直升机传动系统的现状与发展研究

佘亦曦 康丽霞 唐朋

摘要：本文介绍了常规构型直升机传动系统的发展现状和复合推力高速直升机传动系统、倾转旋翼构型传动系统、可变转速传动系统、电传动技术等几种极具代表性的新构型直升机传动系统或技术的发展历程、性能参数和技术特点。提出了后续直升机传动系统高功率密度、高可靠性、高安全性、高效率、低噪声和低成本的发展方向，从而得出多种新构型传动系统和传动技术得以应用的趋势。

关键词：直升机；传动系统；技术特点；现状；发展

中图分类号：V233.1文献标识码：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.01.013

直升机传动系统与发动机、旋翼一起并称为直升机三大关键动部件，典型的单旋翼带尾桨直升机传动系统由三器两轴（即主减速器、中间减速器、尾减速器、动力传动轴组件及尾传动轴组件）组成。

從20世纪30年代开始，西方各国均开始对直升机传动系统展开研究，以期提升直升机飞行速度、高度及续航时间。经过多年的研究，常规构型直升机传动系统技术指标已趋于稳定，各类新型传动系统及传动技术成为研究重点并迅速发展。本文将就目前直升机传动系统及传动技术现状与发展进行讨论。

1直升机传动系统技术特点

直升机传动系统是发动机向旋翼及直升机附件提供转速和扭矩的唯一途径，其性能直接影响直升机的安全性、可靠性和先进性。与其他装备上的传动系统相比，直升机传动系统具有输入转速高、减速比大、功率密度（传递功率与重量比）高、传动效率高等特点，研制技术难度相对较大，具体表现在以下几个方面。

（1）传递功率大，承受载荷复杂，又要求重量（质量）轻

直升机传动系统传递功率大，同时需传递和承受直升机旋翼系统的气动载荷、操纵载荷及过载载荷等，交变载荷幅度大，对重量要求苛刻，在强度与重量之间存在取舍。

（2）转子件多，输入转速高，动力学特性复杂

随着发动机技术的发展，发动机的输出转速发展到目前20000r/min以上。在传动系统传动链中，各种不同转速的构件协同运转，工作中激振源多，激振频率非常丰富，系统之间存在振动耦合，系统响应复杂，动力学问题十分突出。

（3）强度裕度低，又要求可靠性和安全性高

传动系统需要具有尽可能长的寿命和足够的安全性和可靠性，但是为减轻飞机自身重量，传动系统一般需要采用减重设计，承载能力需要接近许用极限。

（4）传动链长，传动比大，又要求传动效率高

由于发动机输出转速高、旋翼输出转速低，一般传动系统减速器传动比大、传动级数多，需要具有较高的传动效率。高传动效率的需求对减速器的构型设计、齿轮齿面加工、轴承配置、系统刚度设计、装配精度等要求十分严格。

2发展现状

国际上从事直升机传动系统研发的企业主要有美国西科斯基、贝尔、波音，法国的空客（并入空客前的欧直公司），意大利的莱奥纳多（前阿古斯特-韦斯特兰直升机公司），德国的ZF和俄罗斯的克里莫夫、卡莫夫、彼尔姆等。

各大企业多年积极的投入，促进了直升机传动系统的持续进步。目前，直升机传动系统发展已进入一个新阶段：常规构型直升机传动技术经过多年发展，各项技术指标趋于稳定，难以出现较大突破；复合推力高速直升机传动系统、倾转旋翼构型传动系统等新构型传动系统成为研发重点，各种方案不断发展成熟并进入工程应用；可变速比传动技术、电传动技术等新型传动技术高速发展；新材料、新工艺、新技术不断应用于直升机传动系统设计、加工中。

2.1常规构型传动系统技术

20世纪末至21世纪初，通过采用新的结构、材料、工艺等技术，常规构型直升机传动系统寿命和可靠性得到了大幅提升。经过十余年的发展，各常规构型直升机传动系统的技术指标趋于稳定：国际上主流的常规构型直升机如武装型的AH-64E“阿帕奇卫士”、UH-60M“黑鹰”，通用/运输型的NH90、AW101“灰背隼”、S-92、AW139等直升机的传动系统，减速器翻修间隔期都达到了3000～5000FH；干运转能力都达到30～45min；主减速器质量系数（传递单位扭矩对应的传动系统质量）达到0.060～0.065kg/（kgf？m）；军用直升机尾传动轴在被12.7mm子弹击中后能继续飞行30min，被23mm航炮击中后能安全降落。部分典型直升机传动系统性能指标见表1。

2.2新构型传动系统

在新构型直升机传动系统领域，各大旋翼机制造商积极推进高速直升机、倾转旋翼机、长航时直升机等新型直升机研制工作，提出了复合推力高速直升机传动、倾转旋翼构型传动系统等新型传动系统构型的需求。通过持续不断的研究，新构型传动系统技术方案不断成熟、综合性能不断提高，已成为目前的研发重点。

2.2.1复合推力高速直升机传动系统

复合推力高速直升机在保留常规直升机近地面机动、垂直起降和空中悬停等特点的同时，能实现高速飞行（最大飞行速度超过450km/h），同时具有机动性好等优点，是目前各大直升机公司研究的热点。美国西科斯基公司自20世纪70年代开始研究共轴式复合推力高速直升机，经过XH-59、X2、S-97“侵袭者”等单发机型的研究与验证，技术成熟度逐步提高，已进入产品化，目前正与波音公司联合开展双发机型SB>1“挑衅者”中型通用直升机验证机的研制[1-4]。

复合推力高速直升机传动系统主要有共轴反转主减速器带尾推组件构型或采用一台可同时驱动主旋翼及两侧短机翼螺旋桨的主减速器等不同构型。

共轴反转主减速器带尾推组件构型传动系统，由动力传动轴组件、主减速器、尾传动轴组件和尾推组件组成，主要代表有SB>1高速直升机传动系统。由于既要保证起飞/降落时主旋翼有足够的升力，又要在高速飞行时尾推桨有尽可能大的推力，因此复合推力直升机传动系统在整个空机重量中占比较大，减重设计是目前传动系统的主要研究方向。SB>1高速直升机传动系统采用了先进的铝合金材料、薄壁钛合金旋翼轴、陶瓷滚动体轴承和聚醚酮保持架，尾传动轴组件采用复合材料膜盘与轴管一体化设计，在机匣设计中使用拓扑优化技术等一系列的设计手段，其目的主要是尽可能地降低传动系统重量。

可同时驱动主旋翼及两侧短机翼螺旋桨的主减速器代表为欧洲直升机公司X3高速型复合直升机验证机主减速器。X3验证机采用了一台经过改造的EC175主减速器，当直升机高速前飞时，由于两侧短机翼的升力作用，使主旋翼拉力卸载，主旋翼转速得以降低，桨尖速度降低，直升机飞行速度能够更高。

2.2.2倾转旋翼构型传动系统

倾转旋翼机是一种既具有直升机垂直起降和悬停功能，又具备固定翼飞机高速、高效巡航飞行能力的旋翼飞行器，相对复合推力高速直升机，倾转旋翼机拥有广阔的使用包线，具有高速度、远航程的技术特点，由于可以适应更大吨位的设计，具有更好的经济性[5-6]。从结构上来说，倾转旋翼机发动机布置于机翼尖端，机身内部具有较小的振动、噪声，从而具有较好的舒适性。

目前世界上唯一量产的倾转旋翼机是美国贝尔直升机公司研制的V-22“鱼鹰”倾转旋翼机，意大利莱奥纳多直升机公司也一直在进行着8t级的AW609倾转旋翼机的研究。传动系统是倾转旋翼机关键动部件，它不仅实现倾转旋翼机中复杂的功率传递，还实现旋翼的倾转动作，是倾转旋翼机区别于直升机和固定翼螺旋桨飞机的主要原因。对于倾转旋翼机传动系统，其主要设计难度是需要考虑倾转减速器在0°～90°姿态范围内的过渡并在0°及90°工作姿态长时间稳定工作，且各姿态下滑油系统的适应性设计必须得以保证[7-9]。

近年来，倾转旋翼机的发展思路主要考虑发动机不倾转的技术方案，以降低发动机技术难度和使用过程中的风险，美国陆军未来垂直起降飞行器（FVL）中提出打造倾转旋翼机V-280，其发动机舱固定，和机体保持平行，不随旋翼转动，从而使得吊舱的结构较为简单，在起降时不会有发动机喷口气流干扰，能够和普通直升机一样设置侧面舱口和窗口，便于乘员上下飞机，也可以在舱门部署武器，提高了作战能力。

2.3新型传动技术

在新型直升机传动技术方面，各大旋翼机制造商积极推进可变转速传动系统、电传动技术等新型传动技术的发展。通过持续研究，新型传动技术得到快速发展。

2.3.1可变转速传动系统

常规直升机旋翼系统基本上以100%的工作转速旋转。在直升机巡航状态、飞机重量低于最大起飞重量时，旋翼转速就比需要的值高很多，降低了桨叶的升阻比，产生额外的阻力。降低前飞时的旋翼转速可降低前行桨叶桨尖的合速度，减少前行激波，从而减少阻力和噪声，有利于提高前飞速度和续航能力。

目前具有旋翼变转速功能的在役、在研直升机主要分为发动机变转速和传动系统变速两类，其中V-22“鱼鹰”、AW609、“鹰眼”、S-97、X2等旋翼机采用发动机变转速，A160T“蜂鸟”采用传动系统变速比。相对于发动机可变速，传动系统变速的最大优点是变速范围比较大。

美国波音公司在无人机A160T“蜂鸟”上使用了两挡变速传动系统，根据直升机的任务需求来控制旋翼速度的输出，高速飞行时旋翼转速100%，低速飞行时旋翼转速50%，以实现高效的低功率巡航，降低了旋翼噪声，使其航程（超过2000海里）和续航能力（24～48h）相对于A160无人直升机获得了明显的提升。A160T“蜂鸟”传动系统以复合行星轮系为核心，配合以摩擦离合器和超越离合器，可以实现两挡变速切换。这种构型的功率密度较大，体积较小，可实现的转速调节比较大[10-11]。

2.3.2电传动技术快速发展

在设计常规构型直升机时，为了降低尾桨的功率消耗、增大扭矩，尾桨必须布置于远离主旋翼的直升机尾部，并从传动系统主减速器引出细长的尾传动轴对其进行驱动。由于细长尾传动轴刚度较差，加之来源于主旋翼、发动机和尾桨的激励源非常复杂，容易导致尾传动轴出现异常振动，轻者降低乘员的舒适性，重者将导致传动轴损坏，进而造成飞行事故。如果将直升机尾桨由尾轴-减速器驱动改为电传动方式，取消掉尾传动轴，采用电缆传递电力，就能够消除细长尾传动轴带来的各种弊端。目前，国外正积极开展电传动技术相关研究，2016年12月，莱奥纳多直升机公司已经开始了电动尾桨的地面台架试验[12]；2020年，贝尔公司发布了基于贝尔429型直升机改装的4电动涵道尾桨验证直升机。

除将尾传动改为电动方式外，实现难度更大的则是将主旋翼由减速器驱动改为电动驱动。但即使是最好的电动机传动系统，重量仍然要比目前的传动齿轮箱重10%，功率密度并不占优势；同时，发动机—发电机—电动机传动的传动效率尚无法达到实用要求，如美国垂直起降试验性飞机项目（VTOL X-Plane）第二阶段方案极光公司“雷击”采用罗罗公司AE1107C涡轴发动机为三台发电机和24台涵道風扇提供动力，但最终由于该技术暂不能达到使用要求而取消。

最近，美国俄亥俄州立大学正在开发一种直径1m、功率2700kW、转速2700r/min的环形感应电机，从参数来看已经初步具备了作为直升机主旋翼驱动电机的能力。

3发展趋势

根据直升机对传动系统的需求以及直升机传动技术的发展现状与趋势，为了满足直升机进一步提高有效载荷、战场生存力、寿命和可靠性等要求，一方面要求传动系统性能朝着高功率密度、高可靠性、高安全性、高效率、低噪声和低成本的方向发展；另一方面，为了适应新构型、新概念直升机的发展，传动系统的模式已不再局限于传统的定轴传动、定传动比传动、机械传动等结构形式，共轴反转传动、倾转式传动、可变速比传动、电传动等新构型传动系统和新型传动技术将逐步进入工程应用。为满足未来军、民用直升机综合性能提升和功能延伸的需求，目前传动系统发展趋势主要集中在以下方面：（1）复合推力高速直升机传动系统、倾转旋翼构型传动系统等新型传动系统构型迅速发展并成熟，出现一批满足特定需求的新构型传动系统；（2）可变转速传动系统、电传动技术等新型传动技术得到发展并投入实际使用，满足新概念飞行器的需求；（3）新型金属材料、复合材料的应用及拓扑优化技术等手段的使用将有效降低传动系统重量；（4）通过技术和加工工艺的进步，进一步提高传动效率，降低现有传动系统振动及噪声水平。

4结束语

综上所述，目前常规构型直升机传动技术各项技术指标已趋于稳定，难以出现较大突破，各大研发厂商重点开展了各类新构型传动系统的研发工作，各类方案不断发展成熟并进入工程应用；同时，可变速比传动技术、电传动技术等新型传动技术得到高速发展。

根据直升机需要，未来直升机传动系统将朝着高功率密度、高可靠性、高安全性、高效率、低噪声和低成本的方向发展，同时得益于新构型传动系统的研发，将出现一批满足特定需求的新构型传动系统。

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（责任编辑陈东晓）

作者簡介

佘亦曦（1991-）男，硕士研究生，工程师。主要研究方向：直升机传动技术。

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