重型運輸直升機傳動系統構型與技術特點

■ 鄭青春 嚴岳勝 張志龍 孫炫琪/中國航發動研所

重型運輸直升機載重大、運輸效率高，可以在野外垂直起降、懸停作業，在軍、民用領域具有無可替代的重要作用。通過分析與對比典型在役的重型直升機傳動系統構型，可以歸納總結出重型直升機傳動系統的相關技術特點，為重型直升機傳動系統的研發提供技術儲備。

重型運輸直升機是指起飛質量大于20t的直升機，它的出現可追溯至20世紀60年代。重型運輸直升機用途十分廣泛：在軍事領域，可在空中機動、全縱深機動作戰中大量、機動地運送兵力及重型裝備直達戰場，也可為海上艦隊進行垂直補給；在民用領域，可用于應對各種自然災害和特殊需要，尤其對于山地、高原等特殊地理環境，重型直升機可以克服地形限制，快速、機動、便利地解決運輸、補給、搜救等應急需求問題，能在重大自然災害中發揮巨大作用。

單旋翼帶尾槳重型運輸直升機

重型運輸直升機發展狀況

重型運輸直升機可以采用多種構型，主要包括單旋翼帶尾槳、縱列式雙旋翼，以及傾轉機翼/旋翼3種類型。國際上目前在役的重型直升機主要有俄羅斯的米-26系列，美國的CH-47系列、CH-53系列以及傾轉旋翼機V-22、AW609等。據統計，全世界重型直升機的保有量約為1700架。

重型運輸直升機構型分類

單旋翼帶尾槳重型運輸直升機

此類直升機主要有米-26、CH-53系列。

米-26是蘇聯米里設計局(現米里莫斯科直升機股份公司)研制的重型運輸直升機，是現役的載重能力最強的直升機，最大起飛質量達56t。該型直升機于1971年開始研制，1978年2月21日首飛，包括米-26、米-26A、米-26T、米-26M等11種型別，已生產300架左右，并出口到20多個國家和地區。主要用于運送大型軍事裝備、武器彈藥和其他軍用物資，也用于森林防火和邊遠地區的地質勘探開發。

CH-53系列運輸直升機由美國西科斯基公司研制，具有多種改進型，其中CH-53E是西方國家研制的尺寸和載荷最大的直升機，最大起飛質量超過30t。該型直升機于1971年開始研制，總交付量為238架，主要裝備于美國海軍，遂行艦隊垂直補給、預警偵察或反潛巡邏等任務。

CH-47“支奴干”縱列雙翼直升機

V-22“魚鷹”傾轉旋翼機

縱列式雙旋翼運輸直升機

此類直升機主要為美國CH-47“支奴干”系列直升機，由美國波音公司于1956年開始研制，A型機于1963年開始裝備部隊，后續又開發出B型、C型、D型、F型等衍生機型，現已銷往16個國家和地區，總交付量達1100余架。該運輸直升機采用的是縱列式雙旋翼結構，剔除了一般直升機采用的帶有尾部垂直螺旋槳構型。按美國陸軍全天候運輸直升機要求設計，可以在極端的高溫高原條件下完成運輸任務，在美英等國軍隊中得到了廣泛應用。

傾轉機翼/旋翼直升機

此類直升機具有多種工作模式：在起降、懸停階段為典型旋翼機模式；在巡航階段，可轉換為固定翼飛機模式進行高速飛行。其優點是速度更高，缺點是實現起降、懸停至巡航狀態轉換的技術難度大。根據轉換后旋翼的運動狀態，轉換式高速旋翼機可分為停轉式和傾轉式兩種。典型代表有V-22“魚鷹”傾轉旋翼機、AW609傾轉旋翼機。其中V-22“魚鷹”傾轉旋翼機是目前在役的唯一一型傾轉旋翼機，最大起飛質量約26t，也屬于重型運輸直升機范疇，該機于2005年9月開始生產，主要裝備于美國海軍和空軍，用于戰場搜索、特種作戰和艦隊后勤及遠距離特種運輸。

重型運輸直升機傳動系統典型構型分析

單旋翼帶尾槳構型傳動系統

單旋翼帶尾槳構型傳動系統結構相對簡單，是一種經典的直升機傳動系統構型。直升機升力僅由主旋翼提供，尾旋翼僅平衡直升機反扭矩。其傳動系統一般采用“兩軸三器”結構，由主減速器、中間減速器、尾減速器、動力軸、尾軸組成一個完整的傳動系統，部分直升機還會在主減速器和發動機之間安裝一級頭部減速器進行減速換向。對于這種單旋翼帶尾槳構型傳動系統，發動機功率主要傳遞給主減速器，由主減速器實現大功率、大轉速比傳動，主減速器的設計是這類構型設計的關鍵。為滿足主減速器的大功率流、大轉速比，并實現航空減速器所需要開展的減輕質量設計要求，主減速器一般須采用分扭傳動，將發動機傳遞的功率通過分流再并車。單旋翼帶尾槳構型傳動系統的典型機型為米-26直升機主減速器和CH-53K直升機主減速器。

米-26直升機傳動系統由兩臺發動機提供動力，每臺發動機動力均為3級減速傳動實現功率流、轉速比傳遞。發動機動力經第一級螺旋錐齒輪副換向減速后分成兩路功率流，再經兩路斜齒輪功率分流減速，到第三級時再由斜齒輪并車。并車齒輪為雙聯斜齒輪，每層有8個小齒輪與中心齒輪相嚙合。所有齒輪系統間均采用空心的浮動彈性花鍵軸連接和均載，以保證扭矩分流的均勻性。由于輸入功率大，米-26直升機的主減速器放棄了傳統的行星傳動結構，首次采用了分扭傳動結構。這種結構的設計特點是可以實現最后一級減速的大傳動比，從而大大減輕主減速器的設計質量。

CH-53K直升機傳動系統則是在CH-53E的基礎上重新設計了傳動系統，發動機由原來的2臺增加為3臺，傳動系統在保持原來輸入/輸出轉速和轉向不變的情況下，取消CH-53E的兩個頭部減速器，主減速器則用分扭傳動構型替換了原有傳統的行星輪系結構，由第一級螺旋錐齒輪進行換向減速，第二級經直齒輪分流減速，每一臺發動機的功率分為4路傳遞，并設計有彈性軸結構實現各類功率的均載，最后再由第三級人字齒輪副實現并車減速，將功率傳遞至主旋翼系統。這種設計結構同米-26直升機的主減速器一樣，均在最后一級減速實現了大傳動比設計，從而大大減輕主減速器的設計質量。

米-26直升機主減速器傳動鏈示意圖

CH-47D直升機傳動系統結構示意圖

縱列式雙旋翼構型傳動系統

縱列式雙旋翼直升機在機身前后各設計有一個旋翼塔座，兩副相同的旋翼分別安裝在兩個塔座上，對旋翼旋轉方向進行反向設置，實現直升機旋翼反作用扭矩的相互平衡。縱列式雙旋翼直升機典型機型為CH-47D，該直升機采用兩臺發動機提供動力，其傳動系統可從功能上劃分成頭部減速器、并車減速器、前主減速器和后主減速器等，各減速器間由傳動軸相連接進行運動和動力的傳動。兩路發動機動力經各動力軸、頭部減速器換向和減速后，由并車減速器實現左/右發動機的功率流匯流，再通過同步軸驅動前/后主減速器，在前/后主減速器中均設計有3級減速傳動，包括經一級錐齒輪換向減速和兩級行星減速后，將動力傳遞至前/后旋翼系統。

傾轉旋翼構型傳動系統

傾轉旋翼構型傳動系統主要由左/右發動機、左/右旋翼減速器、左/右傾轉減速器、中間機翼減速器以及塔軸、機翼傳動軸等組成。傾轉方案通過發動機、減速器與旋翼一同繞機翼傳動軸傾轉，傾轉運動則由一對螺旋錐齒輪實現。為抵消反扭矩效應，在旋翼減速器中通過增加惰輪結構實現轉向的改變，從而在發動機輸出轉速相同的情況下使旋翼獲得方向相反的轉速。V-22傾轉旋翼直升機和AW609傾轉旋翼直升機傳動系統構型布局相似，其中V-22旋翼減速器采用3級減速傳動，包括一級斜齒輪傳動和兩級行星齒輪系傳動。AW609旋翼減速器同樣由3級減速傳動組成，只是前兩級為人字齒輪傳動減速，第三級為行星齒輪傳動減速。

V-22“魚鷹”傾轉旋翼傳動系統

重型運輸直升機傳動系統技術特點

減速器采用多路分扭傳動

因重型運輸直升機傳動系統起飛質量大，對傳動系統功率傳輸能力要求高。同時受結構空間和質量限制，傳動系統須盡可能減少結構尺寸、減輕結構質量，為滿足這一要求，在主要的重型傳動系統中普遍采用分扭傳動，如米-26、CH-53K采用的是斜齒輪或人字齒輪分扭傳動，CH-47D、V-22、AW609中采用的是行星齒輪傳動。分扭傳動設計技術較為復雜，在各路功率流間如何實現均勻分配，須設計有效的均載結構。

減速器須滿足大姿態傾轉要求

大姿態傾轉是傾轉旋翼傳動系統所獨有的技術特點，不同于常規構型直升機的大姿態機動，其工作姿態范圍在0°～90°。因此，相較于常規的直升機主減速器潤滑系統，傾轉減速器滑油油位隨姿態變化幅度更大，回油路徑數量更多、更復雜，油池內滑油分布和不同位置處回油速率受多種因素影響。而且當潤滑系統的參數不匹配時或回油不暢時，容易導致滑油壓力和流量隨姿態大幅度波動，甚至出現斷油現象。

減速器須承受大功率載荷下的干運轉

因為沒有冗余結構設計，傳動系統的失效將直接影響到直升機的生存。在潤滑系統失效的情況下，傳動系統主減速器將會進入干運轉狀態，齒輪、軸承等摩擦副將迅速產生大量熱量引起零部件熱變形，從而導致減速器運轉失效。重型直升機傳動系統的傳遞功率大，在滑油系統失效條件下工作環境將更加惡劣，為保證滑油系統失效后減速器仍具備30min的干運轉能力所需的技術難度更大，須從潤滑、儲油構型、齒輪軸承耐高溫能力等方面采用更有利于提高干運轉能力的措施。

功率傳遞路徑多

功率傳遞路徑多是傾轉旋翼傳動系統所獨有的技術特點，對于單旋翼帶尾槳構型和縱列式雙旋翼構型直升機傳動系統，發動機動力經并車后只需分別單向傳遞至兩側主旋翼或尾槳，而傾轉旋翼傳動系統則必須具有功能及結構復雜的互聯傳動系統，須將直升機兩側動力連接或將動力均勻傳遞起來，滿足功率的雙向傳遞，使之在雙發工況、單發失效工況下均能正常運轉。

構件尺寸大、結構復雜

重型運輸直升機由于傳遞功率大，結構載荷復雜，相比其他中型、輕型直升機傳動系統零部件結構的尺寸大，結構力學指標要求高，對設計、工藝、生產、檢驗等要求也更高，同時部分零部件尺寸會超出航空制造企業的制造能力范圍。

結束語

傳動系統作為直升機的三大關鍵動部件之一，研制技術復雜，難度大。同時傳動系統還具有單機配套的特點，受直升機整體布局影響大，隨著重型運輸直升機采用的構型不同，對應的傳動系統也會存在差異。但通過對比分析，仍可找出一些共性的或專有的技術特點，并可從這些技術特點出發，為重型直升機傳動系統的研發提供技術儲備。