本文为“直升机旋翼桨叶的挥舞和变距 Blade Flapping and Feathering”的第二篇

# 摆振

虽然Cierva 已经发明了挥舞铰，但是他的自转旋翼机桨叶的问题并没有完全解决。他的飞行器的确能够飞起来了，但是其桨叶却又产生了一个令他很困扰的问题——桨叶老是断裂——而据他的观察，导致桨叶断裂的原因是桨叶在周期性旋转中，受到了巨大的应力和惯性载荷，正是这些力导致了桨叶的断裂。

从挥舞铰中尝到了甜头的Cierva自然而然就开始思考，既然桨叶能装第一个铰，那就能装第二个，我安装了一个水平较解决了挥舞的问题，那我为什么不装另一个铰来解决应力过大的问题呢？于是旋翼桨叶的垂直铰也诞生了，通过这个垂直铰，桨叶就能够在桨盘平面内前后摆动却不会在桨叶上产生巨大的应力了。这个垂直铰就是如今被称为摆振铰的东西，它和挥舞铰一起促成了现代直升机的全铰接式旋翼系统。

图——全铰接式旋翼系统

主要是基于动力学上的考虑，一般来说，两片桨叶的旋翼系统不设计摆振铰。这类的桨叶一般会在桨叶的根部进行加厚处理，让桨根具有足够的结构强度来应对强大的应力，因此能保证旋翼的安全性能。而且大部两片桨叶旋翼都做成了跷跷板模式。也就是说，两片桨叶是连在单一的一个跷跷板铰链上面的，这样两片旋翼就会像一个整体一样进行挥舞运动。

如今有不少直升机设计师都已经研制出了无铰式旋翼，无铰式旋翼的挥舞铰呢，已经由桨毂或者桨叶的柔性部位所取代。这无铰式旋翼的挥舞运动和铰接式旋翼非常相似，因为他们本身就跟前文提到的Cierva橡皮筋模型是类似的，也就是说他挥起的量就和铰接式的挥舞量差不多。但是现在有很多人就根据这种挥舞的特点会不自觉的把无铰式旋翼就称为刚性旋翼，实际上这是一种错误的说法。

图——无铰式旋翼系统

实际上，旋翼桨叶在前行侧受到较大速度之后，逐渐挥起直至旋翼头部而后落下，其实很大程度上决定了旋翼系统的某一动力学特性——共振。从共振的定义上来说，某个系统发生共振，是指它受到外部激励的频率和它的固有频率相同。要想初略的理解共振，可以想象一个小孩坐在秋千上被你推来推去😂

对于中心铰接式旋翼桨叶而言，其挥舞运动的频率，一般来说始终等于旋翼的转速，因而中心铰接式旋翼会始终处于共振中。因而旋翼桨叶最大共振响应位置，应该会比周期性激励的最大值滞后90°。

旋翼挥舞一旦达到了平衡位置，它在每一个方位角站位的桨叶气动合力导致的挥舞铰力矩应该为零，因而，桨叶周期性旋转与挥舞的合结果，就会形成一个稳定的桨尖轨迹平面，这个平面相对于旋翼轴的位置是保持不变的。但是一旦旋翼的飞行状态发生了改变，旋翼受力发生变化，旋翼桨叶的挥舞就会重新进入一个新的平衡位置，桨尖轨迹片面因此也会发生改变。

# 横向挥舞

在前后向（或者说纵向）之外，由于直升机前飞导致的旋翼机流速度分布不均匀，同样会导致桨叶挥舞平面有一个向侧方倾倒的趋势。就和纵向挥舞一样，横向挥舞也是由气动载荷不均匀分布导致的。一般来说横向挥舞，主要是受到了锥度角的影响。直升机前飞过程中，气流迎着桨盘吹来，由于锥度角的存在，旋翼头部的桨叶将会受到一个向上气流作用，而旋翼尾部的桨叶将会受到一个向下气流的作用，两者的气动激励滞后响应就会导致旋翼的横向挥舞。

图——旋翼横向挥舞

按照前文所说的响应滞后90°的理论可以想象到，当旋翼桨叶在头部180°方位角受到向上的激励之后，桨叶挥起，直到后行侧270°方位角处达到最高点，之后缓缓落下，在尾部0°方位角又受到向下的激励，因而滞后90°，到前行侧90°方位角达到横向最低点，从而使得整个桨尖轨迹平面有一个侧倒的角度，这个角度一般被称为挥舞侧倒角。

# 挥舞对飞行品质的好处

旋翼挥舞，还有另外一项值得关注的好处：这一项好处能使得直升机在阵风天气飞行比固定翼飞机要来得更为稳定。其原因就是，旋翼桨叶的独立挥舞直接就抵消了这个阵风的影响，因而直升机的机体受阵风扰动很小。对于固定翼飞机就不一样了，阵风作用在机翼上将产生较大的气动力，而这个气动力将会直接传递到机身上，因而机身将受到剧烈的影响。这种阵风抵消作用曾在尺寸大小差不多的直升机和固定翼飞行器上面进行过测试，仪表结果也表明直升机在阵风天气确实具备更佳的飞行品质。如果觉得想象有困难的话，可以直接想象机动车车胎与车身之间装不装独立悬挂系统进行越野骑行😏

# 旋翼控制

在早期的自转旋翼机设计中，旋翼只是被当成一种升力装置来提供飞行器的升力而已，挥舞铰和摆振铰的出现都只是为了解决旋翼本身的不平衡性问题，而全机的俯仰、滚转、偏航等控制都是通过操纵机翼、垂尾、平尾上的副翼或舵面来实现的，可想而知，这种操纵方式在低速状况下的效率有多低。

不得不说，Cierva终究是一位伟大的工程师，他发明了一种机构，可以直接将他的自转旋翼机的旋翼轴拉动，使之倾转，这样，旋翼的拉力矢量方向就可以改变，从而使得这架自转旋翼机的俯仰和滚转操纵可以通过旋翼来实现，大大提升了低速操纵功效。

# 周期变距

对于小型的自转旋翼机而言，直接进行旋翼轴操纵还是能够实现且实用的（目前仍有不少轻小型自转旋翼机在应用这种操纵方式），但是随着航空器越来越大，将整个旋翼轴直接倾转所需要的力也越来越大，要想继续操纵旋翼轴已经不现实了。

在这种情况下，一种名为“周期变距”的旋翼操纵方式应运而生。

这种操纵方式如今已经是旋翼标配了。所谓周期变距，就是周期性地改变旋翼的桨距以满足飞行需要。为了周期性改变桨距，设计师给旋翼桨叶又设计了一个变距铰，周期变距操纵杆连接到自动倾斜器再连接到旋翼桨叶，通过操纵变距杆，桨叶就会绕着变距铰转动，从而实现桨距改变。

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图——自动倾斜器

当自动倾斜器的圆盘保持和旋翼轴垂直时，桨叶的桨距不存在周期性变化，而一旦自动倾斜器倾转，桨叶的桨距将随着旋翼的周期性旋转而进行周期性变化。

值得注意的是，周期变距操纵也是有滞后效应的，所以虽然对驾驶员而言，向前推杆会使得旋翼桨盘前倾，但这是因为变距传动杆所连接的桨叶有一个相位提前角，对于大多数直升机而言，这个角度是90°，而某些三片或者五片桨叶的直升机则不同。

# 挥舞与变距等效

在旋翼分析中，挥舞与变距等效是一个重要的概念。其原理就是通过周期变距，可以实现与挥舞等效的气动力平衡。举个例子来说，现在一架直升机在前飞过程中，通过改变周期变矩量，使得旋翼桨尖平面垂直于旋翼轴——也就是说这时候，旋翼桨叶没有相对于挥舞铰的运动——那么在这种情况下，是不是可以不需要挥舞铰了？由此，通过等效的变距作用，一架全铰接旋翼完全可以改造成一架无铰式旋翼。

来源：知乎 www.zhihu.com

作者：丁尹

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