旋翼通鑑｜再談直升機剛性旋翼，為什麼不能理解為剛硬旋翼

文/丁尹

“剛性旋翼到底是不是就是指‘剛硬的旋翼’呢？卡莫夫共軸旋翼和西科斯基共軸剛性旋翼有什麼區別呢？”

我之前寫過一篇關於旋翼（槳轂）構型的文章，從宏觀的角度介紹了直升機旋翼的幾種常見構型，包括

全鉸接式旋翼、半剛性旋翼和剛性旋翼

等，雖獲大多正向反饋，但也有讀者朋友認為圖文相互佐證不夠充分，作為科普文對於入門級別的讀者不甚友好。

由於旋翼構型本身的複雜性，一篇3000字的文章顯然不能囊括方方面面的概念，在聽取數百條讀者朋友的反饋之後，我決定進一步細化介紹旋翼槳轂構型，儘量把相關的概念講清楚，這一篇的主題從大家最感興趣的

剛性旋翼

開始。

正確認識“剛性旋翼”

剛性旋翼作為一箇中文名詞，普遍被認為是從英文“

Rigid Rotor

”直接翻譯而來，其中

rigid

直譯就是“剛性”的意思。這種翻譯本質上固然沒有問題，但是對於對直升機系統瞭解甚少的讀者而言，將其視為一種如同常見的螺旋槳一樣的“剛度很大的旋翼”也是一種合乎情理的想象。但實際上，這個名字可以擴充套件為“

（槳葉）剛性（連線在槳轂上的）旋翼

”，同理，鉸接式旋翼其實就叫“

（槳葉）鉸接式（連線在槳轂上的）旋翼

”。

為了保證科學命名規則的統一化而省略掉了括號中的詞句，是造成剛性旋翼誤解的主要原因

。

把這些名詞擴充完整之後，

剛性旋翼

和鉸接式旋翼的對比也就更為直觀了，

兩者最根本的區別是槳葉與槳轂之間的連線方式，而不是看槳葉到底“剛硬不剛硬”

。

在直升機旋翼系統中，廣義上的鉸接式旋翼包括了“全鉸接式旋翼”、“柔性鉸旋翼”和“蹺蹺板式旋翼”（其中區別後續專門寫鉸接式旋翼詳解），這些旋翼槳葉與槳轂之間有全套的鉸鏈連線，包括：

揮舞鉸、擺振鉸和變距鉸

，這些鉸鏈可以使滾子軸承，也可以是彈性軸承，軸承不同，具體旋翼構型的名稱就不同。

在三個鉸之中，變距鉸是用來改變槳距的，這個鉸鏈在變距螺旋槳中也很常見，不算直升機的特色。揮舞鉸和擺振鉸就是直升機的特色了。相比於幾乎始終在同一個平面旋轉的螺旋槳，直升機的旋翼槳葉在旋轉過程中，由於受力不均勻，會存在上下揮動（揮舞）和前後擺動（擺振）等結構運動。

加了鉸鏈之後，這些結構運動的力矩傳遞到鉸鏈就自動平衡掉了，不會再傳遞到槳轂上；那麼沒有這些鉸鏈的剛性旋翼，因為槳葉和槳轂之間是剛性連線，這個力矩就會直接傳遞到槳轂上，這一點有好處也有壞處：好處就是結構簡單、操縱響應更快、操縱功效更強，對應的就是直升機的維護性、機動性更好了；壞處就是槳轂需要有非常高的結構強度來承受這個力矩，這就會顯著增加槳轂的整體重量，並可能產生較大的振動水平。

一般而言，直升機行業中會把沒有揮舞鉸和擺振鉸，但仍有變距鉸的旋翼稱為“

無鉸式旋翼

”；把三個鉸鏈都沒有的旋翼稱為“

無軸承旋翼

”。而顯然這兩種旋翼都屬於“剛性旋翼”的範疇。

剛性旋翼與剛硬的槳葉

從上文的邏輯中可以看出，無論槳葉剛硬不剛硬，都不影響它成為一副鉸接式旋翼的一部分或者一副剛性旋翼的一部分。之所以

部分大眾認知中會把剛性旋翼和剛硬槳葉聯絡在一起，西科斯基的共軸剛性旋翼功不可沒

。

對於大多數直升機而言，材料剛度越高的槳葉，生產製造工藝的難度越大，槳葉的重量也會更大，所以並沒有理由去為剛性旋翼搭配剛硬槳葉。

但是西科斯基的共軸剛性旋翼高速直升機不同，它的槳葉必須設計得很剛硬，才能避免高速飛行下可能的上下旋翼因揮舞而相互擊打問題。從下面S-97的旋翼和卡-52旋翼對比可以看出，為了充分降低旋翼槳轂在高速飛行時候可能產生的巨大阻力，共軸剛性旋翼上下間距是非常小的，這就意味著，如果旋翼的揮舞程度比較大，就很容易打槳。

而隨著直升機前飛速度增大，旋翼槳葉受力不均勻的程度也會增大，旋翼的揮舞程度也因而增大，為了確保在設計速度下，旋翼的揮舞程度能夠被控制在一定範圍內，槳葉必須要足夠剛硬。

當然，在實際飛行中，大展弦比的細長槳葉即便“極其剛硬”，揮擺運動幅度也不會總是很小。這也就是為什麼剛性旋翼搭配剛硬槳葉的西科斯基共軸高速直升機也出現過上下旋翼相互擊打的事故。

可能也正是因為西科斯基的共軸剛性旋翼所展示出的極其剛硬的旋翼槳葉設計，才讓許多人直觀認為剛性旋翼=剛硬旋翼。不過剛性旋翼的歷史要早得多，世界上最早的剛性旋翼直升機是洛克希德公司1959年開始研製的CL-475型直升機，這架直升機的誕生就是為了驗證剛性旋翼是否可行而製造的。

雖然CL-475的剛性旋翼存在著諸如振動過大等一系列的問題，但是該機的研製工作為洛克希德積累了大量的剛性旋翼研製經驗，這些經驗促成了60年代初的洛克希德XH-51型直升機和隨後的一代傳奇AH-56A“夏延”直升機。這些直升機專案雖然最終都無疾而終，但是卻大大推進了剛性旋翼技術的發展，我相信如果沒有這些前置工作，西科斯基也很難在60年代末就開始推進XH-59A高速直升機的研製工作（共軸剛性旋翼的鼻祖）。

小型無人機的“旋翼”

本文的最後一部分簡單聊一下咱們日常生活中最常見的“多旋翼無人機”。這些無人機的旋翼，如果按照我們前文所言的槳轂構型來劃分的話，的確應該屬於“剛性旋翼”的類別。但其實這些尺寸極小的旋翼，本質是“空氣螺旋槳”的類別，而不是“直升機旋翼”，所以放在剛性旋翼中討論並不妥。

有較真的讀者朋友曾經跟我討論過這個問題，並反問我：“既然不能歸類到直升機旋翼，為什麼不能直接叫多螺旋槳無人機（Multi-propeller），非要叫多旋翼無人機（Multi-rotor）呢？”

這其實是一個語義層面的問題。

Rotor

一詞，在牛津大詞典中的解釋是“繞著中心點轉動的機械部件”，你看下面這張圖，全是Rotor（電機的轉子）。

所以，

Rotor

在英文中是一個非常通用的概念，不管是電機、風扇、螺旋槳、旋翼，都可以是

Rotor

。但是，我們更習慣於把主要產生推拉力rotor的叫做螺旋槳，主要產生升力的rotor叫旋轉機翼或者旋翼。這也就形成了中文語境下螺旋槳和旋翼之間的差別：當一個螺旋槳作為主要升力面的時候，我們就將其稱為“旋翼”，但如果一定要對其構型分類的話，將其分類到“螺旋槳”仍然是最佳的選擇。