復合材料在直升機上的應用

摘 要：復合材料在直升機上的用量和應用部位已成為衡量飛機機體結構先進性的重要指標之一，復合材料構件的整體成型、固化技術的不斷進展，使復合材料在直升機上得到進一步的應用。

關鍵詞：復合材料；直升機；應用

直升機與飛機（定翼機）相比，最顯著的不同是有一個、兩個或更多的旋翼，利用旋翼旋轉所提供的升力、前進力和操縱力，直升機能有效地完成垂直起落、空中懸停和前飛、側飛、回轉飛行、貼地飛行，以及當發動機停車時可自轉下滑安全著陸，這是直升機有別于飛機等其他航空飛行器的基本特點。直升機獨有的飛行能力、別具一格的構造形式都源于此，使其成為唯一能夠抵達任何地形區域的運輸工具和機動、靈活的工作平臺和火力平臺。

近代實用直升機通常以西科斯基（Igor Sikorsky）VS-300直升機于1939年9月14日首飛為其發展起始標志，至今已研究開發近70載。自20世紀60年代復合材料零部件開始在直升機上應用，復合材料零件具有結構簡單、重量輕、不需潤滑、使用維護方便、可靠性高、壽命長等特點，使直升機的重量效率（有效載荷/起飛重量）有了大幅度提高，因此，復合材料在直升機上開始大量使用。

1 旋翼槳葉

復合材料在直升機上的突破性的應用進展是20世紀60年代聯邦德國MBB（Messerschmitt-Bolkow-Blohm）公司BO-105、法國宇航（Aerospatiale）公司“小羚羊”SA341和俄羅斯卡莫夫公司的卡-26等直升機玻璃纖維增強復合材料旋翼槳葉的研制成功，證實復合材料的突出優點，優異的疲勞強度、多路傳載、緩慢的裂紋擴展特性和簡便易操作的模壓成形工藝，在旋翼槳葉上得到充分的發揮。而纖維增強復合材料性能的弱點，低的層間剪切強度、性能對環境因素的敏感等，并沒有給旋翼槳葉設計和應用帶來不利影響。金屬槳葉的使用壽命一般不超過2000小時，而復合材料槳葉的壽命可達6000小時以上，甚至無限壽命，并能做到“視情維護”。這不僅提高了直升機的安全性，而且使槳葉的全壽命使用成本大幅度下降，由此帶來了可觀的經濟效益。復合材料簡便易操作的模壓固化成形工藝和強度、剛度（含阻尼特性）的可剪裁設計，是旋翼槳葉設計能夠更有效地進行氣動外形改進與優化及旋翼結構動力學特性的優化。從20世紀70年代開始，新翼型的研究，出現了一系列高性能的直升機槳葉翼型。新翼型的特點是，翼型由對稱變為全彎曲、非對稱，翼型的最大升力系數及臨界馬赫數大大提高、阻力系數減小、力矩系數變化不大。旋翼槳尖形狀的改進，從矩形改為后掠、尖削槳尖、拋物線后掠下反槳尖到先進的薄后掠BERP槳尖，大大改善了槳葉的氣動載荷分布、槳渦干擾、振動及噪聲特性，提高了旋翼效率。不僅如此，設計人員還開展了旋翼槳葉空氣動力學和結構動力學多學科綜合優化設計，將復合材料優化設計與旋翼優化設計相結合，實現了槳葉性能、減振降噪的優化設計目標。因此，20世紀70年代后期新研制的直升機幾乎都采用復合材料槳葉，同時對老型號金屬槳葉采用復合材料槳葉進行替換改造，取得了十分明顯的成效。

2 槳轂

槳轂的復合材料化相對槳葉困難要大得多。法國宇航公司于20世紀70年代后期研制成功的層壓復合材料星形柔性槳轂是復合材料在旋翼槳轂上應用的首次突破性進展?！昂ｋ唷敝鄙龣C星形柔性槳轂與“云雀”Ⅲ直升機鉸接式槳轂相比較，槳轂零件數目減少了近80%，重量減輕45%、相對成本降低65%。美國貝爾公司和波音公司研制的纖維纏繞環套式槳轂，大大減輕了槳轂重量，并提高了安全性和可靠性。歐洲直升機公司研制的纖維纏繞內、外環式槳轂盤實現了多路傳載，更加安全可靠。主要結構件采用復合材料的球柔性鉸接式槳轂，同星形柔性槳轂相比，其結構更加簡單緊湊，只需視情維護，重量又可減輕10%，成本更低。整體式的槳轂/旋翼軸組件使直升機當量廢阻面積減少19%，每千米耗油量下降10%。復合材料槳轂的最新研究成果是以復合材料制成的柔性梁的變形槳葉的揮舞、擺振、變矩運動的無軸承槳轂結構。無軸承槳轂是旋翼技術的重大突破性飛躍，現已成功用于EC-135和RAH-66旋翼結構設計。

3 機體結構

直升機機體結構采用復合材料主要考慮：直升機外形曲面復雜，但結構受載并不是很大，適合采用復合材料加工成形，以提高結構損傷容限，使用安全、可靠；運輸類直升機和武裝直升機都對機體結構提出了采用復合材料減重的要求；耐墜吸能結構、隱身結構設計的需求。為此，1979年美國陸軍航空應用技術研究所制定了“先進復合材料機體計劃”，即ACAP計劃。20世紀80年代西科斯基S-75、貝爾D292、波音360、歐洲MBB的BK-117等全復合材料機身的直升機相繼試飛，與其鋁合金原準機相比，在機身重量、生產成本、可靠性和維護性等方面均有可觀的效益，達到了ACAP計劃指標要求，如表1所列。據此，有專家認為，用復合材料機體結構取代鋁合金機體結構的意義與20世紀40年代用金屬結構取代木材帆布結構相當。

當然，復合材料在機體結構上的用量與直升機的設計技術（性能）指標密切相關。目前，中型和重型武裝直升機復合材料用量占機體結構重量的30%-50%，軍/民用運輸類直升機復合材料用量則高一些，達70%-80%。復合材料在機身結構上首先用于尾梁、垂尾和平尾等構件上，一是為了減重，二是涵道垂尾等復雜曲面采用復合材料易于成形。耐墜吸能結構也采用復合材料實現減重。輕小型直升機結構簡單、受載小、壁薄，采用復合材料可能并不一定經濟。

我國20世紀70年代已開始研制直升機復合材料旋翼槳葉，如“延安”2號旋翼槳葉。20世紀80年代我國引進“海豚”復合材料旋翼槳葉、星形柔性槳轂生產技術和復合材料機體結構的制造技術，如涵道大垂尾、動力艙整流罩、平尾、測垂尾等部件。20世紀90年代我國積極參與國際合作完成EC-120、S-92等直升機上復合材料結構件的設計和制造。自行研制的直-11型直升機，旋翼槳葉和尾槳都采用了全復合材料結構型式，槳轂星形柔性件和夾板均采用復合材料結構。目前在第二屆天津國際直升機博覽會上參加飛行表演的國產新型直升機直-10、直-19也都大量采用了復合材料。

參考文獻

[1]倪先平，蔡汝鴻，曹喜金.直升機技術發展現狀與展望[J].航空學報，2003，1.

[2]倪先平，直升機手冊[M].北京：航空工業出版社，2004.

[3]黃曉東，王衛衛，蔣瑋光.直升機旋翼系統彈性軸承剛度特性試驗方法研究[J].機械強度，2012，2.