基于直升機(jī)裝備設(shè)計(jì)條件下的復(fù)合材料應(yīng)用思路構(gòu)建

林開平

（鄭州飛機(jī)裝備有限責(zé)任公司，河南 鄭州 450006）

復(fù)合材料在直升機(jī)裝備上的應(yīng)用，例如旋翼，作為直升機(jī)唯一的升力來源，旋翼能力的提升成為提高現(xiàn)代直升機(jī)飛行速度的最直接的途徑。旋翼能力提升技術(shù)除了翼型配置、槳葉平面形狀、氣動(dòng)扭轉(zhuǎn)以及槳尖形狀設(shè)計(jì)等常規(guī)途徑以外，前飛速度大于逆速旋翼系統(tǒng)中槳葉的槳尖線速度，經(jīng)過實(shí)踐證明，與直升機(jī)裝備中當(dāng)前進(jìn)行構(gòu)造使用的復(fù)合材料十分關(guān)鍵。從而使整個(gè)后行槳葉處于反向氣流之中。復(fù)合材料應(yīng)用在旋翼槳葉上，如玻璃纖維，其突出的優(yōu)點(diǎn)就是優(yōu)異的疲勞強(qiáng)度。直升機(jī)的飛行能力別具特點(diǎn)，

1 復(fù)合材料在直升機(jī)裝備主要結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

（1）在旋翼槳葉上進(jìn)行纖維復(fù)合材料的使用，需要克服纖維的性能弱點(diǎn)，在低的層間剪切強(qiáng)度上，適應(yīng)環(huán)境的敏感性，給旋翼槳葉和應(yīng)用帶來有利的因素。金屬的槳葉在使用壽命上能夠通過復(fù)合材料的使用，從尖削槳尖開始，拋物線掠下之后，實(shí)現(xiàn)了全彎曲、非對稱，提高直升機(jī)的安全性，阻力系數(shù)不斷減小，將使得槳葉的全壽命成本大幅度的降低，反槳尖達(dá)到了先進(jìn)的薄后掠BERP槳尖，帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。在高性能的基礎(chǔ)上，達(dá)到了旋翼效率的提升，力矩系數(shù)的變化不大。復(fù)合材料在經(jīng)過模壓固化成型的工藝后，工作人員對于旋翼槳葉的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，是旋翼槳葉的性能最大的改進(jìn)，新的旋翼，復(fù)合材料的改造收到了很好的效果，能夠?qū)崿F(xiàn)氣動(dòng)外形和旋翼結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性的改進(jìn)。強(qiáng)度和剛度都達(dá)到了可剪裁的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，改善了槳葉的啟動(dòng)荷載的分布，最大系數(shù)和臨界馬赫數(shù)大大提高，達(dá)到6000h以上。旋翼槳尖的狀態(tài)的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)槳葉的性能的優(yōu)化，不僅如此，將復(fù)合材料應(yīng)用在旋翼優(yōu)化設(shè)計(jì)中。

（2）對于傳統(tǒng)的金屬漿葉來說，槳轂使用復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)了直升機(jī)裝備的柔性的結(jié)構(gòu)。采用鉸接式槳轂，零件的數(shù)目減少，重量減輕，成本降低，采用纖維纏繞環(huán)套式槳轂，提高了安全性和可靠性。例如外環(huán)式槳轂和鉸鏈?zhǔn)綐灦荚诮Y(jié)構(gòu)上更加緊湊和簡單，重量上減輕，成本上降低。整體式的槳轂和旋翼軸組件，減少了直升機(jī)的當(dāng)量廢阻面，復(fù)合材料的最新研究成果，是將采用復(fù)合材料制作而成的柔性的變形槳葉的揮舞、變矩運(yùn)動(dòng)的無軸承槳轂結(jié)構(gòu)，加以技術(shù)性的突破。

（3）直升機(jī)的機(jī)體機(jī)構(gòu)采用了復(fù)合材料，外形曲面和結(jié)構(gòu)受載不是很大，經(jīng)過加工成形后，提高了結(jié)構(gòu)的損傷容限，運(yùn)輸類的直升機(jī)對于機(jī)體機(jī)構(gòu)提出了采用復(fù)合材料進(jìn)行減重的要求，耐墜結(jié)構(gòu)上，根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，使用上更加可靠和安全，制定了先進(jìn)復(fù)合材料機(jī)體計(jì)劃。與鋁合金材料相比，復(fù)合材料的維護(hù)性和可靠性更好。復(fù)合材料和鋁合金機(jī)身效益對比如表1。

表1 復(fù)合材料和鋁合金機(jī)身效益對比

與直升機(jī)的設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)的關(guān)系十分密切。重型武裝直升機(jī)的復(fù)合材料，在用量上占到整體重量的50%，垂尾和尾梁上的構(gòu)建較多，民用運(yùn)輸直升機(jī)在復(fù)合材料的運(yùn)用上則更多，復(fù)合材料的用量，達(dá)到80%以上。復(fù)合材料在機(jī)身結(jié)構(gòu)上，用于平尾。不僅能夠減重，還能夠使得復(fù)雜的曲面成形，采用復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)減重使得直升機(jī)的結(jié)構(gòu)更加簡單。

2 直升機(jī)復(fù)合材料的應(yīng)用特點(diǎn)

（1）對于部分利用懸停效應(yīng)，直升機(jī)與固定翼飛機(jī)相比，直升機(jī)能有效的完成垂直起落、空中懸停和前飛、側(cè)飛、回轉(zhuǎn)飛行及貼地飛行，是一種低速飛行器。復(fù)合材料使得直升機(jī)具備優(yōu)良的耐候性、承擔(dān)搜索救援及外載運(yùn)輸?shù)绕鹬厝蝿?wù)，其最顯著的不同是利用旋翼旋轉(zhuǎn)所提供及傳動(dòng)系統(tǒng)所傳遞的升力、前進(jìn)力和操縱力，其主要應(yīng)用環(huán)境為惡劣環(huán)境條件，直升機(jī)與固定翼飛機(jī)相比，與高空高速固定翼飛機(jī)所不同，飛行高度一般在6000 m以下，選用具備優(yōu)良抗疲勞特性的復(fù)合材料，將是直升機(jī)追求高減重效益的最有效途徑。超低空時(shí)能夠達(dá)到15～30m之間，表現(xiàn)在強(qiáng)度、質(zhì)量、空氣動(dòng)力、耐蝕性的環(huán)境特點(diǎn)。其飛行速度約在300 km/h，突出的振動(dòng)問題在于直升機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在很大程度上是結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的設(shè)計(jì)問題。

（2）軍用直升機(jī)還應(yīng)滿足防彈、耐墜性等要求。除一般航空器設(shè)計(jì)的剛度、工藝性和使用維護(hù)性外，因直升機(jī)與固定翼飛機(jī)上述不同的飛行原理和使用環(huán)境，例如旋翼系統(tǒng)對氣動(dòng)彈性、可靠性等設(shè)計(jì)要求尤為關(guān)注；使直升機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求還有其特殊要求。直升機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須設(shè)法降低強(qiáng)迫振動(dòng)的振幅和避免出現(xiàn)動(dòng)穩(wěn)定性問題；直升機(jī)的機(jī)體結(jié)構(gòu)采用復(fù)合材料，例如駕駛艙管梁骨架結(jié)構(gòu)上，在一方面著眼于改進(jìn)和創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造工藝，另一方面則著眼于結(jié)構(gòu)減重，以及大型整體壁板、夾層結(jié)構(gòu)尾梁等。

（3）直升機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在旋翼槳轂上的應(yīng)用，采用繞襯套纏繞接頭設(shè)計(jì)。利用氣動(dòng)布局中樹脂基復(fù)合材料模壓成型，率先選用復(fù)合材料，具有高的強(qiáng)度比和低密度，包括纖維/彈性軸承槳轂、疲勞強(qiáng)度和調(diào)頻設(shè)計(jì)為主，韌性好等優(yōu)異的力學(xué)性能，星型柔性槳轂、沿翼展多翼型復(fù)合材料優(yōu)異的疲勞和剛度可剪裁特性，無軸承槳轂等。與固定翼飛機(jī)相比，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與鈦合金結(jié)構(gòu)件相比質(zhì)量分?jǐn)?shù)減輕30%，連接件基于疲勞及減重的考慮，旋翼系統(tǒng)及傳動(dòng)系統(tǒng)不僅動(dòng)部件多機(jī)身存在較多薄壁復(fù)雜曲面，用到的復(fù)合材料旋翼系統(tǒng)動(dòng)部件設(shè)計(jì)以球柔性旋翼連接件為主旋翼系統(tǒng)動(dòng)部件與鋁合金結(jié)構(gòu)件相比壽命提高50% 。

固定翼飛機(jī)主要采用雙馬樹脂碳纖維單向帶預(yù)浸料，包括玻璃纖維、碳纖維、芳綸等織物，直升機(jī)在復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)的特點(diǎn)上有一定區(qū)別，旋大量采用蜂窩夾層結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)在：通過建立國產(chǎn)復(fù)合材料標(biāo)準(zhǔn)體系，對直升機(jī)復(fù)合材料從無損檢測以及試驗(yàn)驗(yàn)證工藝制造、再到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、到原材料控制等各方面的統(tǒng)一規(guī)范，翼是直升機(jī)特有的結(jié)構(gòu)，是直升機(jī)與固定翼飛機(jī)的顯著區(qū)別，還有旋翼槳葉中的大梁、墊布、蒙皮、后緣條等。機(jī)體結(jié)構(gòu)中的機(jī)身下構(gòu)件蒙皮、尾段整流罩，采用了鋁基復(fù)合材料。結(jié)構(gòu)形式不同，受力方式也不同。儀表板壁板、尾斜梁、艙短翼、遮光罩等主要應(yīng)用部位，目前我國的復(fù)合材料，碳纖維及高強(qiáng)玻璃纖維環(huán)氧基復(fù)合材料等此類戰(zhàn)略性材料基本已實(shí)現(xiàn)國內(nèi)自我保障，實(shí)現(xiàn)了碳纖維等關(guān)鍵材料的工程化。

3 直升機(jī)復(fù)合材料的發(fā)展趨勢

（1）原材料技術(shù)是先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用基礎(chǔ)與前提，提升綜合防護(hù)性能的同時(shí)進(jìn)一步減輕質(zhì)量，樹脂基復(fù)合材料采用濕熱性能及環(huán)境適應(yīng)性能力強(qiáng)的樹脂基體，陶瓷復(fù)合防彈裝甲材料在發(fā)展高強(qiáng)高模增強(qiáng)纖維；金屬基復(fù)合材料著重于提升損傷容限及抗疲勞性能。直升機(jī)復(fù)合材料的高性能化發(fā)展是未來的趨勢之一。

（2）未來先進(jìn)直升機(jī)一體化發(fā)展將是一大趨勢，發(fā)展數(shù)字化、自動(dòng)化的設(shè)計(jì)技術(shù)，復(fù)合材料有效實(shí)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)承載-功能，包括隱身、防彈、耐墜性、防雷擊等，至少具備2種或更多功能，實(shí)現(xiàn)直升機(jī)復(fù)合材料制造過程的數(shù)字化。

（3）非熱壓罐成型技術(shù)，屬于低成本制造技術(shù)。直升機(jī)復(fù)合材料全壽命周期的低成本化是未來的發(fā)展趨勢，發(fā)展以共固化/共膠接為核心的大面積整體成型技術(shù)；以纖維自動(dòng)鋪放（AFP）自動(dòng)鋪帶（ATL）為核心的自動(dòng)化制造技術(shù)；包括材料低成本化、核心是發(fā)展低成本制造技術(shù)，設(shè)計(jì)低成本化、制造低成本化和維護(hù)低成本化等方面。其主要的發(fā)展是以樹脂傳遞模塑成型技術(shù)為核心。

4 結(jié)語

隨著近幾十年的不斷發(fā)展，在直升機(jī)裝備上使用復(fù)合材料的工藝制造水平不斷提高，制造成本不斷降低。復(fù)合材料在直升機(jī)上的應(yīng)用已發(fā)展到主承力結(jié)構(gòu)并實(shí)現(xiàn)大范圍成熟的應(yīng)用，對高性能復(fù)合材料、先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)和制造工藝需求迫切。未來國內(nèi)直升機(jī)技術(shù)發(fā)展將追求高效能、長壽命，大力發(fā)展高性能復(fù)合材料、結(jié)構(gòu)功一體化復(fù)合材料和智能復(fù)合材料；發(fā)展自動(dòng)化制造，重點(diǎn)關(guān)注復(fù)合材料整體化和模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)，進(jìn)一步提升復(fù)合材料的技術(shù)應(yīng)用水平。

[1] 黃文俊,何志平,程小全.直升機(jī)復(fù)合材料應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展[J].高科技纖維與應(yīng)用,2016,(5):7-14.

[2] 劉丹,葛文慧.直升機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)電搭接的工程設(shè)計(jì)[J].航空精密制造技術(shù),2017,(6):9-11,16.