直升機結(jié)構(gòu)中高性能復(fù)合材料的應(yīng)用及發(fā)展趨勢研究

李博?張爽

摘要：本文對高性能復(fù)合材料在國內(nèi)外直升機結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用情況進行研究，總結(jié)國內(nèi)直升機結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域在復(fù)合材料應(yīng)用方面同國外的差距，闡述高性能復(fù)合材料未來的發(fā)展趨勢。研究表明，結(jié)構(gòu)功能一體化、高性能和高穩(wěn)定性、低成本以及智能化將是未來復(fù)合材料發(fā)展的重要方向，同時應(yīng)開展復(fù)合材料嵌套式認證方法以及高置信度虛擬認證技術(shù)的研究應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：直升機;結(jié)構(gòu);復(fù)合材料;發(fā)展趨勢

直升機的飛行特征不同于固定翼飛機，低空低速甚至是低空掠海飛行導(dǎo)致其服役環(huán)境及其惡劣。相較于傳統(tǒng)的金屬材料，復(fù)合材料具有比模量、比強度高，鋪層可剪裁設(shè)計性，疲勞敏感性低以及耐腐蝕性好等諸多優(yōu)點，正成為直升機減輕結(jié)構(gòu)重量，滿足環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計以及顯著降低型號全壽命周期成本的最佳選材。隨著復(fù)合材料的誕生以及大規(guī)模應(yīng)用，航空器的設(shè)計制造正走向一條變革之路[1]。

1 國外應(yīng)用現(xiàn)狀

20世紀60年代，復(fù)合材料開始被用來設(shè)計制造直升機的整流罩等次承力結(jié)構(gòu)，之后波音、西科斯基和空直等歐美直升機設(shè)計制造公司持續(xù)關(guān)注并開展諸如旋翼結(jié)構(gòu)技術(shù)驗證項目、高生存性且低成本可修復(fù)機體結(jié)構(gòu)等直升機高性能復(fù)合材料應(yīng)用項目的研究，目前歐美直升機設(shè)計制造企業(yè)在復(fù)合材料的研制開發(fā)、設(shè)計應(yīng)用、制造水平上均處于世界前列，NH-90、CH-53K型直升機中復(fù)合材料的用量超過90%以上。

1.1 ?未來垂直升力項目

未來垂直升力（FVL）項目是美國陸軍卓越中心牽頭的國防部聯(lián)合研發(fā)項目，主要是用來滿足美國陸軍和海軍陸戰(zhàn)隊對武裝直升機和通用運輸直升機的需求，預(yù)計在2030年左右取代現(xiàn)有的H-1和H-60機隊，降低美軍直升機的研發(fā)和使用維護成本[2]。最終有兩款型號入選該項目，分別是西科斯基和貝爾公司聯(lián)合研制的V-280“勇士”傾轉(zhuǎn)旋翼機、波音公司的SB-1“無畏”。

作為貝爾公司的第三代傾轉(zhuǎn)旋翼機V-280，設(shè)計人員的關(guān)注重點在低成本和設(shè)計簡化的可靠性上，通過采用先進材料、自動制造工藝，使用設(shè)計制造一體化及低成本研發(fā)工具使得研發(fā)成本得到明顯降低。蒙皮與肋的裝配過程使用高性能的室溫固化膠進行膠接，設(shè)計選用IM10碳纖維環(huán)氧寬幅預(yù)浸料，通過手工鋪放，制造大尺寸碳纖維蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)機翼大梁、蒙皮及肋結(jié)構(gòu)，得益于上述方法的使用，V-280型機的緊固件使用量降低95%，勞動力總成本降低57%[3]。

波音公司采用在V-22魚鷹運輸機機身蒙皮和波音787客機制造過程中已應(yīng)用過的自動纖維鋪放技術(shù)（AFP）進行SB-1型機的旋翼槳葉制造。主槳葉大梁先通過機器頭沿芯軸鋪放出的碳纖維絲帶制備出來，之后將鋪放出的大梁放置在工裝上通過熱壓罐進行固化。傳統(tǒng)的大梁制造所采用的手工鋪放工藝會出現(xiàn)槳葉與槳葉間離散性大、缺陷數(shù)量多且勞動力成本高的問題，采用AFP技術(shù)除避免上述手工鋪放帶來的問題外，還可設(shè)計制造出性能更穩(wěn)定優(yōu)異的無膠接接頭的大梁，大幅縮短槳葉的制造周期，提高了設(shè)計自由度水平。

SB-1型機的機體結(jié)構(gòu)設(shè)計制造過程借鑒應(yīng)用前期的預(yù)研成果以及在波音787飛機上已應(yīng)用過的先進工藝和經(jīng)驗，使用具有更高的比模量、比強度以及高韌性的復(fù)合材料進行結(jié)構(gòu)減重設(shè)計。鉚接過程采用機器人鉆孔及安裝緊固件，該技術(shù)相較于傳統(tǒng)人工鉚接生產(chǎn)，生產(chǎn)成本減少一半，不合格品率降低90%。

1.2 ?中型直升機H-160

空直公司集成最新的創(chuàng)新技術(shù)研發(fā)出中型多用途直升機H-160，該型機能夠滿足近海運輸、緊急醫(yī)療服務(wù)、私人以及公務(wù)航空等多種任務(wù)需求，得益于藍色前緣槳葉，可為乘客提供超凡的舒適性，同時該型號也是世界上第1款全復(fù)合材料的民用直升機。該型機已于2020年取得歐洲航空安全局頒發(fā)的型號合格證。

H-160直升機使用球柔性旋翼構(gòu)型，其中的槳轂中央件作為旋翼的核心關(guān)鍵件承受離心力、升力、旋轉(zhuǎn)彎矩、主旋翼扭矩和剪切載荷，受力情況及其復(fù)雜。空直公司現(xiàn)有型號的槳轂中央件均為鈦合金材料制成，其4500飛行小時的使用壽命遠低于直升機10000飛行小時的全壽命周期?？罩惫驹贖-160型號設(shè)計中創(chuàng)新性的選用聚醚醚酮（PEEK）熱塑性樹脂碳纖維復(fù)合材料替代傳統(tǒng)的鈦合金材料制造槳轂中央件，其中的PEEK樹脂是已知的商業(yè)化樹脂中耐疲勞性能和抗剪切性能最佳的樹脂，相較于目前常用的環(huán)氧樹脂，其抗剪切性能提高18%，疲勞性能提高50%。H-160型機使用熱塑性復(fù)合材料設(shè)計制造主旋翼槳轂中央件，并成為全球首個依據(jù)最新版FAA/EASA 27.573條《復(fù)合材料旋翼航空器的損傷容限惡化疲勞評定》開展適航符合性認證工作的機型[4]。

1.3 ?重型直升機CH-53K

美國國防部2005年底批準西科斯基公司的CH-53K發(fā)展計劃，西科斯基公司開始為美國海軍陸戰(zhàn)隊研發(fā)一款全新設(shè)計的重型直升機，用來替換在伊拉克戰(zhàn)爭中損耗嚴重的CH-53E直升機機隊，該型機于2015年底首飛成功，預(yù)計在2029年形成完整的作戰(zhàn)能力。西科斯基公司針對該型號提出5大關(guān)鍵技術(shù)，分別是GE38渦軸發(fā)動機、轉(zhuǎn)矩分流傳動、線傳飛控、第四代旋翼槳葉以及創(chuàng)新輕質(zhì)復(fù)合材料機身結(jié)構(gòu)[5]。

CH-53K型機應(yīng)用的創(chuàng)新輕質(zhì)復(fù)合材料技術(shù)中的典型結(jié)構(gòu)代表是無軸承尾槳復(fù)合材料柔性梁。作為尾槳飛行關(guān)鍵部位，復(fù)合材料柔性梁的作用是將所有槳葉的大梁和上下蒙皮連接到尾槳軸，其結(jié)構(gòu)形式呈狗骨頭狀，尺寸達到1626mm×343mm×76mm，由737層預(yù)浸料鋪覆而成，結(jié)構(gòu)沿著中軸9°扭轉(zhuǎn)。由于該件結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，鋪層數(shù)量過多，若采用傳統(tǒng)的工人手工鋪貼制造，會產(chǎn)生制造工時多，產(chǎn)品合格率低，生產(chǎn)成本過高的問題。為避免上述問題，海軍航空司令部于2011年同Accudyne系統(tǒng)公司簽訂合同，由其開展CH-53K型號的尾旋翼柔性梁自動鋪放技術(shù)的研究工作[6]。

2 國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀及與國外差距情況

我國于20世紀80年代從法國引進SA-365N型直升機，并成功國產(chǎn)化為Z9系列直升機，我國從此開始在直升機領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用復(fù)合材料進行結(jié)構(gòu)設(shè)計制造，應(yīng)用部位包括旋翼系統(tǒng)、整流罩、機身蒙皮等機體主、次承力結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式包括層壓板、蜂窩/泡沫夾層結(jié)構(gòu)，選材類型涵蓋碳纖維、高模量碳纖維、高強玻璃纖維、無堿玻璃布和芳綸纖維環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料。

2.1 ?應(yīng)用現(xiàn)狀

國產(chǎn)直升機目前已在旋翼槳葉、機體結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計中大量選用系列化的中、高溫環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料，T300級碳纖維、R級高強玻璃纖維、無堿玻璃布均得到廣泛應(yīng)用，復(fù)合材料件的制造以熱壓罐成型為主，并已開展非熱壓罐成型固化、3D編織等先進的復(fù)合材料成型工藝的應(yīng)用研究。

21世紀后，我國基本實現(xiàn)碳纖維和高強玻璃纖維材料的國產(chǎn)化研制，形成了國產(chǎn)復(fù)合材料從原材料生產(chǎn)、結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝制造、無損檢測和試驗驗證的統(tǒng)一規(guī)范，掌握復(fù)合材料積木式試驗從試樣級-元件級-組件級-部件級-系統(tǒng)級的試驗設(shè)計和試驗結(jié)果的分析驗證能力。

2.2 ?國內(nèi)外差距

近年來，國產(chǎn)直升機結(jié)構(gòu)中復(fù)合材料的應(yīng)用量已大幅提升，但較歐美直升機企業(yè)仍有一定差距，主要表現(xiàn)為：國產(chǎn)復(fù)合材料的性能穩(wěn)定性有待提高;非熱壓罐成型技術(shù)和低成本復(fù)合材料技術(shù)與國外存在技術(shù)代差;復(fù)合材料修理技術(shù)水平較低。

另外，國內(nèi)新研直升機的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)采用傳統(tǒng)的積木式試驗進行鑒定取證，需要進行大量的試驗驗證，造成經(jīng)費成本增加以及取證周期延長。目前，波音公司針對AH-64D型號的旋翼槳葉復(fù)合材料驗證所提出的嵌套式認證方法已編入CMH-17G手冊中，試驗數(shù)量得到大幅減少，美國旋翼機工業(yè)協(xié)會針對FVL項目新研的復(fù)合材料提出高置信度虛擬認證技術(shù)[7]。國內(nèi)對于嵌套式認證方法應(yīng)用以及高置信度虛擬認證技術(shù)的研究正處于前期理論研究階段。

3 發(fā)展趨勢

復(fù)合材料在直升機結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用比例和重要性不斷提高，未來復(fù)合材料的發(fā)展方向主要為結(jié)構(gòu)功能一體化、高性能和高穩(wěn)定性、低成本以及智能化。

3.1 ?結(jié)構(gòu)功能一體化

直升機可以在任何條件跑道上進行低空長時間懸停的飛行特點決定其無法避免因下洗氣流造成的跑道沙石對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)生低能量沖擊的問題，直升機因難以設(shè)置彈射座椅的現(xiàn)實情況決定在設(shè)計時需按抗墜毀要求設(shè)計復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，軍用直升機還需考慮隱身、防彈等要求。未來直升機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計需保證結(jié)構(gòu)性能與功能性相結(jié)合，如目前已提出的一體化保護蒙皮[8]概念，在保證復(fù)合材料蒙皮具有更好的氣動外形效果的同時，極大提高直升機的隱身性能。

3.2 ?高性能和高穩(wěn)定性

直升機的旋翼系統(tǒng)振動特性復(fù)雜，結(jié)構(gòu)面臨嚴重的剛度、疲勞和壽命問題，對未來直升機用復(fù)合材料提出了高性能和高的性能穩(wěn)定性要求。目前該方面的前沿技術(shù)有納米顆粒改性增韌樹脂和熱塑性樹脂等，不僅要保證纖維的高模量和高增強性，還要提高樹脂基體的韌性和耐濕熱性能力。

3.3 ?低成本

直升機結(jié)構(gòu)設(shè)計的一個主要關(guān)注點是減重問題，通過選用高性能復(fù)合材料進行結(jié)構(gòu)減重，可以有效降低用戶的運營成本，但目前復(fù)合材料的制造成本相對于鋁合金來說居高不下，并未有效降低制造企業(yè)的生產(chǎn)成本，因此直升機結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料的未來發(fā)展方向是在其全壽命周期內(nèi)的低成本化，即材料、制造、維護3個方面的低成本化。目前該方向的前沿技術(shù)包括非熱壓罐固化技術(shù)、自動鋪絲技術(shù)、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理標準化等。

3.4 ?智能化

直升機未來的結(jié)構(gòu)設(shè)計需關(guān)注智能復(fù)合材料的發(fā)展情況，即具有自感知、自診斷、自修復(fù)以及自適應(yīng)的復(fù)合材料技術(shù)。目前的前沿技術(shù)例如具有自修復(fù)能力的樹脂，以及含有智能纖維的復(fù)合材料，這些技術(shù)有助于直升機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)實現(xiàn)振動和噪聲控制、主動變形以及獲得結(jié)構(gòu)狀態(tài)自診斷、損傷自修復(fù)的能力。

4 結(jié)論

我國直升機保有量較歐美發(fā)達國家差距較大，未來國內(nèi)對直升機的需求依然旺盛，在直升機結(jié)構(gòu)中選用復(fù)合材料有利于提高材料力學(xué)性能、減輕結(jié)構(gòu)重量、減少生產(chǎn)成本及制造周期，而滿足高性能輕質(zhì)化結(jié)構(gòu)設(shè)計的高性能復(fù)合材料將是未來直升機結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域發(fā)展的聚焦點之一。根據(jù)國外目前高性能復(fù)合材料的發(fā)展趨勢，我國應(yīng)關(guān)注具有結(jié)構(gòu)功能一體化的復(fù)合材料技術(shù);以高性能的熱塑性樹脂基為代表的高性能復(fù)合材料技術(shù);以非熱壓罐固化、自動鋪絲為代表的低成本成型技術(shù);以具有自感知、自診斷、自修復(fù)以及自適應(yīng)的智能化復(fù)合材料技術(shù)，同時應(yīng)該關(guān)注開展復(fù)合材料嵌套式認證方法以及高置信度虛擬認證技術(shù)的研究?！耙淮牧?、一代裝備”，我國在高性能復(fù)合材料的研發(fā)應(yīng)用上雖同國外存在差距，但隨著國家多個預(yù)研項目支撐及型號牽引下，應(yīng)該相信未來國內(nèi)復(fù)合材料技術(shù)必將迎頭趕上世界先進水平。

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