直升机，作为一种具有垂直起降、空中悬停和低空机动等独特优势的航空器，其核心性能与安全性高度依赖于三大关键动部件：发动机、旋翼和传动系统。传动系统作为发动机功率向旋翼、尾桨等负载传递的唯一途径，其性能直接关系到直升机的飞行品质、可靠性、维护成本及乘员舒适度。随着全球航空运输、应急救援、警务执法、能源勘探及旅游业对直升机需求持续增长，直升机市场正朝着高性能、高可靠、高舒适、低维护成本（H-高，L-低）的方向发展。市场分析报告显示，全球直升机传动轴及相关部件市场在可预见的未来将保持稳定增长，这背后是新型号研发、老旧机型换发升级以及对振动噪声等关键性能指标日益严苛的要求所共同驱动的。特别是在民用领域，舱内噪声水平已成为衡量直升机产品竞争力、影响用户体验和市场接受度的核心指标之一。
一、 直升机传动系统发展趋势及减振降噪技术
传动系统结构复杂，通常包含主减速器、中间减速器、尾减速器以及连接它们的长轴系。其内部的多级齿轮副（如锥齿轮、行星齿轮、面齿轮等）、传动轴、轴承、花键等部件在高速、重载工况下工作，不可避免地产生复杂的动态激励。这些激励来源于齿轮啮合的时变刚度与传递误差、齿面冲击、轴承滚动体的周期性接触、轴的偏心与不平衡、以及联轴器膜片的弹性变形等。由此激发的振动通过齿轮体、轴系、轴承座传递至主减速器机匣和支撑结构，最终以结构声的形式辐射到机舱内部，形成高水平的中高频噪声。其频谱特征表现为以齿轮啮合频率及其倍频（谐波）为载波，以轴频及其倍频为调制边带的复杂形态，能量多集中于人耳敏感的500至2000赫兹范围，严重恶化舱内声学环境，导致乘员疲劳，影响通信清晰度，并可能诱发结构疲劳损伤。
为应对这一挑战，传统上发展了从振源控制、传递路径控制到接受点控制的多层级减振降噪技术。在振源控制层面，主要措施包括高精度齿轮修形（如齿廓修形、齿向鼓形修形） 以优化啮合载荷分布、采用高重合度齿轮设计或新材料（如高性能渗碳钢、复合材料）提升齿轮副本身动态特性、以及通过严格的制造与装配工艺控制来减小初始激励。在传递路径控制层面，广泛采用弹性隔振支承（如橡胶金属复合隔振器）将主减速器与机身结构解耦，以衰减高频振动的传递；在主减速器机匣上敷设阻尼材料或约束层阻尼结构，以耗散振动能量，降低结构声辐射效率。这些传统方法在实践中取得了显著成效，构成了现代直升机减振降噪设计的基础。
然而，传统方法也面临固有局限。被动控制措施（如固定参数的隔振器、阻尼材料）其性能往往在特定频带内最优，难以适应直升机宽广的工作转速范围和多变的飞行状态，对复杂多谐波、多边频激励的控制效果有限。而部分主动控制方案，如采用液压或电磁作动器的主动控制撑杆，虽在理论上能实现宽频自适应控制，但存在系统复杂、体积重量大、能耗高、可靠性挑战大等问题，限制了其在空间和功率均受限的直升机上的广泛应用。因此，行业迫切需要发展新型的、更高效、更紧凑、更智能的振动噪声控制技术，这为以压电智能结构为代表的先进智能材料与结构技术开辟了广阔的应用前景。
二、 压电智能结构减振降噪技术发展详析
压电材料（如锆钛酸铅PZT）具有独特的正压电效应（机械能转化为电能）和逆压电效应（电能转化为机械能）。基于此特性开发的压电智能结构，将压电材料作为传感器和/或作动器，与承力结构（梁、板、壳等）有机集成，形成一个具备感知、驱动与控制能力的多功能系统。相较于传统作动器，压电智能结构具有响应速度快（可达毫秒甚至微秒级）、驱动力密度高、结构形式灵活、易于微型化和集成化、以及无电磁干扰等突出优势，被认为是解决直升机中高频振动噪声问题的理想技术途径之一。其在直升机传动系统中的应用研究，正沿着传动部件、承载部件、尾传动部件、支撑部件等多个关键渠道深入展开。
2.1 压电智能结构在传动部件（齿轮/轴系）减振降噪中的发展
齿轮传动是传动系统最核心的振源。针对此，国内外学者探索了多种基于压电智能结构的主动与半主动控制方法。主要技术路线可归纳为三类：
轴系嵌入式主动控制：该思路不直接干预齿轮啮合，而是将压电作动器集成于齿轮轴或邻近的支撑轴上，通过主动施加与齿轮啮合力同步的反向作用力，抵消由齿轮传递误差引起的轴系横向或纵向振动，从而阻断振动向箱体的传递。美国NASA的研究团队在此领域开展了先驱性工作。早在20世纪90年代，Palazzolo、Montague等人便在柔性旋转轴和齿轮试验台上验证了利用压电推杆进行高频前馈振动控制的有效性，成功将高达4500 Hz的齿轮啮合振动振幅降低了75%。后续，Guan等学者系统对比了多种主动控制概念，并开发了基于单压电致动器控制轴横向振动的结构，结合先进的滤波-x最小均方（FxLMS）自适应算法，在试验中实现了齿轮箱壳体振动降低8-13 dB，啸叫噪声降低5-8 dB的显著效果。国内以重庆大学、华侨大学为代表的研究团队紧随其后，在建立齿轮转子系统机电耦合动力学模型、设计适用于变速变载工况的模糊PID、自适应滤波（FxLMS、FxRLS）等鲁棒控制算法方面取得了丰硕成果，通过仿真与台架试验验证了多级齿轮传动系统在多谐波激励下的有效振动抑制。
惯性致动器附加控制：为了避免对高速旋转的轴系进行复杂的嵌入式改造，Zhao等学者提出了一种基于压电智能结构的旋转惯性致动器。该装置作为独立模块安装在旋转轴上，通过压电作动器驱动内部质量块产生惯性补偿力，以控制传递到外壳的振动。研究表明，结合分流阻尼电路的半主动控制模式，可在特定频段实现超过10 dB的振动衰减。此方法对原系统改动小，但会引入附加质量，其轻量化设计是直升机应用前必须解决的课题。
齿轮本体集成智能控制：这是一种更具革命性的思路，旨在将压电智能材料直接嵌入齿轮本体（如腹板、轮缘），通过主动改变齿轮的局部刚度或几何形状，从而动态影响其啮合刚度、阻尼特性甚至静态传递误差，从源头上改善啮合性能。例如，有研究探讨在腹板式齿轮轮缘敷设压电片，通过施加电压使其产生周向变形，进而补偿啮合误差。然而，这类方案面临空间极端受限、高压电信号引入旋转部件的可靠性、以及复杂机电耦合建模等严峻挑战，目前多处于概念探索和仿真研究阶段。
总体而言，针对传动部件的压电主动控制已在实验室层面证明了其卓越潜力，是未来实现“源头治理”的关键方向。但距离工程应用，仍需攻克复杂紧凑空间下的作动器集成封装、高速旋转工况下的可靠供电与信号传输、以及面向全飞行包线的多目标自适应控制等难题。
2.2 压电智能结构在承载部件（轴承/轴承座）减振降噪中的发展
轴承是连接旋转轴与静止支承结构的关键界面，也是振动传递的主要“关卡”。在此处引入压电智能结构，旨在主动或被动地调节轴承支座的动态特性，以隔离或耗散来自轴系的振动能量。
主动/半主动压电轴承座：早期的尝试是将压电叠堆作动器径向嵌入轴承座，使其位于轴承外圈与支座之间。Atzrodt等人利用压电叠堆的传感功能，结合外部调谐电路形成分流阻尼，实现了对特定频率转子振动的被动抑制，振动衰减达17.5 dB。Pinte等人则进一步将其发展为有源主动轴承，采用两个正交布置的压电叠堆模块，结合自适应前馈控制，实现了宽达1 kHz频带内的振动与噪声控制。然而，径向安装的压电叠堆在承受齿轮轴传递的复杂切向与径向载荷时，极易发生剪切破坏，且对安装空间和精度要求极高。
压电分流阻尼减振环：为解决上述问题，美国NASA的Asnani团队创新性地提出了一种环形压电分流阻尼减振器。该装置是一个独立的环状结构，内含周向均布的多个压电叠堆单元，可整体安装于轴承与轴承座之间，或齿轮与轴的结合部。其核心原理是利用压电材料的正压电效应，将机械振动能转化为电能，再通过外部分流电路（通常为电阻-电感（RL）谐振电路）将电能以热的形式耗散掉，从而实现被动振动抑制。这种方法无需外部电源、无需复杂控制算法、系统简单可靠、附加质量小。尽管初期试验显示其实际损耗因子低于模型预期，但为承载部件减振提供了一个极具潜力的新思路。
国内南京航空航天大学陈国平教授团队在此方向上进行了深入跟研与创新。他们在NASA减振环的基础上，设计了带有蝶形保护框架的新型减振环构型，有效改善了压电叠堆的受力状态，并结合分流电路参数优化、机电耦合模型精细化建模等方法，通过仿真和试验系统研究了该装置在转子-轴承系统中的减振性能，证明了其在多跨转子系统中可显著降低力传递率。压电减振环以其被动式、模块化、高可靠的特点，被认为是当前最接近工程应用的方案之一，但其宽带阻尼性能优化、以及在极端载荷与温度环境下的长期可靠性仍需深入研究。
2.3 压电智能结构在尾传动部件减振降噪中的发展
直升机尾传动轴系长跨距、多支承的特点，使其在通过临界转速时易发生剧烈振动。针对此问题，一种基于压电智能结构的“智能弹簧” 支承技术应运而生。其基本原理是：将压电叠堆作动器与机械弹簧并联或串联，构成一个刚度可主动调节的智能支承。当转子系统接近临界转速时，控制系统通过改变施加在压电作动器上的电压，快速调整支承的等效动刚度，从而改变系统的临界转速，或者提供主动阻尼，以平稳、可控地渡过共振区。
南京航空航天大学倪德等学者对此开展了系统研究，建立了智能弹簧与旋转机械的耦合动力学模型，分析了参数影响规律，并探索了基于幅频特性曲线簇公共点的参数设计方法。研究表明，智能弹簧技术能有效抑制尾传动轴过临界时的振动响应。此外，将压电智能结构应用于设计弹性支承干摩擦阻尼器，也被证明能显著降低临界转速下的振幅。这类方法为处理轴系固有特性带来的低频振动问题提供了主动解决方案，但同样面临控制策略复杂性和工程实现可靠性的考验。
2.4 压电智能结构在支撑部件（主减撑杆）减振降噪中的发展
主减速器通过多个撑杆与直升机机体连接，这是振动能量传入机身的最直接路径。在此处应用压电智能结构进行主动隔振，具有不干扰传动系统内部核心部件、对原系统改动相对较小、控制效果直接作用于整体传递路径等优势，因而成为国内外技术成熟度最高、且已有型号验证的领域。
其典型代表是主动控制压电撑杆。欧洲EADS（现空客）与欧直公司早在21世纪初，就为BK117直升机研制了表面粘贴压电陶瓷作动器的主动控制撑杆，并成功进行了地面和飞行测试。后续发展出的第二代主动撑杆采用更先进的FX-LMS控制算法，实现了对多个目标齿频振动分量的精准抑制。
近年来，技术向着主被动融合、宽频高效的方向演进。2024年发表在AIAA期刊上的一项研究提出了一种压电堆周期性撑杆（PSPS）的创新设计。该设计将压电堆作动器与橡胶层周期性交替排列，巧妙地将压电堆的主动控制能力与周期性结构固有的弹性波带隙（阻带）特性相结合。理论建模与实验表明，PSPS在500 Hz以上具有宽频被动隔振性能，最大噪声衰减超过25 dB；当在900 Hz施加主动控制时，还能额外获得12.63-15.56 dB的降噪效果。这种混合控制策略兼顾了被动隔振的可靠性与宽频性，以及主动控制的精准性与强适应性，代表了支撑结构振动控制技术的前沿方向。
三、 需进一步研究的关键技术与未来突破方向
尽管压电智能结构在直升机传动系统减振降噪中展现出巨大潜力，但从实验室验证走向大规模工程应用，仍有一系列核心技术瓶颈亟待突破。未来研究应聚焦于以下五个关键技术领域：
新型压电材料的制备与集成技术：现有商用压电陶瓷（如PZT）的应变输出有限（约0.1%-0.2%）、脆性大、耐高温和抗疲劳性能不足，难以满足航空极端环境要求。亟需发展大应变、高居里温度、高机械强度的新型压电单晶、弛豫铁电单晶或高性能压电复合材料。同时，研究压电纤维/薄膜与碳纤维复合材料结构的一体化共固化成型工艺，实现传感/作动功能与主承力结构的深度融合，解决“贴片式”集成带来的界面剥离、增重等问题。
压电智能结构的输出放大技术：逆压电效应产生的微位移（微米级）往往不足以直接抵消宏观振动。设计高效、紧凑、可靠的机械位移/力放大机构是工程应用的必然要求。研究包括柔性铰链杠杆放大机构、桥式放大机构、双X型推挽放大机构（如南京航空航天大学研究的推挽式双X驱动器）以及基于共振原理的超声振幅变换器等。需要在放大倍数、输出力、带宽、刚度、疲劳寿命等多目标间进行优化设计。
压电智能结构的先进控制技术：直升机传动系统工况复杂多变，振动频谱密集且时变。需要发展强鲁棒性、快速收敛、低计算复杂度的自适应控制算法。除了优化经典的FxLMS算法，还应探索基于模型的鲁棒控制（H∞）、模糊神经网络控制、以及深度强化学习等智能控制方法在系统非线性、路径时变性、多通道耦合下的应用。同时，研究自供电/能量回收式半主动控制策略，利用分流阻尼技术或从环境振动中采集能量，降低对外部电源的依赖，提高系统效能。
压电智能结构与传动系统的装机匹配性技术：任何新增的智能结构都必须与现有传动系统在空间、质量、刚度、热管理、电磁兼容性等方面完美兼容。这要求进行系统级的集成设计与多学科优化。例如，压电作动器的引入不能显著改变传动轴系的临界转速或齿轮系统的啮合特性；其附加质量必须控制在严格预算内；高压驱动线路的布置需避免对机上敏感设备造成干扰；产生的热量需有有效的散热途径。
压电智能结构的封装与可靠性技术：这是决定技术成败的最后一道关卡。需要为压电元件开发能在高低温交变、高真空/油污环境、强振动冲击、长期循环载荷下稳定工作的特种封装技术，确保其绝缘、防潮、防腐、抗磨损能力。建立完善的可靠性评估与验证体系，包括加速寿命试验、故障模式与影响分析（FMEA）、以及健康监测与预测性维护技术，确保智能结构在全寿命周期内的功能完好，且其失效模式不会危及飞行安全。对于关键部位，可能需考虑冗余或容错设计。
此外，纵观国际前沿，两个新兴方向值得密切关注：一是智能旋翼与智能传动系统的协同控制。智能旋翼技术通过压电等智能材料驱动桨叶后缘襟翼或实现主动扭转，已证明能从源头上降低旋翼传递给主减速器的振动载荷。未来研究可探索将传动系统的压电智能传感网络信号与旋翼主动控制系统互联，实现从旋翼气动载荷到传动系统结构响应的一体化全局振动抑制，形成“源头-路径”协同的终极解决方案。二是基于压电效应的新型驱动原理探索。有研究提出利用压电陶瓷的逆效应直接驱动尾旋翼，省去复杂的机械传动链，为微型或特种直升机提供了全新的构型思路，虽然离大型直升机应用尚远，但体现了压电技术变革传统架构的潜力。
四、 总结与展望
压电智能结构技术为根治直升机传动系统的振动噪声顽疾开辟了一条极具前景的创新路径。通过本文的系统性梳理与分析，可以得出以下核心结论与未来展望：
核心结论
技术路径多元化且各具特色：从传动部件的“源头干预”（轴系主动控制）、承载部件的“关卡阻截”（分流阻尼减振环）、尾传动的“特性调节”（智能弹簧）到支撑部件的“路径切断”（主动/混合控制撑杆），已形成多层次、多手段的技术体系。其中，压电主动齿轮/轴控制和混合控制压电撑杆展示了优异的性能潜力，而压电分流阻尼减振环则因被动式高可靠性特点更具近期工程化应用前景。
国内外发展存在阶段性差异：以美国NASA、欧洲空客等为代表的国外机构，已在主动控制撑杆等方面完成了型号验证与飞行测试，技术成熟度（TRL）较高。我国在该领域的研究起步稍晚，但以重庆大学、南京航空航天大学、中国直升机设计研究所等为代表的研究团队紧跟国际前沿，在理论建模、控制算法、原理样机研制等方面取得了丰硕成果，正处于从实验室验证向工程应用攻关的关键过渡阶段。
挑战与机遇并存：当前主要技术瓶颈集中于材料性能、结构集成、智能控制、环境适应性与长期可靠性等工程科学深水区。这些挑战既是横亘在应用前的障碍，也正是未来技术创新的主攻方向。
未来展望
面向未来，低噪声、高舒适性将成为下一代直升机的标配。压电智能结构技术有望从当前的“选择性应用”发展为“系统性集成”。其发展将呈现以下趋势：
材料与结构一体化：从“附加式”作动器向“本征式”智能结构发展，实现功能与承载一体化。
控制策略智能化与自主化：结合人工智能与数字孪生技术，发展具备自感知、自决策、自适应的智能振动控制系统。
系统设计协同化：突破部件级优化的局限，开展包含旋翼、传动、机体在内的全机振动噪声主动控制综合设计与优化。
验证体系标准化与完备化：建立覆盖材料、部件、子系统、整机的全链条可靠性验证与适航符合性方法。
可以预见，随着上述关键技术的持续突破与融合，压电智能结构必将在不远的将来，为打造“安静”的直升机，提升其市场竞争力与乘员福祉，贡献不可或缺的核心力量，并推动直升机传动系统设计理念从传统的“被动承受”向“主动智能管理”的深刻变革。
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