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旋翼飞行器|设计权衡，面向实战需求，揭秘美军下一代重型两栖直升机CH-53K( 二 )


-通过风洞测试验证主旋翼桨叶性能的评估；
-全尺寸的原型主旋翼阻尼器风险降低测试；
-主传动套筒轴风险降低测试
旋翼飞行器|设计权衡，面向实战需求，揭秘美军下一代重型两栖直升机CH-53K
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图4“种马王”直升机方案设计中的关键技术要素
“种马王”系统介绍——设计细节的权衡
CH-53K的“心脏”是主旋翼动力系统 。 为了满足KPPs所提出的载荷和航程指标——比“超级种马”CH-53E高两倍以上的性能——CH-53K的主旋翼“快速更换总成”（QCA；QuickChangeAssembly）重量达到了12000磅 ， 如图5所示 。 该系统的设计既要确保它能够吸收来自3台6000轴马力级别的发动机的输出功率 ， 同时还要确保鲁棒性、高可靠性和低维护需求 。 在CH-53E直升机的操作过程中 ， 美国海军陆战队发现有超过60%的作业和维护成本都花费在该机的旋翼、传动和推进系统上 。 为了能够大幅度降低作业和维护成本 ， 项目团队在这些系统的全新设计中引入了大量的现代化技术 。
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图5“种马王”直升机主旋翼“快速更换总成”系统
主传动系统采用的是“扭矩分离式”布局 ， 其最大起飞功率超过了17000马力 。 “扭矩分离式”传动系统的好处就是能够确保这部分子系统在充分传递发动机功率的同时 ， 确保其重量和尺寸维持在一个较低的水平 。 按照项目团队额评估 ， 采用类似于CH-53E的行星齿轮式变速箱的话 ， 这部分传动系统的重量将会多出500到800磅 ， 并且尺寸会更大 。 变速箱壳体的主材质由镁改为了铝 ， 以提高其耐腐蚀性 ， 和易加工性 ， 并且采用了一种改进的与钛传动梁的联接方式 。 传动轴附件的紧固件设计成可以从机舱内部触及 ， 从而提升了传动系统的可维护性 。
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图6主旋翼传动轴示意图
项目团队对该机的主旋翼系统（如图7所示）载荷的评估认为其量级将会达到CH-53E直升机的1.5倍左右 ， 那么全新的旋翼系统首先要能够承受这些强载荷 ， 同时也要保证其可靠性和可维护性 。 由此 ， CH-53K的旋翼系统采用了弹性焦轴承和钛制桨毂、桨根套筒和全新的旋转式粘弹减摆器 。 在旋翼桨叶折叠系统中 ， 项目团队在液压系统和电控系统中进行了权衡之后还是选择了液压系统 ， 这主要是考虑到舰载作业高海况的条件下 ， 桨叶折叠时候可能会面临极高载荷的问题 ， 这种情况下液压系统的可靠性更好一些 。
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图7“种马王”直升机主旋翼桨毂示意图
在提出将CH-53K的负载和航程性能指标提升一倍以上的同时 ， 美国海军陆战队还要求CH-53K必须要保持H-53系列直升机出色的舰载兼容性 ， 这就意味着新的重型直升机不能够增加旋翼的尺寸 。 为同时满足这两个要求 ， 最关键的还是要大幅度提高旋翼桨叶的气动性能 。
其实西科斯基公司一直都在致力于发展改进的旋翼桨叶气动设计 ， 其中最具代表的就是他们近十几年来一直在致力推进的“第四代旋翼”项目 ， 在该工作中 ， 西科斯基公司将改进的翼型及其分布、桨叶平面形状和桨尖三维外形都纳入了设计体系 。 应用这种新技术的打造的高性能旋翼桨叶安装到CH-53K直升机上之后 ， 相比常规的旋翼桨叶系统 ， 在悬停状态下能够多提升5000磅左右的负载 。 “第四代旋翼”项目的一个重点就是对旋翼桨尖三维外形进行改进设计 ， 如图7所示 ， 除了设计方面的挑战之外 ， 由于桨尖还存在着高载荷的情况 ， 如何将桨尖段与旋翼主梁相连接 ， 对于西科斯基CH-53K项目团队的结构工程师来说也是一个不小的挑战 。
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图8“种马王”直升机主旋翼桨尖设计
在开展CH-53K直升机的设计工作之前 ， 西科斯基公司就已经开始了新型旋翼桨叶的风洞吹风试验 ， 以此来确保旋翼桨叶的性能符合预期 。 新的桨叶系统还淘汰了西科斯基公司早年发展的已经略显“陈旧”的“桨叶检查方法”（用以检查桨叶裂纹）系统 ， 并采用了改进的防腐蚀保护机制来提升可靠性 。
CH-53K的尾桨系统的设计也得到了改进 。 在CH-53E上采用的主要还是油润滑的尾桨系统 ， 而在CH-53K上 ， 西科斯基公司采用的是一种与西科斯基其他现代化直升机型号类似的尾桨系统 ， 这种尾桨系统采用了面内刚性的柔性梁设计 。 这种柔性梁尾桨采用了全新的复合材料桨叶 ， 桨叶采用了先进的翼型设计来提升气动效率 ， 此外 ， 尾桨的桨叶弦长也增大了6% ， 以此来提供更好的抗弹击损伤容限 。
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图9“种马王”直升机的尾桨系统示意图
为给上述这些系统提供足够的动力 ， 项目团队最终敲定采用6000轴马力级别的涡轴发动机 ， 通用电气的GE38-1B成为了最佳选项 。 GE38-1B能够在海平面输出的轴马力超过7500hp ， 并能够全飞行包线内为该机提供充足的动力需求 ， 其中包括KPPs中所提出的3000英尺（约914.4米 ， 一英尺≈0.3048米 ， 下同）海拔高度 ， 91.5华氏度（约33℃ ， 0℉≈-17.8℃ ， 下同）的环境条件 。


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