直升機振動水平過高一直是直升機工業面臨的最嚴峻的挑戰之一。由于直升機非線性、非定常的氣動力與旋翼槳葉之間的氣動彈性耦合，旋翼在揮舞、擺振以及扭轉方向產生了較大的振動，并由旋翼傳遞至機體，從而導致了直升機較大的整體振動和噪聲水平。過高的振動水平不僅會引起機體結構的疲勞破壞，影響機載設備的正常工作，還有可能嚴重影響乘員的乘坐品質以及降低武器系統的使用效能。因此，對直升機振動水平的準確預估和有效控制一直是直升機從設計、研制到投入使用整個過程中必須考慮的重要問題。

主動控制旋翼由于能夠使旋翼實現大幅度的減振降噪，目前已成為直升機減振降噪設計的重要發展方向。主動控制旋翼是指通過實時操縱直升機旋翼槳葉上的舵面或槳葉迎角，來降低槳葉振動、噪聲水平，提升氣動性能的旋翼技術。主動控制旋翼由于能夠根據實時調整槳葉迎角，因而能夠改善其在復雜變化的氣動環境下的受力狀況，從而起到減振降噪、改善氣動性能的效果。目前主動控制旋翼的研究主要集中在高階諧波控制（HHC）、獨立槳葉控制（IBC）和主動后緣襟翼控制幾個方面。

目前，世界上多個直升機制造商、科研機構和高校都在開展主動控制旋翼的相關研究，并取得了大量研究成果。下面介紹一些近年來值得關注的研究方向。

主動控制格尼襟翼技術

主動格尼襟翼是近年來主動控制旋翼技術研究的一個熱點方向，其通過在槳葉后緣加裝可實時控制的格尼襟翼，提高旋翼槳葉的氣動性能。目前，包括密歇根大學、麻省理工、賓州州立大學、萊昂納多直升機公司在內的多家高校、研究機構和工業部門都開展了這一領域的研究。

格尼襟翼是位于機翼后緣并與當地氣流方向垂直地伸出表面的一塊小板。它在增加升力的同時產生的附加阻力最小。在20世紀70年代早期，丹·格尼首先在一輛賽車的后風翼上安裝了以他名字命名的裝置以增加賽車的抓地力。格尼襟翼通常布置在機翼下表面后緣，伸出蒙皮的長度為1%~2%弦長長度。它能產生逆時針旋轉的渦，同時增加下表面的壓力并減少上表面的壓力，從而導致升力的增加。這個逆時針旋轉的渦有助于附面層在后緣的附著同時在付出極小阻力增量的前提下增加最大升力系數。

美國密歇根大學開展了針對主動格尼襟翼的研究，其設計并試驗了一套格尼襟翼槳葉，襟翼尺寸約為弦長的1%~3%（可變），安裝在槳葉后緣。該技術能夠有效提高旋翼氣動效率，其最大升力系數提高了約30%，同時通過控制襟翼運動，還能夠降低槳葉振動和噪聲水平。

研究者們對使用1.5%弦長主動格尼襟翼的旋翼在進速比為0.15狀態下的噪聲和振動水平進行了試驗，對襟翼的控制則采用高階諧波控制算法（HHC）。試驗結果表明，雙格尼襟翼槳葉能夠降低前行和后行槳葉2dB噪聲，4/rev垂直振動水平降低34%；5格尼襟翼構型能夠降低3dB前行槳葉噪聲和4dB后行槳葉噪聲，4/rev振動水平降低55%；采用雙后緣襟翼（20%弦長）構型的方案能夠降低4/rev振動51%，但降噪效果不及格尼襟翼；格尼襟翼高度為槳葉弦長0.85%時，能夠達到非常好的減振效果（89%），同時還能夠減少2.3%的旋翼需用功率。

工業界方面，萊昂納多直升機公司（原阿古斯塔-韋斯特蘭公司）也在歐盟“潔凈天空”計劃支持下正在開展主動格尼襟翼技術的研究。該研究的主要目標是提高旋翼的氣動效率，降低需用功率，從而降低全機的碳排放；此外，該技術還能夠降低旋翼的噪聲水平。其格尼襟翼位于葉片后緣98%弦長位置處的下表面，垂直于弦長方向，長度為弦長的2%。它可以折疊貼在葉片下表面，使用時打開，通常在一個旋轉周期內收放一次。公司宣稱，該技術能夠使旋翼的氣動性能提高3%~5%。2016年12月，萊昂納多集團啟動了該技術的地面試驗，目前正在準備飛行試驗。

針對CH-47的主動控制旋翼技術

CH-47“支奴干”縱列式重型直升機是美國波音公司于20世紀50年代研制的一型機型，在美國陸軍中有很大的裝備量，美軍也在一直對該機進行現代化改型升級。為進一步提高CH-47的使用性能，波音公司近年來研究了一種用于CH-47旋翼的主動后緣襟翼，以提高旋翼氣動性能，從而提升CH-47的航程和載荷，同時降低噪聲和振動。該研究由陸軍投資。研究的目標是降低CH-47振動水平90%，聲學探測距離50%，并提高巡航效率（以單副旋翼系統升阻比作為考核指標）8%。

每片襟翼系統由5個部分組成，包括襟翼、作動器、曲柄、聯動裝置和外蓋板。為避免影響槳葉氣動外形，襟翼旋轉機構應盡量設計在槳葉內部，但這需要為襟翼加裝鋁制梁結構，從而導致槳葉的整體剛度提高，影響槳葉在揮舞方向上的彎曲。因此最終將旋轉機構設計在了槳葉外部。設計方案采用了技術成熟度、能量密度更高、重量更輕的電磁作動器，而不是壓電作動器。技術驗證模型的外蓋板采用鋁制蓋板，但在全尺寸槳葉上則將換位鈦合金，以提高剛度、抗腐蝕性和熱傳導率。

襟翼角度變化范圍為±6°，控制頻率為15Hz。波音公司通過其基于Phoenix Integration的ModelCenter軟件開發的模型，對旋翼性能、振動和噪聲水平進行優化改良，尋求最優的控制策略。根據波音公司的計算結果，這一技術能夠有效地降低噪聲和振動水平，同時提高旋翼性能。其在設定的2個飛行狀態下（259km/h前飛速度、14.2噸起飛重量；259km/h前飛速度、24.1噸起飛重量），3/rev頻率的振動水平降低了32.6%，噪聲水平降低3.9%，整體氣動性能提高6.9%。

DARPA“任務自適應旋翼”（MAR）

2010年上半年，美國國防部國防高級研究計劃局（DARPA）分別向波音公司、西科斯基公司和貝爾/波音公司傾轉旋翼機研制團隊授予了“任務自適應旋翼”（MAR）初始階段研制合同。這項合同為期16個月，目標是開發出一套可在起飛前和飛行中改變形狀的旋翼系統。該系統的旋翼可改變很多參數，包括長度、后掠角、弦長、翼型弧度、槳尖形狀、扭轉角、剛度、轉速以及其他參數。

對旋翼機而言，自動改變旋翼外形使其適應各種飛行狀態的技術是一個潛力巨大的發展方向。正如美國直升機協會（AHS）執行董事所說，這種主動旋翼技術是顯著提升產品性能、降低旋翼震動和噪聲的主要手段。MAR項目所取得的成果，將可滿足美國防部提高旋翼機航程、速度、載荷以及安全性、生存性和經濟可承受性的需求。

MAR的性能指標很有挑戰性：與傳統旋翼系統的飛行器相比，有效載荷提高30%、航程增加40%、聲學可探測距離減少50%且振動降低90%。西科斯基公司稱其研究的系統可像iPhone一樣，通過點擊觸摸屏上的按鈕即可選擇低噪聲、高機動性、平穩飛行或其他飛行模式。

波音公司基于該項目開發了一種可主動扭轉，并有前/后緣主動襟翼的可變轉速無自動傾斜器旋翼系統。其中，后緣襟翼的主要作用是降低噪聲和振動水平，同時提高航程，輸入頻率最高為5/rev，由3個使用保形作動器技術（CAT）的壓電作動器驅動。旋翼增升則通過前緣主動襟翼（VDLE）、格尼襟翼（GF）和后緣變弦長機構（TEP）實現。GF和TEP布置在槳葉后緣，最高作動頻率為5/rev，TEP以準靜態方式使用。槳葉主動扭轉機構也采用準靜態方式（靜態扭轉控制，STC）以提高懸停性能，波音公司還計劃使用形狀記憶合金（SMA）作動器控制槳葉扭轉。無自動傾斜器旋翼控制通過槳葉主動扭轉、變距機構實現。

波音公司在一架AH-64E上對其MAR旋翼進行了驗證。其在試驗槳葉上安裝了4個TEF、2個VDLE、1個TEP和1個GF，以及一個槳葉扭轉裝置。從試驗結果可以看出，不管是新研型號還是現役型號改型，加裝MAR旋翼后，其振動和噪聲水平均有大幅降低；現役機型加裝MAR后也能夠達到項目的載荷和航程提升目標。

德國宇航院多環自動傾斜器主動旋翼

主動控制旋翼槳葉的技術難點之一就是如何將驅動力和信號傳遞到高載荷、快速旋轉的槳葉上的作動器上，以驅動襟翼或其他裝置實現對單片槳葉的控制，并保證其可靠性。

為規避這一難題，德國航宇中心DLR最近開發了一個主動旋翼控制系統META，該系統并不需要在旋轉部件上安裝作動器，而是采用了多環的自動傾斜器實現，該技術具備實現6槳葉旋翼的單片槳葉獨立控制的潛力。DLR稱，META系統的優勢包括無需向旋翼槳葉傳遞操縱所需的功率，作動器不用承受離心載荷等。該系統可應用在現有直升機上，作為機型翻新的一個途徑。

傳統的旋翼系統通過一個自動傾斜器，將飛行員的操縱轉化為槳葉變距角的變化，操縱量首先傳遞到自動傾斜器的不動環上，再通過不動環傳遞到動環，最終通過動環上的變距拉桿轉變為槳葉的扭轉角變化。

而META系統則通過在一個自動傾斜器上使用2個獨立控制的不動環，有效地將一個4槳葉旋翼解耦成2個獨立的2槳葉旋翼，由外環和內環分別控制。每個自動傾斜器由3個電動/液壓作動器操縱，作動器的電動部分負責飛行控制操縱；液壓活塞的控制權限較低，但可以最高105赫茲的頻率振動，結合META對槳葉控制的解耦，實現對每一片槳葉的高階諧波控制（HHC），控制頻率可達到旋翼旋轉頻率的2~6倍。

此外，META系統還能夠在飛行中跟蹤旋翼軌跡，并通過給2個自動傾斜器不同的總距和周期變距操縱，使2對槳葉的槳尖的空間運行軌跡錯開，使得相鄰的2片槳葉中，后面的槳葉不會通過前面槳葉形成的槳尖渦，從而降低旋翼的槳渦干擾噪聲。

META第一階段風洞試驗于2015年9月在荷蘭DNW大型低速風洞完成，試驗使用了BO105和H145C2兩個不同型號的4槳葉旋翼縮比模型。

試驗結果表明，Bo105槳葉模型可降低4%功率需求，2/rev的HHC狀態下降低75%振動水平，3/rev的HHC狀態下降低4.5dB槳渦干擾噪聲；而基礎性能更好地FTK槳葉的需用功率降低3%，振動水平降低52%，槳渦干擾噪聲降低3.9dB。

DLR稱，試驗驗證了META具備完整的單片槳葉控制能力、單一頻率高階諧波控制、飛行中槳葉軌跡跟蹤，以及通過操縱總距和周期變距實現相鄰槳葉槳尖軌跡分離等預期的功能；并且其結果表明，即使是在當前的槳葉設計水平下，IBC的應用也能夠顯著地提高旋翼氣動性能。

2017年7月，DLR再次宣布，他們和空客直升機公司聯合開發的使用META技術的全尺寸5槳葉旋翼在風洞試驗中表現良好。試驗表明，META技術能夠使近地飛行時的旋翼噪聲降低最多3分貝或大約30%；而在高速飛行狀態（270千米/時）下，旋翼需用功率降低大約5%。使用自適應控制時，旋翼引起的振動水平降低超過80%。

DLR稱，使用5槳葉旋翼的挑戰在于，兩個自動傾斜器連接的槳葉數量不一致，這使得整個系統的動態控制更為復雜，難度比4槳葉或6槳葉旋翼系統更高。而這次試驗的成功則進一步證明了META技術的普適性。

結語

目前，多家制造商、研究機構和高校都在開發各自的技術方案，一些技術已具備工程化應用的基礎。此外，將主動控制旋翼技術擴展用于旋翼系統飛行控制的研究也在進行，研究者希望能夠通過用后緣襟翼的主動控制來實現槳葉變距，以淘汰復雜、笨重的自動傾斜器。目前來看，主動控制旋翼已在試驗中驗證了其有效性，不僅能夠顯著降低旋翼的振動和噪聲水平，還能夠提高旋翼系統的氣動效率，成為目前直升機旋翼技術發展的一個重點方向。

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