直-20 VS 黑鷹：5片槳葉還是4片槳葉？

直-20登場之後，憑藉俊俏的外形，優異的效能和多種自主智慧財產權的關鍵技術的突破，一時之間名聲大噪。而其作為咱們自己的新一代高階通用直升機平臺，自然免不了會被拉出來和它遠在大洋彼岸的前輩——同時也是堪稱世界通用直升機平臺的標杆：黑鷹直升機——進行對比。如果單論紙面效能資料，得益於總體設計技術、旋翼系統技術、渦軸-10航空發動機、傳動系統技術、生產製造工藝等方面的突破和進步，直-20不僅不輸給黑鷹，甚至在某些資料方面猶有過之。

▲黑鷹直升機已經從最初的A型，歷經多次版本迭代，更新到了M型，但是槳葉片數始終是4片

當然，紙面效能資料是一方面，相比於飽經實戰考驗的黑鷹，無論是在戰術效能、後勤維護還是實際作戰能力方面，直-20都還有很大的進步空間。此外，我們這次要探討的重點也不是“紙面效能”，而是兩者之間最直觀、最顯著的差異：直-20採用了5片槳葉的設計，而黑鷹直升機儘管歷經了相當多版本的型號迭代，卻仍然採用了4片槳葉的主旋翼構型。

為什麼會這樣呢？我們看到的最多的答案就是：直-20採用了不同於黑鷹直升機的5片槳葉設計，這樣一來一方面減小了直升機的振動水平，一方面也提供了更大的升力增量，其中，尤其以前者為重點。幾乎所有提到直-20設計的文章都會有這麼一句話。既然有這麼明顯的好處的話，黑鷹直升機為什麼不直接更新一下旋翼構型呢？難道增加一片槳葉對於世界頂級直升機製造商西科斯基公司是個莫大的難題？如果不是這樣的話，那就是說升級成5片槳葉對黑鷹直升機來說弊大於利？

在回答這個問題之前，首先，我們的了解一下：一架直升機的槳葉數量到底是怎樣確定的？

▲重型直升機為了降低槳葉載荷，一般會設計較多的槳葉片數 ，圖為CH-53K重型直升機

直升機槳葉數量的多少當然不是拍腦袋決定的，作為直升機的一項重要的總體引數，直升機槳葉數量的多少是按照一系列的前置要求計算出來的。如果要捋出一條線的話，大體是這樣：確定總重→確定槳盤載荷→發動機功率選擇→旋翼槳尖速度選擇→旋翼實度選擇→旋翼槳葉片數選擇。其中從確定總重到選擇發動機功率還比較巨集觀，重點影響到槳葉片數選擇的還要從旋翼槳尖速度選擇算起，所以這裡就把巨集觀的簡略帶過，重點講講關鍵影響部分。

直升機總重的初步確定，算是在論證階段確定的總重的第一次近似值，一把都會通過統計資料的圖示或者由此總結出來的經驗公式來確定；槳盤載荷就是直升機起飛總重與槳盤面積的比值，很顯然，槳盤載荷越大，意味著旋翼直徑越小，一般渦軸發動機直升機可以選用較大的槳盤載荷，但是較大的槳盤載荷也會導致較大而誘導速度，從而使得直升機誘導功率較大，而直升機懸停狀態需用功率中，誘導功率是大頭，所以說，過高的槳盤載荷會導致較大的懸停需用功率，所以直升機的槳盤載荷也不能設計過大；至於發動機功率的選擇，也沒太多好說的，無外乎直升機主要氣動部件，如旋翼、尾槳，等的功率消耗、傳動損失、機載系統等部件的消耗和中間損失等所有的功率之和要小於發動機的可用功率即可。

① 旋翼槳尖速度（ΩR；其中Ω是轉速，R是半徑）

▲直升機槳尖速度與最大飛行速度的統計資料圖表

槳尖速度是直升機總體設計中的一個關鍵引數，該引數不僅關係到直升機的飛行效能，同時也關係到直升機的結構重量，所以必須慎重處理。

從飛行效能的角度來說，前飛過程中，旋翼槳尖速度越大，其前行側的槳尖位置越是容易產生激波阻力，波阻的出現，會急劇增大直升機的需用功率，由此限制了直升機槳尖速度的加大了；另外還有一個需要考慮的方面就是噪音，槳尖速度很大的話，噪音必然就很大，對於軍用直升機而言，隱蔽性就差，這也限制了直升機的槳尖速度。一般來說，當旋翼槳尖的翼型厚度較大的時候，臨界馬赫數就會比較低，一般不能超過0.8；而當旋翼槳尖翼型相對厚度比較小的時候，臨界馬赫數的容許值就會比較高，一般可以達到0.9左右。

從結構重量的角度來看，確定半徑的情況下，槳尖速度越高，主減速器的傳動比（發動機轉速和旋翼轉速的比值）肯定就越小，這對於減小減速器的重量和尺寸有利，正是因為這個原因，只要沒有突破飛行效能的臨界限制範圍，設計師總是會盡量採用更高的槳尖速度，所以對於常規的直升機設計來說，其槳尖速度一般不會小於每秒鐘200米，即便是對飛行速度要求比較低的直升機，其槳尖速度一般也不會低於每秒150米。

② 旋翼實度的確定（σ；其本質是槳葉總面積與槳盤面積的比值）

在常規的的直升機引數設計中，確定了直升機的槳盤載荷和槳尖速度之後，就可以開始確定直升機的旋翼實度了。根據實度的定義，在總重確定的情況下，直升機旋翼實度越大，也就意味著單位面積的槳葉上的載荷變小了（載荷本質上就是單位面積上的氣動力），氣動力變小也就意味著當地槳葉微段（稱為：葉素）的氣動迎角可以控制在比較小的範圍之內，較低的氣動迎角可以延緩槳葉氣流分離（失速）情況的發生，從而提高直升機的機動效能、懸停升限、動升限和最大平飛速度等效能指標。

▲直升機旋翼的實度當然不是越大越好，不然不就成風扇了

讀到這，大家也都看出來了，實際上在選擇實度數值的時候，咱們也正是根據直升機機動過載、升限和最大平飛速度等指標要求來選取的。不過實度當然也不是越大越好，其他條件相同的情況下，旋翼實度越大，也就意味這型阻越大，也就是說在前飛過程中，直升機消耗的功率就會越大，這就會降低直升機的航程和續航時間，就目前的常規構型直升機而言，其實度一般在0.03到0.1之間。

說了這麼多，細心的你肯定已經發現了，在確定直升機槳葉片數之前，咱們已經把直升機的旋翼實度確定了，這也就意味著，你如果想把四片槳葉的設計方案改成五片槳葉的設計方案，絕對不是多加一片槳葉就完事，而是需要重新設計一種新的槳葉，至少，為保證實度符合設計要求，那麼五片槳葉的旋翼系統，其槳葉弦長肯定是要比四片槳葉的旋翼系統的槳葉弦長更窄的。

由此觀之，增加槳葉片數帶來的好處是顯而易見的：槳葉片數越多，弦長越小，直升機的槳尖損失得以降低，飛行效能得以提升；此外，還有一個重點就是咱們最關心的振動問題了，那麼，是不是真的直升機槳葉片數增加了之後，直升機機體的振動水平就變低了呢？要回到這個問題，首先要討論的就是直升機旋翼系統的振動到底是怎麼傳遞到機身上面去的。

簡單來說就是旋翼槳葉是處於週期性旋轉中的，這也就意味著旋翼槳葉會受到週期變化的氣動力的作用，從而引起槳葉的振動響應，這種振動響應自然會沿著槳葉的結構作用到槳轂上，其中的某些諧波成分就會經過旋翼軸傳遞到直升機機體，，然後引起直升機機體的振動。在常規分析中，槳葉振動幅度越大，其動應力就越大，傳遞到槳轂的力和力矩就越大，作用到機體上的激振力也就相應地越大。

▲直升機的振動問題是直升機設計的關鍵點之一，圖為地面共振中被摧毀的支奴幹

旋翼槳葉的動力響應計算是個很複雜且麻煩的問題，所幸本文也不是什麼定量的學術作品，所以我們只要知道旋翼上的各階諧波的氣動力變化都會引起相應諧波的彈性振動，但是這些諧波並不一定都會傳遞到機體上去，引起直升機的振動。只有引發某些特殊旋翼振型的氣動力才會傳遞給機身和傳動系統，而不同槳葉片數的旋翼系統，其振型是不一樣的，這也就是為什麼改變旋翼片數會改變直升機振動水平的關鍵原因。

▲直升機駕駛艙垂直振動振幅與飛行速度的關係圖

上圖來自於《直升機部件設計》，圖中縱座標ay為直升機駕駛艙的垂直振動振幅，橫座標則是直升機飛行速度，從圖中可以看出，該型直升機的旋翼如果設計成4片槳葉的話，其在低速飛行的時候，駕駛艙的垂直振動就會特別大，但是當改成3片槳葉之後，機體的振幅反而明顯變小了，也就是說，對著這種直升機來說，多一片槳葉不僅不能解決振動問題，反而還不如少一片呢。

當然，也有增加槳葉數量成功降低振動的例子，比如說米-8直升機，該機開始就是4片槳葉的設計，該機的旋翼的前進型總體振型如果被激發的話，就會引起強烈的機體共振，而改為5片槳葉之後，無論是旋翼系統的前進型還是後退型振型被激發之後，對機體的振動影響就相當有限，改進還是相當成功的。

▲米-8直升機的5片槳葉設計成功降低了該機的振動水平

從上面兩個例子來看，相信讀者朋友們已經發現了，採用改變旋翼槳葉片數的辦法雖然有可能解決振動的問題，但是並不一定都是可行的，從根本上來說，最合理的方式還是要通過正確配置槳葉的結構設計和機體本身的結構動力學特性來實現減振。

那麼說完了增加槳葉片數的好處之後，咱們再來說說壞處：更多的槳葉片數意味著槳轂的結構更加複雜、重量更大、廢阻力問題更嚴重、後勤維護成本更高，不過隨著槳轂設計技術的進步，現代化的槳轂在結構阻力、重量和可維護性上都得到了突破，所以說，增加槳葉數量在這方面帶來的缺點已經一定程度得到了緩解。除了上述方面之外，更多的槳葉片數還更可能導致嚴重的槳渦干擾問題（後一片槳葉和前一片槳葉的槳尖渦碰撞），從而導致噪聲問題更加突出。

▲直升機槳葉數量增多的話，一般來說， 槳渦干擾問題就會更突出

對於軍用直升機來說，槳葉片數的增加還存在一個重點問題：我們前面說過，由於直升機旋翼實度是先給定的，所以槳葉數量的增加就意味著槳葉弦長的變窄，如此一來，槳葉的扭轉剛度就會降低，其抗彈擊損傷能力就能減弱，而這個指標對於軍用直升機的生存能力而言多重要就無需我多說了吧。

▲3片槳葉的黑鷹直升機旋翼系統設計方案

黑鷹直升機的旋翼系統設計經過了漫長的測試、驗證和更正的過程。事實上，黑鷹直升機的最初設計方案，其旋翼系統是由3片槳葉構成的，不過當時美軍還沒有公佈“通用戰術運輸系統”的效能和機動性要求，等到美軍放出相關要求之後，西科斯基公司的設計師一對比，發現3片槳葉無論如何都沒法滿足對應的要求，最後不得不增加旋翼的直徑和實度，其中增加實度的方式就是把3片槳葉改成了4片槳葉。

▲4片槳葉的黑鷹直升機旋翼系統設計方案

當然，在西科斯基最終敲定黑鷹直升機的旋翼系統方案之前，他們不僅僅只考慮了3片或者4片槳葉的方案，西科斯基公司的空氣動力學專家唐納德·吉普森為了尋求最具有氣動效率的旋翼系統，採用全尺寸的CH-53槳葉在旋轉試驗檯上進行了各種各樣的實現，其中不僅包括3槳葉、4槳葉，甚至還有5槳葉、6槳葉的旋翼系統，同時也對各種不同的槳尖設計進行了評估。

由此可見，西科斯基公司並不是沒想過增加旋翼槳葉的數量，而是在最早的時候就已經針對黑鷹直升機的專用效能指標和要求，針對各種可能的選項進行過測試和評估，除了氣動效能方面的優化設計，西科斯基還在鈦合金大梁的製造技術方面取得了突破，從而一舉成就了高效能的黑鷹直升機旋翼槳葉系統。

▲黑鷹直升機獨到的槳葉空氣動力學設計

黑鷹的槳葉具有獨特的扭轉分佈、彎曲翼型、後掠式槳尖和鈦合金大梁，完美滿足了美國陸軍提出的指標要求。其空氣動力學效率、結構強度和抗彈擊損傷容限不僅比西科斯基公司之前生產出來的槳葉都要好，而且比當時所有直升機公司所能製造出來的槳葉水平都要高。

▲黑鷹直升機槳葉主要部件示意圖

這種旋翼的懸停效率達到了0.75，是當時軍用直升機的最高水平，而從結構方面來說，這種槳葉的理論疲勞負荷壽命是無限的並且高度耐腐蝕，而且彈傷容限能夠承受23毫米的炮彈打擊，這在某種程度上正是得益於黑鷹“較少”的槳葉數量，使其弦長能夠設計的比較寬。

​而黑鷹的這種槳葉最終也成為了世界級標杆。所以說，如果4片槳葉的設計情況下，直升機各方面的效能指標（比如振動水平）已經滿足了要求，那麼，自然不需要多設計一片槳葉來增加系統的複雜性和維護的難度；而如果4片槳葉的設計不能滿足某些專用指標要求（比如長時間飛行在高原稀薄氣體中），自然要進行更改，只能說，合適的才是最好的，本質上並沒有優劣之分。