全面解析共轴双旋翼技术，未来无人机方向，美国已用在火星车上

赋明通

前言：
在直升机领域，共轴双旋翼的设计受到了越来越多军工设计领域与民用领域人士的重视，因为共轴双旋翼的设计具有传统单旋翼带尾桨直升机设计所无法比拟的优势。
共轴双旋翼优势

因为共轴双旋翼直升机具有安装在同心轴上的上下两副旋翼，在工作中的时候，这俩副旋翼沿相反的方向旋转，而产生的反向扭矩相互抵消，因此在整个飞机力平衡设计上无需尾桨来平衡主旋翼的扭矩，即可在空中保持稳定，并且它的航线操纵是通过改变上下旋翼的总矩来实现的。

▲采用共轴反浆设计的Ka-50黑鲨武装直升机

与传统的单旋翼带尾桨直升机相比，共轴双旋翼直升机由于没有尾桨的功率损耗，因此具有更高的悬停效率。据卡莫夫设计局的研究资料，通常共轴双旋翼直升机的悬停效率要比单旋翼带尾桨的直升机高出17%~30%。

在结构上，由于单旋翼直升机的尾桨部分必须超出旋翼旋转面，因此其机体纵向尺寸较长，在桨盘载荷、发动机和相同的总重下，共轴双旋翼直升机的纵向尺寸仅为单旋翼直升机的60%左右。

▲单旋翼设计的AH-64

因而共轴双旋翼的设计可以大大的缩短整个直升机的长度，由于共轴式直升机的机身可以做的很短，因此其结构重量和载荷均集中在重心处，从而减少了直升机俯仰和偏航的转动惯量，具备较高的加速特性。

由于没有尾桨，共轴式直升机消除了尾桨故障的隐患，在战场上面具有较高的生存率，在后续还可以在机尾加入推进动力系统，让飞行器具备高速飞行的特性。


▎共轴双旋翼技术的发展历程
这种共轴式的直升机构形在20世纪初期就引起了航空爱好者的极大兴趣，并试图将其变成实用的飞行器，但由于当时的人们对共轴双旋翼的气动特性缺乏认识，同时在结构设计上遇到一些难题，最终导致许多设计者都放弃了研究。此后在很长一段时间内，人们对共轴式直升机的探讨都只停留在试验阶段。

▲早期共轴旋翼模型

直到1939年，美国工程师伊戈尔·西科斯基研制成功一款单旋翼带尾桨的直升机VS-300，这也是世界上第一款实用的单旋翼直升机。自此以后，单旋翼带尾桨的直升机以其简单的构造和相对成熟的单旋翼空气动力学理论成为了世界各国直升机发展的主流。

▲西科斯基VS-300

然而，人们发现这种设计具有不少缺陷，因此目光又转向了一直从未停止研究的共轴双旋翼直升机设计。在1940年，苏联成立了第一家专门生产旋翼飞行器的工厂，由尼古拉·卡莫夫担任总设计师，但是这家飞行器工厂由于战争原因，很快就关闭了，但是在这段时间之内，设计师卡莫夫积累了丰富的飞行器设计经验，并开辟了一条研发共轴双旋翼直升机的新时代。

▲尼古拉·卡莫夫

在上个世纪40年代，卡莫夫带领团队成功试飞了世界首款共轴双旋翼直升机卡-8，并于次年在飞行表演中大放异彩，展现出了极佳的机动能力，当时苏联的海军元帅库兹涅佐夫对这架奇特的飞行器产生了浓厚的兴趣，认为这种设计的直升机在海军舰载机应用上具有无可比拟的优势，于是下令组建由卡莫夫领导的直升机设计局。

▲卡莫夫设计局卡-8共轴双旋翼直升机

就这样，传奇的直升机设计局卡莫夫设计局于1948年诞生了。新成立的设计局继续以研制共轴双旋翼直升机为发展方向，并于1949年设计完成了第一架舰载直升机卡-10。

▲舰载直升机卡-10

卡-10直升机继承了早期卡-8的优点，结构紧凑，机动灵活。在此之后，设计局又先后研制了卡-15，卡-18等一系列舰载直升机，取得了丰富的经验。1961年，具有强大反潜能力的卡-25直升机横空出世，其优异的性能让当时苏联的对手们坐立不安。在此后长达30多年的服役中，卡-25衍生出了多种改进型号，并出口到印度、保加利亚、越南等多个国家。

在后来卡莫夫去世后，设计局的第二代“掌门人”米哈耶夫延续了共轴双旋翼的设计理念，于1977年研制出享誉全球的卡-50“黑鲨”武装直升机，它是世界上第一款共轴双旋翼武装直升机，也是世界上第一款装备弹射座椅的武装直升机，卡-50的成功让各国军事专家对共轴双旋翼直升机有了新的认识。


▎早期共轴双旋翼技术存在的弊端
但是俄罗斯的这种共轴双旋翼的设计结构上，存在结构设计不合理造成打浆的隐患，因为共轴反浆双旋翼的纵横向操纵是通过操纵下旋翼自动倾斜器不动环，再通过拉杆机构改变上旋翼自动倾斜器从而使上下旋翼的锥体保持平行的运动，简单的讲就是总距、航向舵机固联在主减速器壳体上，而纵横向舵机固联在总距套筒上，然后随其上下运动。而舵机输出量通过拉杆摇臂、上下倾斜器和过渡摇臂变距拉杆传到旋翼上，使其转过相应的桨距角，以实现操纵的目的。

而上下桨叶则通过桨毂分别与内外转轴固联，其中外轴的外面轴套上套总距套筒，其上又套航向操纵滑环、滑套式转盘和下倾斜器内环，而它们之间可沿轴向相对上下滑动，但是是不能转动的。上倾斜器内环通过滑键与内轴相联，它不仅可沿轴向上下相对运动，还随内轴一起转动。上下倾斜器外环通过扭力臂与上下桨叶同步转动，并有根等长撑杆将它们相联以实现使上下桨叶同步地偏转相同的桨距角。

上倾斜器与上旋翼摇臂支座直接夹固在内轴上，随内轴转动，而下倾斜器与下旋翼间摇臂支座套在轴套上，半差动航向操纵时可上下滑动，其外环随下旋翼一起转动。

这种设计方式也叫作半差动航向操纵形式，目前中国研制的一些共轴双旋翼式直升机大都是采取这种方式，另外共轴式直升机的上旋翼轴和下旋翼轴都是通过内外轴以实现共轴反转的。上下旋翼的内外轴又是通过主减速器内的圆锥齿轮实现换向运动的。因此，主减速器既是动力传递减速装置又是上下旋翼的换向装置，因此对于主轴的设计具有非常高的要求。

另外，根据气动分析，共轴反浆双旋翼的上旋翼在相同功率下的升力会大于下旋翼，例如在一些悬停和低速飞行的状态时，而上旋翼轴相对下旋翼轴又细又长，因此，存在上旋翼轴危险截面的弯扭组合应力远大于下旋翼轴的严重情况，因此如果进行高强度快速机动的时候非常容易造成上下旋翼旋转面重合造成打浆的危险，再加上大部分的结构部件和操作拉杆装置都设计在外部，机械机构大量裸露，会存在容易被击毁和阻力过高的问题。


▎共轴双旋翼技术弊端解决方案
另外还有一种设计方案叫做全差动航向操纵方案，这种方案由于操纵拉杆装置设在轴内，使得整外部操纵机构简单 、干净，上下自动倾斜器在轴向没有运动，这种方式就很好的解决上述的部分问题，不过这种将操纵机构设计在轴内要求轴的内径相对较大，便于安装操纵装置，因此大多数用于大型直升机，例如卡莫夫设计局最先进的共轴反桨双旋翼武装直升机目前都是使用这种方案，而美国的高速直升机方案也大都采用在这种方案并采取刚性旋翼设计，从而解决了上述的大部分问题。

▲波音SB-1高速直升机

目前除了俄罗斯之外，美国、日本等多个国家也相继对共轴双旋翼的气动特性、旋翼间的气动干扰进行了大量实验研究。美国于50年代研制出一款共轴双旋翼无人机QH-50作为军用反潜的飞行平台，并先后交付美国海军700多架。

▲共轴双旋翼无人机QH-50

20世纪70年代，美国西科斯基公司提出了一种前行桨叶概念（ABC），其第一架试验机为S-69，该机采用共轴式旋翼，刚性桨毂，利用上下旋翼的前行桨叶边左右对称来提升旋翼的升力和前进比，并进行了大量的风洞试验。

▲sikorsky s-69共轴双旋翼直升机

2008年，西科斯基公司推出新一代高速攻击直升机X2，再次采用了共轴双旋翼的设计，将主旋翼、推进尾桨和发动机综合一体化，使其性能水平可以达到传统设计的两倍。

但是这种设计方案大部分都是采取机械操作，由飞行员配合飞行电脑进行操作，有时候其整体的作战能力对于飞行员的依赖会比较大，所以在当前国际上无人飞行器作为主流的时代，无人直升机开始作为国内外航空领域的研究热点，也大量采用了共轴双旋翼的设计，比较成熟的有德国的Seamos，俄罗斯的卡-137，加拿大的CL-227等等。


▎国内后来居上
我国近年来在共轴无人机领域也取得了令人瞩目的进步，前面介绍过大部分的共轴双旋翼设计都是采用轴外操纵的方式实现旋翼的操纵，无论是半差动式还是全差动式都需要设计复杂的机械铰链以实现旋翼操纵力矩的传递，而这种结构的机械零件数量多，维护困难，可靠性低，还大量的暴露在外部，这会大大的增加废阻功率和实际使用的时候容易被击毁的可能。

▲操纵系统机械结构裸露在外的Ka-52

国内的共轴技术发展比较迅速，目前主轴外围有些无人机设计上不存在复杂的机械结构，因此阻力较传统操纵小，国际上使用的共轴设计方案除了因为直升机前飞速度受制于后行桨叶失速（后行桨叶失速是指旋翼向后旋转一侧的桨叶前缘处是旋翼切向速度之差，在旋翼转速定时，前飞速度越大，该差越大，而其桨叶前缘的速度会越小，这是很难突破的一个屏障）之外，还会因为外部裸露的机械结构增加飞行阻力，因此国际上除了对主旋翼处理之外，为了提速大部分选择通过增加向前的推进螺旋桨提供额外的推力。

▲尾部增加向前推进螺旋的SB-1

并通过软件配置可实现灵活的桨叶操纵：总距差动，总距同步，周期变距以及周期变距差动，这样的话可依据桨叶的相对位置动态调整操纵关系，可以有效防止打桨的风险，从而实现桨叶的智能化操纵。


▎国内共轴双旋翼技术已应用于无人机领域
目前共轴操双旋翼技术已经应用在国内很多民用无人机领域，包括农业植保无人直升机、电力巡挂、海关缉私、公安维稳、应急减灾、海监海事、地质勘探、地形测绘、科学研究和影视拍摄等领域。

从目前来说，国际上的共轴式直升机的机械结构复杂、造价高，剧烈运动时上下旋翼存在打桨隐患，但其垂直起降、空中悬停、自转下滑的能力是在所有飞行器中效率最高且无法取代的。在相同级别的发动机下，共轴式直升机的有效载荷比单旋翼直升机更大，其机动性更强，更安全，体积相对较小，便于更小的场地起降，在未来无人机的发展领域不可限量。

▲正在测试中的火星直升机，图片来源：NASA

甚至在未来火星探测领域也有采用共轴式直升机，美国宇航局在2020年7月30日，在卡纳维拉尔角空军基地SCL-41工位发射的核动力坚毅号火星车上就携带了一架火星直升机-灵巧号，这架直升机就是采用了共轴双旋翼设计，之所以选择共轴双旋翼，是因为火星距离地球有4亿多公里，无法通过操纵杆直接操控直升机，所以灵巧号的起飞、降落需要自主进行，而共轴双旋翼的操纵比单旋翼更加简单可靠，能满足飞行器他通过算法自主操纵的需要，未来技术储备成熟之后，或许会成为主流也说不定呢？