旋翼系统是直升机的主要升力面和操纵面，也是抑制外部扰动的关键气动面。所以，是时候聊一聊直升机的旋翼系统啦。

旋翼？螺旋桨？

说起直升机，首先得从“旋翼”这个名称说起， 在一些文章、视频中经常会将“旋翼”称为“螺旋桨”，实际上两者并不能混为一谈。就如同： 不适合把“直升机”称为“直升飞机”一样。


从下面的对比表中，应该可以大致了解 旋翼和螺旋桨的差异。


旋翼系统构成

旋翼系统由主轴、桨毂和桨叶组成，如下图所示。


主轴通常是一个空心的圆柱形金属轴，由传动装置驱动并向上延伸。在主轴的顶部是桨叶的安装支点，称为桨毂。这两者也是直接将桨叶载荷传递至机体的重要部件。

桨毂型式

根据桨叶与桨毂的连接型式不同，可以将旋翼系统划分为不同的构型。包括 三个基本的分类： 铰接式、半刚性和刚性旋翼 。

（1）铰接式旋翼

包含挥舞铰、摆振铰和变距铰的桨毂构型，适用于三片或三片以上桨叶。


挥舞铰（ 水 平铰） ：允许桨叶绕其上下运动。摆振铰 （垂直 铰） ：允许桨叶绕其在旋转平面内前后摆动，通常安装阻尼器，以吸收桨叶能量，避免过激的运动和载荷，如下图所示。

变距铰 （轴向 铰） ：允许绕变距轴线转动桨叶，也就是实现桨叶变距。
在常规铰接式桨毂基础上，发展出了操纵功效与之接近的星形柔性和球柔性旋翼，它们均使用一个由橡胶材料和金属隔片组成的弹性轴承，可以让桨叶绕弹性轴承实现挥舞和摆振运动。这种设计消除了常规铰接式的金属对金属接触和润滑的需要，大大减少了维护工作量。

下图为AS350“小松鼠”直升机的星形柔性桨毂和G2直升机的“迅羊”直升机的球柔性桨毂。


（2）半刚性旋翼

由两片桨叶构成。桨毂相对于主轴可以自由倾斜， 两片桨叶作为一个整体上下挥舞，类似于跷跷板，又被称为跷跷板旋翼。具有以下特点：

没有摆振铰，完全依靠桨叶变形来吸收旋转面内的载荷。通常会采用悬挂式构型，以降低摆振面载荷。结构简单，适用于中小型直升机；代表性型号为罗宾逊直升机系列和贝尔直升机系列，但是两家公司的旋翼系统又有所差别。
贝尔公司的旋翼系统仅有跷跷板铰链，旋翼拉力变化时依靠桨叶变形承载，如下图所示。


罗宾逊公司的旋翼系统设计了锥度铰链，旋翼拉力变化时，桨叶绕锥度铰链上下挥舞，如下图所示。


（3）刚性旋翼

取消了铰接式旋翼的三个铰链，桨叶与桨毂刚性连接，依靠桨叶弹性变形实现桨叶挥舞/摆振运动，依靠桨毂内部的弹性扭转实现桨叶变距。如下图所示。


刚性旋翼具有以下特点：

桨毂系统简化，但结构设计要求更高；零件数减少，可靠性有所提高；桨毂重量和阻力有所减小，性能提升；桨叶与机身作为整体运动，操纵响应更快；容易受湍流或阵风扰动，稳定性降低。

随着气动、结构、材料、飞控技术进步，刚性旋翼系统可能会越来越常见。

桨叶

桨叶是一架直升机的关键部件，是毋庸置疑的。甚至可以把直升机制造商是否具备桨叶的自主设计与加工能力作为衡量其实力的标准之一。

直升机发展初期，桨叶制造主要采用木制材料，比如著名的Bell—47型直升机，如下图所示。


然而，木制桨叶存在一系列问题，比如：容易被啄木鸟、扬尘或石子损坏，受潮后容易膨胀，导致振动增加。

在直升机飞行过程中，桨叶始终承担着交变载荷，也就要求必须在某些部位设计得很坚固，又要在其他部位具有足够弹性。

在木质桨叶之后，首先出现了在桨叶前缘包裹 耐腐蚀钢的设计，以帮助控制侵蚀，比如，下图所示的希勒UH -12B直升机桨叶。


进入金属桨叶时代后，重复的弯曲变形会导致金属桨叶破裂，且裂纹会迅速扩散，导致灾难性的事故。 蜂窝技术的引入则大大提高了桨叶的设计技术和寿命，有代表性的罗宾逊R22直升机桨叶剖面如下图所示。


随着复合材料技术出现，复合材料桨叶逐渐成为新桨叶设计的发展方向。碳纤维、玻璃纤维、不锈钢、铝合金、钛等材料被用于桨叶加工中，某直升机的复合材料桨叶剖面结构如下图所示。


基础知识 | 国外直升机的发展特点及未来展望