S76C 直升机旋翼系统动力学特性分析与振动控制策略

1 S76C 直升机旋翼系统概述

S76C 直升机运用复合桨叶与弧形低噪尾桨构造，此构造既能降低飞行时的噪音，又能对旋翼系统动力学性能起到积极作用。其动力装置配备两台透博梅卡 Arriel 2S1/2S2 发动机，单台功率为 856/921 马力，能为旋翼系统提供充沛动力，保障其在不同飞行状况下稳定运转。

2 旋翼系统动力学特性分析

2.1 不同结构形式的旋翼动力学特点

铰接式旋翼：S76C 直升机旋翼系统具备典型的铰接式特点。在此结构中，桨叶能进行挥舞、摆振和扭转三个自由度的运动。就桨叶挥舞特性而言，其基阶模态是零阶模态，即桨叶做刚性挥舞振动。水平铰外移量为零时，零阶振型呈直线；外移量不为零时，一阶振型有轻微弹性挠度。桨叶摆振特性与挥舞类似，零阶摆振为刚体摆振，弹性变形可忽略，其固有频率受结构刚度影响增大，离心力影响减小。桨叶扭转特性较复杂，转速变化时固有扭转频率变化小，基阶（一阶）模态主要受根部操纵线系弹性约束和桨叶自身扭转刚度影响。

其他结构形式对比：与铰接式旋翼不同，跷跷板式旋翼每片桨叶无单独水平铰，挥舞运动靠中心铰链实现。这种结构在挥舞和摆振方面有独特振型特性，旋转面会产生频率为1Ω的科氏力，给直升机机体带来频率为2Ω的水平激振力，是严重振源。柔性铰式旋翼动力学特点介于铰接式与无铰式（无轴承式）之间，挥舞面接近铰接式，摆振面接近无铰式。无铰式和无轴承式旋翼桨叶根部为固支，动力学固有特性基阶模态均为一阶，设计时要特别注意摆振一阶固有频率与激振力谐波的距离，避免产生较大交变弯矩。

2.2 影响旋翼动力学特性的因素

桨叶参数：桨叶的几何形状、质量分布、扭转刚度等参数对旋翼动力学特性影响明显。比如，桨叶挥舞铰外移量会影响挥舞固有频率，外移量越大，挥舞固有频率越高。桨叶扭转刚度决定其扭转固有频率，扭转刚度越高，扭转固有频率越大。

旋翼转速：旋翼转速是影响动力学特性的关键因素之一。旋翼转速增加，桨叶气动载荷和惯性力会改变，导致挥舞、摆振和扭转固有频率变化。例如，旋翼转速增加会使挥舞固有频率升高，可能使旋翼系统更接近共振状态，影响直升机飞行稳定性。

外部气动环境：直升机前飞时，桨叶附近气动环境复杂不稳定。不同方位角桨叶气动载荷瞬间不对称，前行桨叶与后行桨叶因相对风速差异升力不均，引发桨根交变弯矩和旋翼不平衡力矩，进而影响旋翼系统动力学特性。

3 旋翼系统振动产生原因

3.1 外部激振力

外部激振力是引发直升机振动的一大关键因素。直升机地面滑跑时，地面不平整引发的颠簸，会以特定频率对机体产生激励，致使机体振动。发动机运转时也会产生振动，若其振动频率与直升机固有振动频率相近或相同，便会引发共振，使直升机振动加剧。

3.2 内部固有振动频率

直升机机体自身存在固有振动频率，当外部激振力频率与之相等或接近时，就会产生共振。比如，若直升机固有振动频率为每秒一千次，当发动机振动频率或地面颠簸激振频率接近每秒一千次时，直升机就会像特定历史中那座被军队通过而剧烈晃动的桥梁一样，出现剧烈振动与摇晃，严重影响飞行安全。

3.3 旋翼气动载荷不对称

直升机前飞时，因桨叶处于不同方位角的气动环境有别，前行桨叶与后行桨叶升力存在差异，造成旋翼气动载荷不对称。这种不对称气动载荷会使旋翼产生不平衡气动力矩，进而引发直升机振动。且前飞速度越大，这种不对称现象越显著，振动问题也更突出。

4 振动控制策略

4.1 被动振动控制技术

最优调频：借助调节旋翼系统的结构参数，像桨叶质量分布、刚度等，让旋翼系统的固有频率偏离外部激振力频率，以此规避共振。比如精心设计桨叶结构，改变质量分布，可调整旋翼挥舞、摆振固有频率，使其与发动机及地面激振频率错开，降低振动。

3P/5P 吸振器：在直升机主桨毂上部安装3P/5P 吸振器，利用其共振特性，吸收外部激振力产生的振动能量，减少传递至机体的振动。它一般由配重块、X 型臂和摆钟型枢轴构成，调整参数能在特定频率范围发挥最佳吸振效果。

旋翼隔振：用隔振装置隔开旋翼系统与直升机机体，减少旋翼振动向机体传递。如在旋翼与机体连接处安装隔振器，吸收衰减旋翼振动能量，降低机体振动。

4.2 主动振动控制技术

振动仪控制：通过S76C 专用振动仪，以高精密传感器和精确算法精确计算振动产生的原因以及调节方法，按照振动仪所给数据合理调整配重片、变距拉杆和调整片，将振动值控制在0.2LPS 以内。

高阶谐波控制（HHC）：HHC 于非转动倾斜盘上实施，通过改变旋翼桨距角主动控制振动，能在特定频率有效降低直升机振动。但该技术功率需求大、激励频率受限，仅能控制特定频率振动。

单桨叶控制（IBC）：IBC 技术把作动器单独固定在每片桨叶上，可任意控制每片桨叶桨距角，能控制任意频率振动。与HHC 相比，克服了其局限，但连接作动器到旋转结构并控制有难度，结构复杂、重量增加，受液压等因素限制应用。

主动变距拉杆：主动变距拉杆激活压电作动器自适应改变系统刚度，降低旋翼振动。智能弹簧作为其应用，置于操纵杆和旋翼倾斜盘间，替代传统变距拉杆，能依旋翼振动实时调整刚度，抑制振动传至机身。

结束语

本文对S76C 直升机旋翼系统的动力学特性进行了深入分析，探讨了不同结构形式下旋翼的挥舞、摆振和扭转特性，以及影响动力学特性的关键因素。同时，分析了旋翼系统振动产生的原因，包括外部激振力、内部固有振动频率和旋翼气动载荷不对称等。针对振动问题，提出了基于被动和主动技术的振动控制策略，如最优调频、3P/5P 吸振器、振动仪控制、高阶谐波控制、单桨叶控制和主动变距拉杆等。通过合理应用这些振动控制策略，可以有效降低S76C 直升机旋翼系统的振动水平，提高直升机的飞行性能、稳定性和安全性，为S76C 直升机的实际应用提供有力支持。未来的研究可以进一步优化振动控制策略，结合先进的智能材料和传感器技术，实现更精确、高效的振动控制。

参考文献

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