掌還要以上臂為軸沿著腕關節扭轉，飛行時槳葉複雜的運動方式基本上就是這樣了。
在五六十年代，直升機設計師採用三副金屬鉸鏈來完成這些動作，支持上下運動的是揮舞鉸 - Flapping hinge，水平運動的是擺振鉸 - Drag hinge，軸向旋轉的是變距鉸 - Pitching hinge。
一般直升機的全鉸接槳轂是三鉸分離式，按從裡到外揮舞鉸>擺振鉸>變距鉸的順序佈置。不過也有些例外，比如下圖的“支奴幹”，它的變距鉸緊貼著揮舞鉸，擺振鉸卻在最前面：
旋轉斜盤
在上述三個鉸鏈中，揮舞鉸和擺振鉸都是依靠槳葉承受受的空氣動力、離心力、自身的彈性以及阻尼器的復位阻力自主工作的，不需人為干預。只有變距鉸是由飛行員操縱的，以控制槳盤的升力和傾斜方向，進而控制直升機的高度和飛行姿態。
> MD520N“小鳥”上的小棍棍
平時我們在照片裡都可以看到直升機旋翼根部有幾根垂直的連桿，下面連接在一個圓盤上，這就是控制直升機飛行的秘密所在。這個圓盤叫做旋轉斜盤 - Swash Plate，也有翻成自動傾斜器的。它由上下兩個套在主軸外面的圓盤組成，上斜盤（或者叫動環）通過扭力臂跟隨主軸旋轉，並有長度固定的變距拉桿和每一副變距鉸的變距搖臂相連；下斜盤（不動環）由防扭臂固定不轉，有若干根連桿和駕駛艙的操縱系統相連；上下斜盤之間由球形軸承連接為一體，共同升降或者傾斜。
也有的大型直升機比如米-26和CH-53採用的是大環套小環的形式，外環為動環，內環為不動環，因此外表上看只有一個環。
CH-53“種馬”的旋轉斜盤
直升機的操縱方式
在固定翼飛機駕駛艙裡，操控臺中間是油門杆，控制發動機的推力和飛機的速度；飛行員身前或者側面是駕駛杆，前後推拉桿控制升降舵擺動和飛機的俯仰，左右壓桿控制副翼的偏轉和飛機的滾轉；腳蹬則控制方向舵和飛機的航向。
已經全球停飛大半年的737 Max駕駛艙
在直升機駕駛艙裡也有2根相似的控制桿以及腳蹬，不過控制的原理完全不同。
飛行員左手邊的是總距操縱桿 - Collective-pitch level（左側正駕駛的總距杆也在左側），向上抬起時推動整個旋轉斜盤沿主軸向上移動，所有變距推杆一起推動槳葉轉動一個相同的角度，增大槳距使旋翼升力增加，直升機開始爬升；反之向下放低總距杆則升力減小，直升機下降。直升機的油門也裝在總距杆上。
飛行員兩腿中間的是週期變距杆 - Cyclic-pitch lever，可以向任意方向擺動，通過另外一套機械傳動系統帶動整個旋轉斜盤向相同的方向傾斜。動環和變距拉桿以及槳葉根部的變距搖臂聯動，使槳葉的槳距發生週期變化，槳盤也向同方向傾斜，除了垂直的升力之外還產生水平方向的分量推力，推動機體向這個方向滾轉前進。
對直升機來說這套系統是圓周對稱的，實際上沒有方向之分，俯仰和橫滾是一個概念。飛行員只要向前壓週期變距杆，給槳盤賦予一個前傾的角度就可以進入向前飛行的狀態。
前面說過直升機發動機輸出功率幾乎是恆定的，所以前飛的速度大小就取決於前向推力分量的多少，機體前傾角度越大速度越快。如果不計機體各面不同空氣阻力的話，直升機前飛、側飛和倒退飛行的速度可以是一樣的。
飛行員腳下的腳蹬控制的則是尾槳的推力。直升機旋翼高速旋轉時會產生強大的扭矩，導致機身朝旋翼反方向轉動。要控制這一旋轉扭矩，要麼採用對轉的雙旋翼相互抵消，可以是卡-50那樣的垂直縱列式，也可以是“支奴幹”那樣的前後縱列式，或者米-12和“魚鷹”的橫向並列式；大多數單旋翼直升機則在尾樑上安裝尾槳，從主變速器引出推進軸帶動尾槳旋轉產生對抗扭力的推力，維持飛機的軸向平衡。
> 黑鷹尾梁內部的尾槳傳動軸
以主槳逆時針旋轉的直升機為例，不踩腳蹬時尾槳的推力和主槳扭力相同，機體保持正直；踩右腳蹬時尾槳槳距減小，推力下降，相對的旋轉扭矩增大，機體繞主軸順時針水平轉動；反之踩左腳蹬時尾槳推力增加，機體逆時針轉動。
總距杆、週期變距杆和腳蹬配合使用，控制旋轉斜盤、槳轂和尾槳工作就可以操縱直升機做出複雜的空中機動了。
> 今年5月18日，紅牛飛行表演隊的BO-105C直升機在自由女神像上空進行筋斗表演
如果飛行員裡也存在鄙視鏈的話，直升機飛行員肯定是處於最底層的，在大家的印象裡被固定翼飛機刷下來的才會去飛直升機，速度慢，做不了機動，總是飛得四平八穩，沒什麼難度。但實際上看看下圖直升機下方的流場就能感受到直升機的飛行控制是非常難的，比固定翼飛機複雜得多。那怕是斜坡起降、海面著艦等看似簡單的動作，機身兩側地面不同或者有側風就會帶來很多變數，需要飛行員隨機應變同時調整總距、週期變距和尾槳。
早期的直升機完全靠人工操縱所有的系統，在複雜氣象條件下工作負荷過大，造成人為原因的事故率高居不下。後來安裝了自動油門等控制機構，部分代替了人工操縱。直到現在最新的第四代直升機，包括我們的黑鷹4.0，在採用電傳操控後才真正把飛行員從繁重的飛行操縱作業中解放出來。
球柔槳轂
最後來講講最近出現頻率很高的球柔槳轂。
全鉸接槳轂是槳轂的第二代，每一片槳葉都帶有三付沉重厚實的金屬鉸鏈，零部件數量非常龐大，中型的“海王”槳縠上就集成了幾百個零件和幾十處潤滑點，重型的“支奴幹”零件數更是達到1800個；只要飛在空中所有的鉸鏈就一直在工作，也就必須進行潤滑，活動的機械部件還時刻帶來金屬疲勞隱患，地面維護工作非常繁雜，如果碰到米-26、“種馬”這類多槳葉的更是苦不堪言。
於是直升機設計師開發了第三代槳轂 - 柔性軸承槳轂，用自身可以彈性形變的柔性關節代替金屬鉸鏈。它並不算太新的技術了，上世紀70年代研製的“海豚”就已經裝備了星型柔性槳轂，當然也包括我國引進消化吸收的直-9。平常說的球柔性槳縠是指單個球面彈性軸承式，更復雜點的還有“黑鷹”上的球面-柱形彈性軸承組合式槳轂和EH-101上的球面-定心軸承組合式槳轂。
球面彈性軸承長什麼樣呢：
就是這個其貌不揚的樣子，核心是內外兩圈金屬結構之間的彈性單元，由多層鈦合金（灰色）和彈性抗拉橡膠材料（黑色）層疊壓制而成，形成一個碗狀的半球型萬向節，在任意方向受力時將向反方向壓縮彈性單元從而改變槳葉傾角，然後又會在彈性材料的反作用力下復原。
球柔槳縠用一個部件實現了揮舞鉸、擺振鉸和變距鉸的全部功能（當然表面上變距鉸仍然存在，因為還是需要用變距拉桿和變距搖臂去驅動槳葉扭轉的，但是內部的金屬軸承已經取消）。
還是上面轉椅的那個比喻，原先的全鉸接槳縠肩關節、肘關節和腕關節都只能在一個維度上活動，所以需要三個關節分三段實現手臂的三維運動；現在改為球柔槳轂後等於一個肩關節就能三維運動，剩下整個手臂只需伸直就可以了。
貝爾429上的球柔槳轂
球柔槳縠結構十分簡單而且無需潤滑與保養，可靠性大幅度提高，零件數量從數百個降低到50個左右，重量減輕1/5，價格降低1/3，氣動廢阻降低2/3，效益驚人。
目前槳轂已經發展到了第四代 - 無軸承槳轂，連柔性軸承兩端的金屬件都取消了，完全依靠複合材料製造的柔性梁本身形變來控制旋翼變距並抵消揮舞、擺振力矩。從外觀上看槳葉根部接在一段像袖套一樣的柔性樑上，柔性梁則直接連接在基座上，已經取消了傳統意義上的槳轂。最先採用這種目前最高水平槳轂的直升機卻是看上去頗為落伍的AH-1Z的UH-1Y，另外還有歐洲的“虎”式武裝直升機。
> 2012年3月4日，“馬金島”號兩棲攻擊艦甲板上停放的UH-1Y（前4架）和AH-1Z（後3架），兩者共用動力和旋翼系統，因為柔性梁的存在，旋翼摺疊部位不是在翼根而是在柔性梁的末端。
2015年中，改裝無軸承槳轂的直-11驗證機成功首飛，標誌著我國已經掌握了從動力到旋翼系統、從複合材料機體到電傳操縱飛控系統的全套直升機先進技術。彈指一揮間，經過20多年的砥礪前行，中國的直升機事業終於迎來了井噴式的大發展時期。
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