直升機(jī)槳葉填芯材料發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用

李志峰，王正峰

(1.中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001；2.海裝駐南昌地區(qū)航空軍事代表室，江西 南昌 330000)

0 引言

槳葉是直升機(jī)的關(guān)鍵動(dòng)部件，提供了直升機(jī)飛行所需的升力和操縱力。幾十年來(lái)，各種直升機(jī)層出不窮，直升機(jī)槳葉構(gòu)型也歷經(jīng)演變。但無(wú)論金屬大梁槳葉(見圖1)還是復(fù)合材料大梁槳葉(見圖2)，從具體結(jié)構(gòu)上看，都由蒙皮、大梁和填芯等組成。蒙皮和大梁是槳葉的主承力結(jié)構(gòu)，槳葉填芯雖不直接承擔(dān)載荷，但卻維系著槳葉蒙皮和大梁的形狀，對(duì)其起重要的支撐作用。填芯對(duì)槳葉的制造質(zhì)量影響很大，因此槳葉生產(chǎn)中必須首先依據(jù)填芯材料的壓縮強(qiáng)度，結(jié)合槳葉大梁和蒙皮的具體結(jié)構(gòu)，通過(guò)一定數(shù)量縮比樣件工藝試驗(yàn)摸索槳葉填芯的過(guò)盈量；然后通過(guò)對(duì)全尺寸槳葉無(wú)損檢測(cè)和破壞性切割檢查初步確定槳葉填芯材料的過(guò)盈量；最后按滿足槳葉疲勞壽命要求的產(chǎn)品狀態(tài)確定槳葉填芯材料的過(guò)盈量。槳葉填芯材料的壓縮強(qiáng)度和密度是槳葉設(shè)計(jì)選材考慮的重要參數(shù)。

圖1 金屬大梁槳葉剖面示意圖

圖2 復(fù)材大梁槳葉剖面示意圖

1 槳葉填充材料分類

槳葉填充材料屬于多孔固體。多孔固體主要有二維蜂窩結(jié)構(gòu)、三維開孔泡沫和三維閉孔泡沫三種典型結(jié)構(gòu)。二維蜂窩結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，六邊形做兩維排列，像蜜蜂的巢穴一樣堆積充滿平面空間。三維泡沫結(jié)構(gòu)比較普遍，其孔穴由三維空間填充的多面體構(gòu)成，如果組成泡沫的固體僅僅只是孔穴的棱邊，則稱該泡沫是開孔的，屬三維開孔泡沫；如果多面體的壁面也是固體的，以至于每個(gè)孔穴都與其相鄰的孔穴相互封閉隔離，則稱該泡沫是閉孔的，屬三維閉孔泡沫。

直升機(jī)槳葉研制史上，鋁蜂窩、玻璃布蜂窩、紙蜂窩、聚乙烯(PVC)泡沫、聚苯乙烯(PS)泡沫、聚氨酯(PUR)泡沫、聚醚酰亞胺(PEI)泡沫和聚甲基丙烯酰亞胺(PMI)泡沫等都曾被用作填芯材料。在上述各種填芯材料中，芳綸紙蜂窩(見圖3)、硬質(zhì)聚氨酯泡沫(見圖4)和聚甲基丙烯酰亞胺泡沫(見圖5)具有代表性且應(yīng)用范圍較廣。

2 芳綸紙蜂窩

2.1 發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)60年代，美國(guó)杜邦公司首先采用其發(fā)明的間位芳綸紙制成芳綸紙蜂窩并投入使用，該芳綸紙蜂窩在當(dāng)今市場(chǎng)上應(yīng)用比較廣泛。后來(lái)，杜邦公司又采用凱夫拉纖維與造紙用間位漿粕研制出了對(duì)位芳綸紙蜂窩。20世紀(jì)80年代以前，俄羅斯一直采用與美國(guó)相同的工藝方法制備芳綸紙蜂窩。后來(lái)俄羅斯技術(shù)人員調(diào)整了芳綸紙蜂窩生產(chǎn)工藝流程，解決了影響芳綸紙蜂窩力學(xué)性能的最關(guān)鍵的問(wèn)題(浸膠工藝)，從根本上提高了芳綸紙蜂窩外觀和力學(xué)性能的均勻性，同時(shí)使原材料的浪費(fèi)率由30%降到5%，大大降低了制作芳綸紙蜂窩的成本。

20世紀(jì)80年代末，中國(guó)一些院校和企業(yè)開始芳綸紙蜂窩研究，華南理工大學(xué)胡建[1]等指出國(guó)產(chǎn)芳綸紙與杜邦公司生產(chǎn)的芳綸紙相比還存在一定差距；郝巍[2]認(rèn)為國(guó)產(chǎn)芳綸紙孔隙率偏大，對(duì)蜂窩的成型工藝有一定影響，會(huì)導(dǎo)致制備的蜂窩脆性大。目前，北京航空材料研究院采用煙臺(tái)氨綸集團(tuán)旗下美士達(dá)公司生產(chǎn)的間位芳綸紙通過(guò)一系列成熟的工藝流程研制出了多種不同型號(hào)的芳綸紙蜂窩材料。

2.2 性能參數(shù)

芳綸紙蜂窩具有比強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好、隔熱阻燃等特點(diǎn)。芳綸紙蜂窩的密度一般在22kg/m3～150kg/m3。芳綸紙蜂窩的力學(xué)性能主要與蜂窩密度相關(guān)，對(duì)于同一種芳綸紙，蜂窩的壓縮強(qiáng)度和縱向剪切強(qiáng)度基本隨密度增大而增大。表1給出了國(guó)內(nèi)外部分芳綸紙蜂窩的物理特性及力學(xué)性能。

2.3 工藝性

芳綸紙蜂窩的橫向剛度很小，加工時(shí)的裝夾方法對(duì)其加工效率和加工精度都有很大影響。實(shí)踐表明，傳統(tǒng)的零件裝夾方法不適用于芳綸紙蜂窩；通用數(shù)控加工設(shè)備及加工方法因存在裝夾、刀具和工藝策略等問(wèn)題容易導(dǎo)致蜂窩加工時(shí)被扯起或出現(xiàn)其他質(zhì)量等問(wèn)題，適用性不強(qiáng)。

目前，部分企業(yè)采用超聲切割技術(shù)加工蜂窩。該技術(shù)的核心是超聲切割頭，其基本原理[3]是利用電子超聲發(fā)生器產(chǎn)生頻率為20kHz～30kHz的超聲波，通過(guò)切割頭內(nèi)置的超聲-機(jī)械換能器將超聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲機(jī)械振動(dòng)，再經(jīng)過(guò)放大器將有限的超聲機(jī)械振動(dòng)放大到切割所需的能量，最后該能量通過(guò)專用的刀具切割蜂窩。超聲波切割經(jīng)常用到直刃和盤式兩種刀具，其中直刃刀具用于粗加工平面或曲面以及零件外形邊界的切斷等，盤式刀具用于半精或精加工平面或底面。

表1 國(guó)內(nèi)外部分芳綸紙蜂窩物理特性及力學(xué)性能

蜂窩具有很強(qiáng)的延展性，因此加工過(guò)程中需對(duì)刀具的進(jìn)給速度進(jìn)行嚴(yán)格控制，特別是盤式刀，極易使蜂窩空格拉長(zhǎng)或壓縮，會(huì)影響零件的型面加工精度和外形輪廓尺寸。

2.4 應(yīng)用情況

芳綸紙蜂窩材料應(yīng)用較廣，各主要直升機(jī)公司的代表性機(jī)種都采用了該材料。從直升機(jī)噸位上看，從輕型、中型到重型，基本全覆蓋。

1961年，波音公司縱列式運(yùn)輸直升機(jī)CH-47“支奴干”(24噸級(jí))首飛，其槳葉采用了紙蜂窩作為填芯材料。1966年，美國(guó)貝爾公司“噴氣突擊隊(duì)員”系列的貝爾206A直升機(jī)(2噸級(jí))首飛，其主槳葉首先采用紙蜂窩作為填芯材料，由此開啟了貝爾公司紙蜂窩應(yīng)用的序幕，其后研制的許多直升機(jī)均采用紙蜂窩。西科斯基公司的“黑鷹”直升機(jī)(10噸級(jí))主槳葉采用了紙蜂窩作為填芯材料。波音公司研制的美國(guó)第二代武裝直升機(jī)“阿帕奇”(10噸級(jí))主槳葉后腔填芯材料采用了紙蜂窩。

20世紀(jì)80年代，為對(duì)抗美國(guó)的“阿帕奇”武裝直升機(jī)，前蘇聯(lián)研制了其第二代武裝直升機(jī)(11噸級(jí))。米里公司、卡莫夫公司分別研制了剪刀式尾槳構(gòu)型的米-28N直升機(jī)和共軸式武裝直升機(jī)Ka-50，這兩型直升機(jī)槳葉均采用了芳綸紙蜂窩材料。1998年，卡莫夫公司Ka-27、Ka-28、Ka-29、Ka-31和Ka-32直升機(jī)在槳葉升級(jí)時(shí)用紙蜂窩替代了原來(lái)的鋁蜂窩。表2給出了紙蜂窩在部分直升機(jī)槳葉上的應(yīng)用情況。

表2 紙蜂窩在部分槳葉上的應(yīng)用情況

3 硬質(zhì)聚氨酯泡沫

3.1 發(fā)展現(xiàn)狀

1958年，杜邦公司以異氰酸酯、多元醇和一氟三氯甲烷(CFC-11)發(fā)泡劑首先成功制備硬質(zhì)聚氨酯泡沫。我國(guó)從20世紀(jì)50年代初開始研究聚氨酯泡沫，至今形成了引進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)甲苯二異氰酸酯、二苯基甲烷二異氰酸酯和多亞甲基多苯基異氰酸酯為主，輔以自主研發(fā)的技術(shù)生產(chǎn)六亞甲基二異氰酸酯、三氨基壬烷三異氰酸酯的生產(chǎn)格局。為改善硬質(zhì)聚氨酯泡沫的性能，研究人員在不改變聚合物結(jié)構(gòu)的前提下，在整個(gè)體系中加入適當(dāng)?shù)闹鷦?duì)聚氨酯泡沫進(jìn)行增強(qiáng)。巴志新[4]等研究發(fā)現(xiàn)用直徑10μm～15μm無(wú)堿破碎玻璃纖維增強(qiáng)聚氨酯泡沫，壓縮強(qiáng)度隨玻璃纖維粒度的細(xì)化而增大；趙斌[5]等研究發(fā)現(xiàn)用尼龍66纖維和SiO2顆粒作混合增強(qiáng)劑，能使泡沫的拉伸、壓縮和沖擊強(qiáng)度都明顯提高。

3.2 性能參數(shù)

硬質(zhì)聚氨酯泡沫具有優(yōu)良的物理力學(xué)性能、聲學(xué)性能和耐化學(xué)性能。硬質(zhì)聚氨酯泡沫的壓縮強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度取決于其原料、配方和結(jié)構(gòu)。其中泡沫密度是決定因素，隨著密度的增大，壓縮強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度明顯增大。表3給出了國(guó)內(nèi)外部分硬質(zhì)聚氨酯泡沫的物理特性及力學(xué)性能。

表3 國(guó)內(nèi)外部分硬質(zhì)聚氨酯泡沫的物理特性及力學(xué)性能

3.3 工藝性

硬質(zhì)聚氨酯泡沫硬度不高，適用于簡(jiǎn)單的機(jī)械加工或數(shù)控加工，但進(jìn)給速度不能太大。從孔穴結(jié)構(gòu)上看，硬質(zhì)聚氨酯泡沫屬于不完全封閉結(jié)構(gòu)，加工過(guò)程中產(chǎn)生的粉末量大且不易清理徹底，加工好的泡沫填芯在工序流轉(zhuǎn)中還會(huì)因摩擦和磕碰產(chǎn)生粉末，因此最終與槳葉其他零件裝配前必須采用除塵設(shè)備去除全部粉末，不然會(huì)直接影響與槳葉大梁和蒙皮等結(jié)構(gòu)的粘接性能。

3.4 應(yīng)用情況

從國(guó)內(nèi)外應(yīng)用情況來(lái)看，硬質(zhì)聚氨酯泡沫主要應(yīng)用在輕型、中型直升機(jī)槳葉上，尚未發(fā)現(xiàn)重型直升機(jī)槳葉應(yīng)用該泡沫的先例。20世紀(jì)70年代，歐直公司開始在“松鼠”系列直升機(jī)(2噸級(jí))和“海豚”系列直升機(jī)(4噸級(jí))主槳葉上應(yīng)用硬質(zhì)聚氨酯泡沫。其2009年12月首飛的EC175直升機(jī)(6噸級(jí))主槳葉填芯采用的仍是硬質(zhì)聚氨酯泡沫?？傮w上看，硬質(zhì)聚氨酯泡沫在直升機(jī)槳葉上的應(yīng)用呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，已逐漸被PMI泡沫替代。表4給出了硬質(zhì)聚氨酯泡沫在部分槳葉上的應(yīng)用情況。

表4 硬質(zhì)聚氨酯泡沫材料在部分槳葉上的應(yīng)用情況

4 聚甲基丙烯酰亞胺(PMI)泡沫

4.1 發(fā)展現(xiàn)狀

1966年，德國(guó)羅姆(ROHM)公司首先用丙烯晴、甲基丙烯晴、丙烯酰胺和甲基丙烯酸酯熱塑性樹脂在180℃下發(fā)泡并交聯(lián)制作PMI泡沫。1967年日本積水化學(xué)公司采用輻射交聯(lián)法制作PMI泡沫。

目前,德國(guó)贏創(chuàng)德固賽公司的ROHACELL系列PMI泡沫在市場(chǎng)上占據(jù)著主導(dǎo)地位。2007年，湖南塑料研究所研制出PMI泡沫產(chǎn)品，并在2010年承擔(dān)了湖南省屬科研機(jī)構(gòu)創(chuàng)新發(fā)展專項(xiàng)“大型復(fù)合材料構(gòu)件用聚甲基丙烯酰亞胺泡沫材料中試研究機(jī)應(yīng)用推廣”，2011年作為投資者之一成立了湖南兆恒科技有限公司，生產(chǎn)PMI泡沫[6]。中航復(fù)材技術(shù)中心與福建浩博合作，已成功研制出ACCPMI系列PMI泡沫材料，并建立了年產(chǎn)能力3000m3的PMI泡沫生產(chǎn)線[7]。

4.2 性能參數(shù)

PMI泡沫具有良好的力學(xué)性能、各向同性，具有良好的穩(wěn)定性、耐化學(xué)性能，在低溫情況下還具有很低的熱導(dǎo)率。目前，相同密度情況下，PMI泡沫是拉伸和剪切模量、強(qiáng)度最高的聚合物泡沫材料。表5給出了部分PMI泡沫的物理特性及力學(xué)性能。

表5 國(guó)內(nèi)外部分PMI泡沫的物理特性及力學(xué)性能

4.3 工藝性

PMI泡沫是三維閉孔泡沫，使用機(jī)械進(jìn)行泡沫表面加工或開槽時(shí)，加工速度可以很快，能達(dá)到蜂窩的十倍。ROHACELL技術(shù)手冊(cè)[8]指出，采用螺旋狀嵌有60/72粒度的工業(yè)金剛石刀刃、轉(zhuǎn)速7200rpm～12000rpm或采用五點(diǎn)、淬火NONVAR工具鋼刀刃、轉(zhuǎn)速2800～3500rpm，通過(guò)選擇合適的數(shù)控加工進(jìn)刀速度，可以獲得光滑的泡沫加工表面。

4.4 應(yīng)用情況

PMI泡沫用作槳葉填芯，主要見于歐直公司，其20世紀(jì)80、90年代具有代表性的機(jī)型基本都選用了PMI泡沫，從起飛重量上看，應(yīng)用范圍基本覆蓋了直升機(jī)的各種噸位。1987年，EH101直升機(jī)(15噸級(jí))首飛，其主槳葉的前腔和中腔填芯都采用了PMI泡沫。1991年4月，EC625“虎”式直升機(jī)(6噸級(jí))首飛，其主槳葉前腔填芯采用了PMI泡沫。1994年2月，EC135直升機(jī)(3噸級(jí))首飛,其主槳葉前腔和后腔都采用了PMI泡沫。

1995年6月，法國(guó)、新加坡和中國(guó)聯(lián)合推出了EC120B輕型直升機(jī)(2噸級(jí))，其主槳葉用PMI泡沫代替了原來(lái)的填充材料。1995年12月，法國(guó)、意大利、德國(guó)、英國(guó)和荷蘭5國(guó)聯(lián)合研制的NH90直升機(jī)(10噸級(jí))主槳葉前三腔和尾槳葉也采用了PMI泡沫。英國(guó)韋斯特蘭公司研制的曾創(chuàng)造了直升機(jī)飛行速度世界紀(jì)錄的“山貓”直升機(jī)，其主槳葉改進(jìn)時(shí)，最終用PMI泡沫代替了原來(lái)的芳綸紙蜂窩。

5 結(jié)論

經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，直升機(jī)槳葉填芯材料物理性能和力學(xué)性能逐漸提高，與槳葉設(shè)計(jì)的材料體系和生產(chǎn)工藝更加匹配；填芯材料技術(shù)發(fā)展的區(qū)域不平衡仍然存在，但各直升機(jī)公司大都形成了與各自填芯材料的性能特點(diǎn)相適應(yīng)的槳葉設(shè)計(jì)方法和生產(chǎn)工藝；歐直公司主槳葉填芯選材進(jìn)一步精細(xì)化，部分槳葉同時(shí)選用了芳綸紙蜂窩和PMI泡沫；部分PMI泡沫料的尺寸穩(wěn)定性指標(biāo)尚不明確，有必要開展進(jìn)一步研究；從槳葉弦向重心控制角度考慮，壓縮強(qiáng)度相同的情況下，密度低、工藝性能好的填芯材料更具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。