11.21 直升机如何控制飞行的？看完终于能回家给孩子讲讲了軍事頭條網

连着写了三篇直升机，查资料的时候一直碰到球柔桨毂、挥舞铰、摆振铰、总距杆、变距杆、涡轴发动机这些术语，以前也经常接触到但是一直没有彻底搞清楚它们的含义和工作原理，这次就趁这个机会给自己科普一下。

军迷圈一直有个说法：只要动力足，板砖都能飞上天。这对直升机来说可能更加贴切，不过得反过来讲：只要没动力，直升机就是块板砖。

固定翼飞机至少还有机翼，或多或少都具备一定的滑翔能力，连767这样一百多吨重的庞然大物都能无动力滑翔飞行50公里以上（如著名的加航143航班）；而且负责产生升力的机翼、负责俯仰、滚转、航向的舵面和负责产生推力的发动机是相互独立的系统，各司其职又能配合工作，具备较大范围的容错控制能力。比如当方向舵被卡住时，多发飞机可以通过左右发动机的差动推力控制航向，单发飞机也可以通过两侧副翼的差动尽量维持。

直升机没有翅膀，就算安装了短翼产生的升力也不足以支撑机体重量，完全依赖旋转的旋翼，一旦旋翼发生故障不转了，就立马变板砖。

长话短说，下面用尽量简洁的方式来看看直升机这套极为复杂而精密的动力-传动系统是怎么工作的。

涡轴发动机

现代直升机采用的都是涡轴发动机 - Turboshaft，它和涡扇 - Turbofan、涡桨 - Turboprop、桨扇 - Propfan一样都是涡喷 - Turbojet的变体，核心机是一台通过多级压气机对进气进行增压，然后在燃烧室内和燃料混合燃烧，利用燃气推动涡轮盘 - Turbine旋转的燃气轮机。

涡轴发动机是针对直升机低空速、大扭矩的特点优化设计的，它的不同之处在于燃气涡轮之后设置了自由动力涡轮 - free power turbine，直接在发动机内部将燃气做功转化为机械能，驱动传动轴经减速器带动旋翼旋转。自由涡轮的轴和压气机-燃气涡轮的轴是分离的，可按照最优化速度自由旋转而不必迁就压气机和涡轮的转速，因此其效率也是所有航空燃气涡轮发动机中最高的。

直升机的飞行速度慢，对进气道、排气口的气动设计要求相对很低，布置位置也比较灵活，但这并不等于涡轴发动机的研制难度就低 - 涡轴对体积、重量、耐用性和安全性的要求非常苛刻，输出扭矩很大。全世界能够制造直升机的国家不少，但能够研制先进涡轴发动机的只有美、俄、法、中四家。

以黑鹰的GEＴ700发动机（上图）为例，它采用五级压气机、两级燃气涡轮加两级自由动力涡轮，额定中间功率1622轴马力，而它的长度只有1.2米、直径640毫米、干重198公斤，功率重量比为3.71马力/磅（6.10千瓦/公斤）。

> 2015年3月5日冲绳白滩海军基地，“好人查理”号两栖攻击舰上的陆战队机械师正在维护一台UH-1Y上拆下来的T700-GE-401C发动机，可以看到它和强大功率不相称的紧凑体型

作为对比，二战时期“喷火”Mk.IX所用的梅林61活塞发动机（下图）功率为1565轴马力，还略低于T700，而它的长度达到2.25米，宽780毫米，高1.02米，干重744公斤，功率重量比为0.96马力/磅（1.58千瓦/公斤），仅为T700的1/4。

主减速器

排在发动机之后的第二大关键部件就是主减速器 - Main gearbox，它的作用是减速、转向和并车。

减速：

Ｔ700涡轴发动机的转速高达20900转/分，而黑鹰16.36米直径旋翼的最佳工作转速只有258转/分，此时桨尖的线速度已经达到221米/秒（时速795公里），再提高接近音速时阻力激增，气动效率将急剧下降。这样巨大的速度差只能通过主减速器的行星齿轮系来进行减速，减速比为81:1。

转向：

涡轴发动机为了进、排气顺畅都是沿轴向安装的，而旋翼主轴是垂直的，这个动力转向的过程也是在主减速器里通过纯齿轮机械结构实现的。

并车：

现代大中型直升机都是双发甚至三发，这就需要把各个发动机的高转速、低扭矩输入功率（上图橙色箭头）合并到一起，转变成低转速、高扭矩的输出功率（上图蓝色箭头）传递给主轴 - Main rotor mast。同时还要按规定的转速和扭矩分配出部分功率去驱动尾桨和液压泵、发电机等附件，这个并车再分配的功能也是由主减速器完成的。黑鹰的主减速器额定功率为3400马力，远远高于M1系列主战坦克液力变速箱1500马力的输出功率。

还有最重要的一点，主减速器也是整个直升机的中枢受力构件，直接承受旋翼产生的全部力矩并传递给机体，因此它被设计得非常结实，重量往往占到整动力-传动系统的一半以上。

黑鹰的主减速器安全性非常高，可以在无滑油状态下干运转30分钟，足够支撑回到安全地带降落。主减速器的三个单元体可以在外场用普通扳手进行拆卸更换，维护非常简便。

桨觳

发动机和减速器的作用是输出动力，解决了旋翼旋转产生升力的问题，就是能让直升机飞起来。但直升机实际上无法像开车、开船、开固定翼飞机那样通过调节油门改变发动机功率来改变速度和高度，因为它的发动机转速和输出功率是近似恒定的，原因有三：

涡轴发动机和旋翼的工作转速范围都非常窄，而且旋翼高速旋转时产生巨大的转动惯量，要靠调节转速改变升力响应时间将会很长，无法精确操控；
结构复杂的主减速器已经承载了巨大的重力和旋转载荷，要再给它增加改变传动比的机构将导致主减速器过大过重，工程上不现实；
高速旋转的旋翼共振现象严重，全机各个部件在设计时都要避开其固定的几个共振频率，如果旋翼转速可变将导致共振频率迁移，令动力学设计复杂化。

除此之外，直升机也没有固定翼飞机上的襟翼、副翼和尾舵等气动控制面，因此前飞、倒飞、俯仰和滚转也都只能依靠调节旋翼系统来实现。

上图是维护中的UH-60主轴-桨毂组件，可以看出主轴（蓝色部分）十分粗壮，和底下主减速器中的行星齿轮是硬连接，不能倾斜移动；旋翼系统的可调节部分都在顶部的桨毂（金色部分）上，它才是直升机操控的核心。

桨毂【gǔ - 音同谷】- Rotor hub就是主轴顶端连接各个旋翼的部件，也是直升机第一眼看过去最复杂的部件，各种管线、螺栓、铰链、插销、连杆就裸露在外面，琳琅满目。

> 加拿大皇家空军的CH-148直升机桨毂特写，去年摄于Abbotsford航展

旋翼

其实桨毂才是我写这篇文章的重点，但是为了讲清楚其中的道理，还是先得提一下旋翼。旋翼本身就非常复杂，足够写几篇长文，这里就不涉及具体细节了，简单讲讲它是如何工作的。

翼型：

产生升力的旋翼剖面也和固定翼飞机的机翼一样是流线型的，而且旋翼各部位的线速度从桨根向桨尖递增，相对应的翼型和扭转角度也不同，通常是连续变化的负扭度，比固定翼翼型还要复杂。（以下示意图均来自美国联邦航空管理局FAA官方颁布的《直升机飞行手册》，我编辑过并修改了中文注释）

桨盘：

当旋翼高速旋转时，桨叶形成桨盘，但在实际飞行中它并是不一个扁平的圆盘，而是一个圆锥体、因为桨尖的线速度最大，升力也最大，在离心力的共同作用下桨尖部分会向上翘起。

而且这个圆锥还是不对称的，因为位于主轴两侧的旋翼虽然转速相同，但是前行桨的实际桨尖气流速度要叠加直升机向前飞行的速度，后行桨则要减去飞行速度，导致两侧桨叶存在速度差，产生的升力也不同（速度越快升力差越大，可达到5倍之多）。这一滚转力矩如果不进行控制将导致直升机失稳进入滚转状态，无法正常飞行；而且周期性的快速应力变化将加速材料疲劳，并产生剧烈振动。

这个看似很棘手的问题却早在1923年就被第一架旋翼机（Autogyro）的设计者 - 西班牙工程师胡安·切尔瓦在无意中解决了。当时他的旋翼机模型试飞成功，但2架全尺寸样机却都在起飞时侧翻报废。经研究他发现问题不在侧风而是桨叶，模型采用的是柔性的竹制桨叶，而样机用的是刚性的钢材。

> 胡安·切尔瓦和他的Cierva系列旋翼机

柔性桨叶可以上下弯曲，前行桨受到较大气动力的激励向上挥舞，气动迎角变小，升力下降；在离心力的作用下桨叶有自然拉直的趋势，挥舞达到最高点后就会自动回落到水平位置；后行桨则相反，气动力减小，桨叶自然下垂，气动仰角增大，升力增加。桨叶如此周期性循环挥舞，使气动力的变化刚好能够抵消前行桨和后行桨导致的升力差，自然到达平衡状态。据此切尔瓦在旋翼和桨毂之间安装了一个机械水平铰链，令旋翼可以自由地上下挥舞，并成功实现了首飞。
紧接着他又遇到了第二个烦恼，旋翼机是能飞起来了，但桨叶很容易断裂。据他观察发现，前行桨空速增加，风阻也随之大增，后行桨则正好相反。桨叶高速旋转时在水平方向也周期性承受巨大的应力和惯性载荷，就好像用手不断弯折一把尺子，造成疲劳性结构损伤。受到水平铰的启发，切尔瓦又在桨毂上安装了一幅垂直铰，令桨叶可以在水平方向摆动：前行时后摆，后掠角增大，降低阻力；后行时前摆，后掠角减小，阻力增大，回到原位。这样的前后摆振也正好能够抵销空气阻力施加的应力变化，令桨叶平稳运行。

切尔瓦对直升机的贡献还不仅于此，旋翼机和直升机的主要区别就是旋翼机的旋翼是没有动力的，依靠前进的气流吹拂自旋产生足够的升力。早期的旋翼机还留有比较大的机翼和尾翼，俯仰、滚转、偏航等机动都靠传统的副翼和尾舵完成，低速时气动效率低下，响应速度很慢。切尔瓦发明了一个机构，可以直接改变旋翼主轴的倾角，进而改变整个桨盘的升力矢量方向进行俯仰和滚转操纵。

旋翼变距示意图

这一发明虽然不能直接运用在旋翼有驱动力的直升机上，但它启发后人设计出了周期性地改变旋翼的桨距来操纵旋翼位置的装置，可以在高速旋转中精确改变每一片桨叶的的倾角，也就是桨距 - Pitch，进而在主轴不倾斜的情况下改变桨盘的位置和倾角。如果同时改变所有桨叶的桨距，还可以像固定翼螺旋桨飞机的一样改变螺旋桨的推力，对直升机来说就是升力。

所以今天我们看到三蹦子旋翼机可不要瞧不起它，直升机旋翼的主要调节机构都来自它呢。

旋翼要周期性挥舞和振摆，就必须采用柔性材料制作才能承受剧烈的应力变化而不被折断。前三代直升机采用包括钛合金在内的金属材料制作叶梁，为了及时检测可能的疲劳裂纹，在密封的大梁内充满氮气，并设置桨叶破损指示器 - BIM来提示结构破损漏气。第四代直升机则采用全复合材料模压桨叶，不再使用金属叶梁，桨叶使用寿命提高了3倍以上达到一万小时。

> 世界上最大的直升机米-26旋翼直径达到32米，地面静止状态时桨叶下弯明显，空中旋转时上翘的幅度也相当大

关于旋翼还有个有意思的现象，目前世界上主流的直升机分为两个阵营，美、英、德、意、日的旋翼是逆时针旋转的，法、俄、中、印、波兰则是顺时针，相应整套传动系统的旋转方向都是相反的。这是各国在研发、仿制、引进直升机的过程中一直沿袭下来的惯例，没有优劣之分，黑鹰4.0和之前的型号也有这个截然不同的区别。

金属全铰接桨毂

可以想象一下自己坐在一张转椅上，两手同时伸展开，当转椅旋转的时候，你的手臂以肩关节为轴上下扇动，再以肘关节为轴左右移动，手掌还要以上臂为轴沿着腕关节扭转，飞行时桨叶复杂的运动方式基本上就是这样了。

在五六十年代，直升机设计师采用三副金属铰链来完成这些动作，支持上下运动的是挥舞铰 - Flapping hinge，水平运动的是摆振铰 - Drag hinge，轴向旋转的是变距铰 - Pitching hinge。

一般直升机的全铰接桨毂是三铰分离式，按从里到外挥舞铰>摆振铰>变距铰的顺序布置。不过也有些例外，比如下图的“支奴干”，它的变距铰紧贴着挥舞铰，摆振铰却在最前面：

旋转斜盘

在上述三个铰链中，挥舞铰和摆振铰都是依靠桨叶承受受的空气动力、离心力、自身的弹性以及阻尼器的复位阻力自主工作的，不需人为干预。只有变距铰是由飞行员操纵的，以控制桨盘的升力和倾斜方向，进而控制直升机的高度和飞行姿态。

> MD520N“小鸟”上的小棍棍

平时我们在照片里都可以看到直升机旋翼根部有几根垂直的连杆，下面连接在一个圆盘上，这就是控制直升机飞行的秘密所在。这个圆盘叫做旋转斜盘 - Swash Plate，也有翻成自动倾斜器的。它由上下两个套在主轴外面的圆盘组成，上斜盘（或者叫动环）通过扭力臂跟随主轴旋转，并有长度固定的变距拉杆和每一副变距铰的变距摇臂相连；下斜盘（不动环）由防扭臂固定不转，有若干根连杆和驾驶舱的操纵系统相连；上下斜盘之间由球形轴承连接为一体，共同升降或者倾斜。

也有的大型直升机比如米-26和CH-53采用的是大环套小环的形式，外环为动环，内环为不动环，因此外表上看只有一个环。

CH-53“种马”的旋转斜盘

直升机的操纵方式

在固定翼飞机驾驶舱里，操控台中间是油门杆，控制发动机的推力和飞机的速度；飞行员身前或者侧面是驾驶杆，前后推拉杆控制升降舵摆动和飞机的俯仰，左右压杆控制副翼的偏转和飞机的滚转；脚蹬则控制方向舵和飞机的航向。

已经全球停飞大半年的737 Max驾驶舱

在直升机驾驶舱里也有2根相似的控制杆以及脚蹬，不过控制的原理完全不同。

飞行员左手边的是总距操纵杆 - Collective-pitch level（左侧正驾驶的总距杆也在左侧），向上抬起时推动整个旋转斜盘沿主轴向上移动，所有变距推杆一起推动桨叶转动一个相同的角度，增大桨距使旋翼升力增加，直升机开始爬升；反之向下放低总距杆则升力减小，直升机下降。直升机的油门也装在总距杆上。

飞行员两腿中间的是周期变距杆 - Cyclic-pitch lever，可以向任意方向摆动，通过另外一套机械传动系统带动整个旋转斜盘向相同的方向倾斜。动环和变距拉杆以及桨叶根部的变距摇臂联动，使桨叶的桨距发生周期变化，桨盘也向同方向倾斜，除了垂直的升力之外还产生水平方向的分量推力，推动机体向这个方向滚转前进。

对直升机来说这套系统是圆周对称的，实际上没有方向之分，俯仰和横滚是一个概念。飞行员只要向前压周期变距杆，给桨盘赋予一个前倾的角度就可以进入向前飞行的状态。

前面说过直升机发动机输出功率几乎是恒定的，所以前飞的速度大小就取决于前向推力分量的多少，机体前倾角度越大速度越快。如果不计机体各面不同空气阻力的话，直升机前飞、侧飞和倒退飞行的速度可以是一样的。

飞行员脚下的脚蹬控制的则是尾桨的推力。直升机旋翼高速旋转时会产生强大的扭矩，导致机身朝旋翼反方向转动。要控制这一旋转扭矩，要么采用对转的双旋翼相互抵消，可以是卡-50那样的垂直纵列式，也可以是“支奴干”那样的前后纵列式，或者米-12和“鱼鹰”的横向并列式；大多数单旋翼直升机则在尾梁上安装尾桨，从主变速器引出推进轴带动尾桨旋转产生对抗扭力的推力，维持飞机的轴向平衡。

> 黑鹰尾梁内部的尾桨传动轴

以主桨逆时针旋转的直升机为例，不踩脚蹬时尾桨的推力和主桨扭力相同，机体保持正直；踩右脚蹬时尾桨桨距减小，推力下降，相对的旋转扭矩增大，机体绕主轴顺时针水平转动；反之踩左脚蹬时尾桨推力增加，机体逆时针转动。

总距杆、周期变距杆和脚蹬配合使用，控制旋转斜盘、桨毂和尾桨工作就可以操纵直升机做出复杂的空中机动了。

> 今年5月18日，红牛飞行表演队的BO-105C直升机在自由女神像上空进行筋斗表演

如果飞行员里也存在鄙视链的话，直升机飞行员肯定是处于最底层的，在大家的印象里被固定翼飞机刷下来的才会去飞直升机，速度慢，做不了机动，总是飞得四平八稳，没什么难度。但实际上看看下图直升机下方的流场就能感受到直升机的飞行控制是非常难的，比固定翼飞机复杂得多。那怕是斜坡起降、海面着舰等看似简单的动作，机身两侧地面不同或者有侧风就会带来很多变数，需要飞行员随机应变同时调整总距、周期变距和尾桨。

早期的直升机完全靠人工操纵所有的系统，在复杂气象条件下工作负荷过大，造成人为原因的事故率高居不下。后来安装了自动油门等控制机构，部分代替了人工操纵。直到现在最新的第四代直升机，包括我们的黑鹰4.0，在采用电传操控后才真正把飞行员从繁重的飞行操纵作业中解放出来。

球柔桨毂

最后来讲讲最近出现频率很高的球柔桨毂。

全铰接桨毂是桨毂的第二代，每一片桨叶都带有三付沉重厚实的金属铰链，零部件数量非常庞大，中型的“海王”桨縠上就集成了几百个零件和几十处润滑点，重型的“支奴干”零件数更是达到1800个；只要飞在空中所有的铰链就一直在工作，也就必须进行润滑，活动的机械部件还时刻带来金属疲劳隐患，地面维护工作非常繁杂，如果碰到米-26、“种马”这类多桨叶的更是苦不堪言。

于是直升机设计师开发了第三代桨毂 - 柔性轴承桨毂，用自身可以弹性形变的柔性关节代替金属铰链。它并不算太新的技术了，上世纪70年代研制的“海豚”就已经装备了星型柔性桨毂，当然也包括我国引进消化吸收的直-9。平常说的球柔性桨縠是指单个球面弹性轴承式，更复杂点的还有“黑鹰”上的球面-柱形弹性轴承组合式桨毂和EH-101上的球面-定心轴承组合式桨毂。

球面弹性轴承长什么样呢：
就是这个其貌不扬的样子，核心是内外两圈金属结构之间的弹性单元，由多层钛合金（灰色）和弹性抗拉橡胶材料（黑色）层叠压制而成，形成一个碗状的半球型万向节，在任意方向受力时将向反方向压缩弹性单元从而改变桨叶倾角，然后又会在弹性材料的反作用力下复原。

球柔桨縠用一个部件实现了挥舞铰、摆振铰和变距铰的全部功能（当然表面上变距铰仍然存在，因为还是需要用变距拉杆和变距摇臂去驱动桨叶扭转的，但是内部的金属轴承已经取消）。

还是上面转椅的那个比喻，原先的全铰接桨縠肩关节、肘关节和腕关节都只能在一个维度上活动，所以需要三个关节分三段实现手臂的三维运动；现在改为球柔桨毂后等于一个肩关节就能三维运动，剩下整个手臂只需伸直就可以了。

贝尔429上的球柔桨毂

球柔桨縠结构十分简单而且无需润滑与保养，可靠性大幅度提高，零件数量从数百个降低到50个左右，重量减轻1/5，价格降低1/3，气动废阻降低2/3，效益惊人。

目前桨毂已经发展到了第四代 - 无轴承桨毂，连柔性轴承两端的金属件都取消了，完全依靠复合材料制造的柔性梁本身形变来控制旋翼变距并抵消挥舞、摆振力矩。从外观上看桨叶根部接在一段像袖套一样的柔性梁上，柔性梁则直接连接在基座上，已经取消了传统意义上的桨毂。最先采用这种目前最高水平桨毂的直升机却是看上去颇为落伍的AH-1Z的UH-1Y，另外还有欧洲的“虎”式武装直升机。