基于直升機裝備設計條件下的復合材料應用思路構建

林開平

（鄭州飛機裝備有限責任公司，河南 鄭州 450006）

復合材料在直升機裝備上的應用，例如旋翼，作為直升機唯一的升力來源，旋翼能力的提升成為提高現代直升機飛行速度的最直接的途徑。旋翼能力提升技術除了翼型配置、槳葉平面形狀、氣動扭轉以及槳尖形狀設計等常規途徑以外，前飛速度大于逆速旋翼系統中槳葉的槳尖線速度，經過實踐證明，與直升機裝備中當前進行構造使用的復合材料十分關鍵。從而使整個后行槳葉處于反向氣流之中。復合材料應用在旋翼槳葉上，如玻璃纖維，其突出的優點就是優異的疲勞強度。直升機的飛行能力別具特點，

1 復合材料在直升機裝備主要結構中的應用

（1）在旋翼槳葉上進行纖維復合材料的使用，需要克服纖維的性能弱點，在低的層間剪切強度上，適應環境的敏感性，給旋翼槳葉和應用帶來有利的因素。金屬的槳葉在使用壽命上能夠通過復合材料的使用，從尖削槳尖開始，拋物線掠下之后，實現了全彎曲、非對稱，提高直升機的安全性，阻力系數不斷減小，將使得槳葉的全壽命成本大幅度的降低，反槳尖達到了先進的薄后掠BERP槳尖，帶來可觀的經濟效益。在高性能的基礎上，達到了旋翼效率的提升，力矩系數的變化不大。復合材料在經過模壓固化成型的工藝后，工作人員對于旋翼槳葉的結構動力學和空氣動力學進行了優化設計，是旋翼槳葉的性能最大的改進，新的旋翼，復合材料的改造收到了很好的效果，能夠實現氣動外形和旋翼結構的力學特性的改進。強度和剛度都達到了可剪裁的設計標準，改善了槳葉的啟動荷載的分布，最大系數和臨界馬赫數大大提高，達到6000h以上。旋翼槳尖的狀態的改進，實現槳葉的性能的優化，不僅如此，將復合材料應用在旋翼優化設計中。

（2）對于傳統的金屬漿葉來說，槳轂使用復合材料，實現了直升機裝備的柔性的結構。采用鉸接式槳轂，零件的數目減少，重量減輕，成本降低，采用纖維纏繞環套式槳轂，提高了安全性和可靠性。例如外環式槳轂和鉸鏈式槳轂都在結構上更加緊湊和簡單，重量上減輕，成本上降低。整體式的槳轂和旋翼軸組件，減少了直升機的當量廢阻面，復合材料的最新研究成果，是將采用復合材料制作而成的柔性的變形槳葉的揮舞、變矩運動的無軸承槳轂結構，加以技術性的突破。

（3）直升機的機體機構采用了復合材料，外形曲面和結構受載不是很大，經過加工成形后，提高了結構的損傷容限，運輸類的直升機對于機體機構提出了采用復合材料進行減重的要求，耐墜結構上，根據設計的要求，使用上更加可靠和安全，制定了先進復合材料機體計劃。與鋁合金材料相比，復合材料的維護性和可靠性更好。復合材料和鋁合金機身效益對比如表1。

表1 復合材料和鋁合金機身效益對比

與直升機的設計技術指標的關系十分密切。重型武裝直升機的復合材料，在用量上占到整體重量的50%，垂尾和尾梁上的構建較多，民用運輸直升機在復合材料的運用上則更多，復合材料的用量，達到80%以上。復合材料在機身結構上，用于平尾。不僅能夠減重，還能夠使得復雜的曲面成形，采用復合材料實現減重使得直升機的結構更加簡單。

2 直升機復合材料的應用特點

（1）對于部分利用懸停效應，直升機與固定翼飛機相比，直升機能有效的完成垂直起落、空中懸停和前飛、側飛、回轉飛行及貼地飛行，是一種低速飛行器。復合材料使得直升機具備優良的耐候性、承擔搜索救援及外載運輸等起重任務，其最顯著的不同是利用旋翼旋轉所提供及傳動系統所傳遞的升力、前進力和操縱力，其主要應用環境為惡劣環境條件，直升機與固定翼飛機相比，與高空高速固定翼飛機所不同，飛行高度一般在6000 m以下，選用具備優良抗疲勞特性的復合材料，將是直升機追求高減重效益的最有效途徑。超低空時能夠達到15～30m之間，表現在強度、質量、空氣動力、耐蝕性的環境特點。其飛行速度約在300 km/h，突出的振動問題在于直升機的結構設計在很大程度上是結構動力學的設計問題。

（2）軍用直升機還應滿足防彈、耐墜性等要求。除一般航空器設計的剛度、工藝性和使用維護性外，因直升機與固定翼飛機上述不同的飛行原理和使用環境，例如旋翼系統對氣動彈性、可靠性等設計要求尤為關注；使直升機的結構設計要求還有其特殊要求。直升機結構設計中必須設法降低強迫振動的振幅和避免出現動穩定性問題；直升機的機體結構采用復合材料，例如駕駛艙管梁骨架結構上，在一方面著眼于改進和創新結構設計及制造工藝，另一方面則著眼于結構減重，以及大型整體壁板、夾層結構尾梁等。

（3）直升機結構復合材料在旋翼槳轂上的應用，采用繞襯套纏繞接頭設計。利用氣動布局中樹脂基復合材料模壓成型，率先選用復合材料，具有高的強度比和低密度，包括纖維/彈性軸承槳轂、疲勞強度和調頻設計為主，韌性好等優異的力學性能，星型柔性槳轂、沿翼展多翼型復合材料優異的疲勞和剛度可剪裁特性，無軸承槳轂等。與固定翼飛機相比，這種結構設計與鈦合金結構件相比質量分數減輕30%，連接件基于疲勞及減重的考慮，旋翼系統及傳動系統不僅動部件多機身存在較多薄壁復雜曲面，用到的復合材料旋翼系統動部件設計以球柔性旋翼連接件為主旋翼系統動部件與鋁合金結構件相比壽命提高50% 。

固定翼飛機主要采用雙馬樹脂碳纖維單向帶預浸料，包括玻璃纖維、碳纖維、芳綸等織物，直升機在復合材料應用技術的特點上有一定區別，旋大量采用蜂窩夾層結構主要表現在：通過建立國產復合材料標準體系，對直升機復合材料從無損檢測以及試驗驗證工藝制造、再到結構設計、到原材料控制等各方面的統一規范，翼是直升機特有的結構，是直升機與固定翼飛機的顯著區別，還有旋翼槳葉中的大梁、墊布、蒙皮、后緣條等。機體結構中的機身下構件蒙皮、尾段整流罩，采用了鋁基復合材料。結構形式不同，受力方式也不同。儀表板壁板、尾斜梁、艙短翼、遮光罩等主要應用部位，目前我國的復合材料，碳纖維及高強玻璃纖維環氧基復合材料等此類戰略性材料基本已實現國內自我保障，實現了碳纖維等關鍵材料的工程化。

3 直升機復合材料的發展趨勢

（1）原材料技術是先進復合材料的應用基礎與前提，提升綜合防護性能的同時進一步減輕質量，樹脂基復合材料采用濕熱性能及環境適應性能力強的樹脂基體，陶瓷復合防彈裝甲材料在發展高強高模增強纖維；金屬基復合材料著重于提升損傷容限及抗疲勞性能。直升機復合材料的高性能化發展是未來的趨勢之一。

（2）未來先進直升機一體化發展將是一大趨勢，發展數字化、自動化的設計技術，復合材料有效實現其結構承載-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，實現直升機復合材料制造過程的數字化。

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

4 結語

隨著近幾十年的不斷發展，在直升機裝備上使用復合材料的工藝制造水平不斷提高，制造成本不斷降低。復合材料在直升機上的應用已發展到主承力結構并實現大范圍成熟的應用，對高性能復合材料、先進設計技術和制造工藝需求迫切。未來國內直升機技術發展將追求高效能、長壽命，大力發展高性能復合材料、結構功一體化復合材料和智能復合材料；發展自動化制造，重點關注復合材料整體化和模塊化設計技術，進一步提升復合材料的技術應用水平。

[1] 黃文俊,何志平,程小全.直升機復合材料應用現狀與發展[J].高科技纖維與應用,2016,(5):7-14.

[2] 劉丹,葛文慧.直升機復合材料結構電搭接的工程設計[J].航空精密制造技術,2017,(6):9-11,16.