直升機傳動系統的現狀與發展研究

佘亦曦 康麗霞 唐朋

摘要：本文介紹了常規構型直升機傳動系統的發展現狀和復合推力高速直升機傳動系統、傾轉旋翼構型傳動系統、可變轉速傳動系統、電傳動技術等幾種極具代表性的新構型直升機傳動系統或技術的發展歷程、性能參數和技術特點。提出了后續直升機傳動系統高功率密度、高可靠性、高安全性、高效率、低噪聲和低成本的發展方向，從而得出多種新構型傳動系統和傳動技術得以應用的趨勢。

關鍵詞：直升機；傳動系統；技術特點；現狀；發展

中圖分類號：V233.1文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.01.013

直升機傳動系統與發動機、旋翼一起并稱為直升機三大關鍵動部件，典型的單旋翼帶尾槳直升機傳動系統由三器兩軸（即主減速器、中間減速器、尾減速器、動力傳動軸組件及尾傳動軸組件）組成。

從20世紀30年代開始，西方各國均開始對直升機傳動系統展開研究，以期提升直升機飛行速度、高度及續航時間。經過多年的研究，常規構型直升機傳動系統技術指標已趨于穩定，各類新型傳動系統及傳動技術成為研究重點并迅速發展。本文將就目前直升機傳動系統及傳動技術現狀與發展進行討論。

1直升機傳動系統技術特點

直升機傳動系統是發動機向旋翼及直升機附件提供轉速和扭矩的唯一途徑，其性能直接影響直升機的安全性、可靠性和先進性。與其他裝備上的傳動系統相比，直升機傳動系統具有輸入轉速高、減速比大、功率密度（傳遞功率與重量比）高、傳動效率高等特點，研制技術難度相對較大，具體表現在以下幾個方面。

（1）傳遞功率大，承受載荷復雜，又要求重量（質量）輕

直升機傳動系統傳遞功率大，同時需傳遞和承受直升機旋翼系統的氣動載荷、操縱載荷及過載載荷等，交變載荷幅度大，對重量要求苛刻，在強度與重量之間存在取舍。

（2）轉子件多，輸入轉速高，動力學特性復雜

隨著發動機技術的發展，發動機的輸出轉速發展到目前20000r/min以上。在傳動系統傳動鏈中，各種不同轉速的構件協同運轉，工作中激振源多，激振頻率非常豐富，系統之間存在振動耦合，系統響應復雜，動力學問題十分突出。

（3）強度裕度低，又要求可靠性和安全性高

傳動系統需要具有盡可能長的壽命和足夠的安全性和可靠性，但是為減輕飛機自身重量，傳動系統一般需要采用減重設計，承載能力需要接近許用極限。

（4）傳動鏈長，傳動比大，又要求傳動效率高

由于發動機輸出轉速高、旋翼輸出轉速低，一般傳動系統減速器傳動比大、傳動級數多，需要具有較高的傳動效率。高傳動效率的需求對減速器的構型設計、齒輪齒面加工、軸承配置、系統剛度設計、裝配精度等要求十分嚴格。

2發展現狀

國際上從事直升機傳動系統研發的企業主要有美國西科斯基、貝爾、波音，法國的空客（并入空客前的歐直公司），意大利的萊奧納多（前阿古斯特-韋斯特蘭直升機公司），德國的ZF和俄羅斯的克里莫夫、卡莫夫、彼爾姆等。

各大企業多年積極的投入，促進了直升機傳動系統的持續進步。目前，直升機傳動系統發展已進入一個新階段：常規構型直升機傳動技術經過多年發展，各項技術指標趨于穩定，難以出現較大突破；復合推力高速直升機傳動系統、傾轉旋翼構型傳動系統等新構型傳動系統成為研發重點，各種方案不斷發展成熟并進入工程應用；可變速比傳動技術、電傳動技術等新型傳動技術高速發展；新材料、新工藝、新技術不斷應用于直升機傳動系統設計、加工中。

2.1常規構型傳動系統技術

20世紀末至21世紀初，通過采用新的結構、材料、工藝等技術，常規構型直升機傳動系統壽命和可靠性得到了大幅提升。經過十余年的發展，各常規構型直升機傳動系統的技術指標趨于穩定：國際上主流的常規構型直升機如武裝型的AH-64E“阿帕奇衛士”、UH-60M“黑鷹”，通用/運輸型的NH90、AW101“灰背隼”、S-92、AW139等直升機的傳動系統，減速器翻修間隔期都達到了3000～5000FH；干運轉能力都達到30～45min；主減速器質量系數（傳遞單位扭矩對應的傳動系統質量）達到0.060～0.065kg/（kgf？m）；軍用直升機尾傳動軸在被12.7mm子彈擊中后能繼續飛行30min，被23mm航炮擊中后能安全降落。部分典型直升機傳動系統性能指標見表1。

2.2新構型傳動系統

在新構型直升機傳動系統領域，各大旋翼機制造商積極推進高速直升機、傾轉旋翼機、長航時直升機等新型直升機研制工作，提出了復合推力高速直升機傳動、傾轉旋翼構型傳動系統等新型傳動系統構型的需求。通過持續不斷的研究，新構型傳動系統技術方案不斷成熟、綜合性能不斷提高，已成為目前的研發重點。

2.2.1復合推力高速直升機傳動系統

復合推力高速直升機在保留常規直升機近地面機動、垂直起降和空中懸停等特點的同時，能實現高速飛行（最大飛行速度超過450km/h），同時具有機動性好等優點，是目前各大直升機公司研究的熱點。美國西科斯基公司自20世紀70年代開始研究共軸式復合推力高速直升機，經過XH-59、X2、S-97“侵襲者”等單發機型的研究與驗證，技術成熟度逐步提高，已進入產品化，目前正與波音公司聯合開展雙發機型SB>1“挑釁者”中型通用直升機驗證機的研制[1-4]。

復合推力高速直升機傳動系統主要有共軸反轉主減速器帶尾推組件構型或采用一臺可同時驅動主旋翼及兩側短機翼螺旋槳的主減速器等不同構型。

共軸反轉主減速器帶尾推組件構型傳動系統，由動力傳動軸組件、主減速器、尾傳動軸組件和尾推組件組成，主要代表有SB>1高速直升機傳動系統。由于既要保證起飛/降落時主旋翼有足夠的升力，又要在高速飛行時尾推槳有盡可能大的推力，因此復合推力直升機傳動系統在整個空機重量中占比較大，減重設計是目前傳動系統的主要研究方向。SB>1高速直升機傳動系統采用了先進的鋁合金材料、薄壁鈦合金旋翼軸、陶瓷滾動體軸承和聚醚酮保持架，尾傳動軸組件采用復合材料膜盤與軸管一體化設計，在機匣設計中使用拓撲優化技術等一系列的設計手段，其目的主要是盡可能地降低傳動系統重量。

可同時驅動主旋翼及兩側短機翼螺旋槳的主減速器代表為歐洲直升機公司X3高速型復合直升機驗證機主減速器。X3驗證機采用了一臺經過改造的EC175主減速器，當直升機高速前飛時，由于兩側短機翼的升力作用，使主旋翼拉力卸載，主旋翼轉速得以降低，槳尖速度降低，直升機飛行速度能夠更高。

2.2.2傾轉旋翼構型傳動系統

傾轉旋翼機是一種既具有直升機垂直起降和懸停功能，又具備固定翼飛機高速、高效巡航飛行能力的旋翼飛行器，相對復合推力高速直升機，傾轉旋翼機擁有廣闊的使用包線，具有高速度、遠航程的技術特點，由于可以適應更大噸位的設計，具有更好的經濟性[5-6]。從結構上來說，傾轉旋翼機發動機布置于機翼尖端，機身內部具有較小的振動、噪聲，從而具有較好的舒適性。

目前世界上唯一量產的傾轉旋翼機是美國貝爾直升機公司研制的V-22“魚鷹”傾轉旋翼機，意大利萊奧納多直升機公司也一直在進行著8t級的AW609傾轉旋翼機的研究。傳動系統是傾轉旋翼機關鍵動部件，它不僅實現傾轉旋翼機中復雜的功率傳遞，還實現旋翼的傾轉動作，是傾轉旋翼機區別于直升機和固定翼螺旋槳飛機的主要原因。對于傾轉旋翼機傳動系統，其主要設計難度是需要考慮傾轉減速器在0°～90°姿態范圍內的過渡并在0°及90°工作姿態長時間穩定工作，且各姿態下滑油系統的適應性設計必須得以保證[7-9]。

近年來，傾轉旋翼機的發展思路主要考慮發動機不傾轉的技術方案，以降低發動機技術難度和使用過程中的風險，美國陸軍未來垂直起降飛行器（FVL）中提出打造傾轉旋翼機V-280，其發動機艙固定，和機體保持平行，不隨旋翼轉動，從而使得吊艙的結構較為簡單，在起降時不會有發動機噴口氣流干擾，能夠和普通直升機一樣設置側面艙口和窗口，便于乘員上下飛機，也可以在艙門部署武器，提高了作戰能力。

2.3新型傳動技術

在新型直升機傳動技術方面，各大旋翼機制造商積極推進可變轉速傳動系統、電傳動技術等新型傳動技術的發展。通過持續研究，新型傳動技術得到快速發展。

2.3.1可變轉速傳動系統

常規直升機旋翼系統基本上以100%的工作轉速旋轉。在直升機巡航狀態、飛機重量低于最大起飛重量時，旋翼轉速就比需要的值高很多，降低了槳葉的升阻比，產生額外的阻力。降低前飛時的旋翼轉速可降低前行槳葉槳尖的合速度，減少前行激波，從而減少阻力和噪聲，有利于提高前飛速度和續航能力。

目前具有旋翼變轉速功能的在役、在研直升機主要分為發動機變轉速和傳動系統變速兩類，其中V-22“魚鷹”、AW609、“鷹眼”、S-97、X2等旋翼機采用發動機變轉速，A160T“蜂鳥”采用傳動系統變速比。相對于發動機可變速，傳動系統變速的最大優點是變速范圍比較大。

美國波音公司在無人機A160T“蜂鳥”上使用了兩擋變速傳動系統，根據直升機的任務需求來控制旋翼速度的輸出，高速飛行時旋翼轉速100%，低速飛行時旋翼轉速50%，以實現高效的低功率巡航，降低了旋翼噪聲，使其航程（超過2000海里）和續航能力（24～48h）相對于A160無人直升機獲得了明顯的提升。A160T“蜂鳥”傳動系統以復合行星輪系為核心，配合以摩擦離合器和超越離合器，可以實現兩擋變速切換。這種構型的功率密度較大，體積較小，可實現的轉速調節比較大[10-11]。

2.3.2電傳動技術快速發展

在設計常規構型直升機時，為了降低尾槳的功率消耗、增大扭矩，尾槳必須布置于遠離主旋翼的直升機尾部，并從傳動系統主減速器引出細長的尾傳動軸對其進行驅動。由于細長尾傳動軸剛度較差，加之來源于主旋翼、發動機和尾槳的激勵源非常復雜，容易導致尾傳動軸出現異常振動，輕者降低乘員的舒適性，重者將導致傳動軸損壞，進而造成飛行事故。如果將直升機尾槳由尾軸-減速器驅動改為電傳動方式，取消掉尾傳動軸，采用電纜傳遞電力，就能夠消除細長尾傳動軸帶來的各種弊端。目前，國外正積極開展電傳動技術相關研究，2016年12月，萊奧納多直升機公司已經開始了電動尾槳的地面臺架試驗[12]；2020年，貝爾公司發布了基于貝爾429型直升機改裝的4電動涵道尾槳驗證直升機。

除將尾傳動改為電動方式外，實現難度更大的則是將主旋翼由減速器驅動改為電動驅動。但即使是最好的電動機傳動系統，重量仍然要比目前的傳動齒輪箱重10%，功率密度并不占優勢；同時，發動機—發電機—電動機傳動的傳動效率尚無法達到實用要求，如美國垂直起降試驗性飛機項目（VTOL X-Plane）第二階段方案極光公司“雷擊”采用羅羅公司AE1107C渦軸發動機為三臺發電機和24臺涵道風扇提供動力，但最終由于該技術暫不能達到使用要求而取消。

最近，美國俄亥俄州立大學正在開發一種直徑1m、功率2700kW、轉速2700r/min的環形感應電機，從參數來看已經初步具備了作為直升機主旋翼驅動電機的能力。

3發展趨勢

根據直升機對傳動系統的需求以及直升機傳動技術的發展現狀與趨勢，為了滿足直升機進一步提高有效載荷、戰場生存力、壽命和可靠性等要求，一方面要求傳動系統性能朝著高功率密度、高可靠性、高安全性、高效率、低噪聲和低成本的方向發展；另一方面，為了適應新構型、新概念直升機的發展，傳動系統的模式已不再局限于傳統的定軸傳動、定傳動比傳動、機械傳動等結構形式，共軸反轉傳動、傾轉式傳動、可變速比傳動、電傳動等新構型傳動系統和新型傳動技術將逐步進入工程應用。為滿足未來軍、民用直升機綜合性能提升和功能延伸的需求，目前傳動系統發展趨勢主要集中在以下方面：（1）復合推力高速直升機傳動系統、傾轉旋翼構型傳動系統等新型傳動系統構型迅速發展并成熟，出現一批滿足特定需求的新構型傳動系統；（2）可變轉速傳動系統、電傳動技術等新型傳動技術得到發展并投入實際使用，滿足新概念飛行器的需求；（3）新型金屬材料、復合材料的應用及拓撲優化技術等手段的使用將有效降低傳動系統重量；（4）通過技術和加工工藝的進步，進一步提高傳動效率，降低現有傳動系統振動及噪聲水平。

4結束語

綜上所述，目前常規構型直升機傳動技術各項技術指標已趨于穩定，難以出現較大突破，各大研發廠商重點開展了各類新構型傳動系統的研發工作，各類方案不斷發展成熟并進入工程應用；同時，可變速比傳動技術、電傳動技術等新型傳動技術得到高速發展。

根據直升機需要，未來直升機傳動系統將朝著高功率密度、高可靠性、高安全性、高效率、低噪聲和低成本的方向發展，同時得益于新構型傳動系統的研發，將出現一批滿足特定需求的新構型傳動系統。

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（責任編輯陳東曉）

作者簡介

佘亦曦（1991-）男，碩士研究生，工程師。主要研究方向：直升機傳動技術。

Tel：0731-28593399E-mail：sheyixi@foxmail.com

Development Status and Future Trend of Helicopter Transmission System

She Yixi1，*，Kang Lixia2，Tang Peng1

1. AECC Hunan Avitation Powerplant Research Institute，Zhuzhou 412002，China

2. Unit 32381 of PLA，Beijing 100071，China

Abstract： This paper introduces the development status of conventional configuration helicopter transmission system， as well as the development history， performance parameters and technical characteristics of combined thrust highspeed helicopter transmission system，tilt rotor configuration transmission system， variable speed drive system and electric transmission technology which feature new configuration helicopter transmission system and technology.It puts forward the development direction of the helicopter transmission system with high power density， high reliability， high safety， high efficiency， low noise and low cost， and the application trend of various new configuration fransmission system and transmission technology.

Key Words： helicopter； transmission system； technical features； status； development