復(fù)合材料在直升機(jī)傳動系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展趨勢

■ 王帥 梁福東 魯雄/中國航發(fā)動研所

復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比模量高、抗疲勞性能好的特點(diǎn)。根據(jù)直升機(jī)尾傳動軸、動力傳動軸、旋翼軸以及機(jī)匣的受力情況，利用復(fù)合材料各向異性的特點(diǎn)，可將復(fù)合材料應(yīng)用于直升機(jī)傳動系統(tǒng)的各個部件。

先進(jìn)復(fù)合材料的研發(fā)，源于對飛機(jī)結(jié)構(gòu)效率的提高和性能改善的需求，并在飛機(jī)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用上取得了顯著的效果。在飛行器中，復(fù)合材料的用量已占到結(jié)構(gòu)質(zhì)量的24%～30%。一些先進(jìn)直升機(jī)，如RAH-66、“虎”、NH-90、EH101等，機(jī)體結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的用量已達(dá)到結(jié)構(gòu)質(zhì)量的50%左右，甚至更高。同時，復(fù)合材料已逐步應(yīng)用于轉(zhuǎn)動件、承力件。

圖1 UH-60M復(fù)合材料尾傳動軸

圖2 復(fù)合材料尾傳動軸端口結(jié)構(gòu)

復(fù)合材料在直升機(jī)尾傳動軸的應(yīng)用

在直升機(jī)傳動系統(tǒng)中，尾傳動軸部件相對于其他部件而言受力單一、結(jié)構(gòu)簡單，故復(fù)合材料在尾傳動軸部件的應(yīng)用比較廣泛。

西科斯基直升機(jī)公司在UH-60中采用的是鋁合金亞臨界軸，為了提高尾傳動軸的強(qiáng)度、抗腐蝕能力，在UH-60M上換裝了復(fù)合材料尾傳動軸（見圖1和圖2），并進(jìn)行了有限元分析、靜力試驗(yàn)及疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證，證明了方案的可行性。

貝爾直升機(jī)公司的427輕型雙發(fā)直升機(jī)的傳動系統(tǒng)尾傳動軸由2段鋼軸和5段亞臨界鋁軸組成，而貝爾429的傳動系統(tǒng)尾傳動軸將后面5段亞臨界鋁軸改成了2段超臨界復(fù)合材料尾傳動軸。貝爾429和貝爾427的轉(zhuǎn)速相同，但貝爾429的尾傳動軸連續(xù)功率提升了40%，且尾傳動軸的零件數(shù)量減少，質(zhì)量減輕11%。

復(fù)合材料在直升機(jī)動力傳動軸的應(yīng)用

直升機(jī)動力傳動軸轉(zhuǎn)速高，傳扭大。利用復(fù)合材料比強(qiáng)度高、比模量高、抗疲勞性能好的特點(diǎn)，可將動力傳動軸設(shè)計成復(fù)合材料軸和聯(lián)軸節(jié)一體化結(jié)構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)中，軸管與膜盤聯(lián)軸器采用復(fù)合材料樹脂傳遞模塑法成形，其內(nèi)表面覆有干纖維編織布，采用編織法加工工藝以提高其抗彈擊能力；金屬花鍵鉚接在與發(fā)動機(jī)連接端的復(fù)合材料軸管上。一體化動力傳動軸可以在全生命周期外場使用中始終保持原始平衡狀態(tài)，不致于因?yàn)榱慵乃蓜踊蚋鼡Q影響平衡。動力傳動軸適應(yīng)角向偏斜的能力及其臨界轉(zhuǎn)速可以通過改變材料的剛度來提升。一體化復(fù)合材料軸與聯(lián)軸節(jié)足以承擔(dān)扭矩及角向偏斜，其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 一體化復(fù)合材料軸和聯(lián)軸節(jié)結(jié)構(gòu)

圖4 XV-15鋼旋翼軸

圖5 復(fù)合材料/鋼旋翼軸

復(fù)合材料在直升機(jī)旋翼軸的應(yīng)用

西科斯基公司在先進(jìn)旋翼傳動系統(tǒng)研究（ART）項(xiàng)目中，主減速器旋翼軸采用動靜旋翼軸構(gòu)型，并以支架代替靜軸傳遞旋翼載荷，通過6個復(fù)合材料結(jié)構(gòu)支架安裝在機(jī)體上，支架為截面尺寸均勻變化的矩形管，復(fù)合材料構(gòu)件采用樹脂傳遞模塑，組合固化。

貝爾公司針對XV-15鋼制旋翼軸（見圖4），設(shè)計了承載能力相同的復(fù)合材料/鋼旋翼軸（見圖5）。復(fù)合材料/鋼旋翼軸與XV-15鋼旋翼軸外徑相同，外輪廓不變，內(nèi)徑做了修改，減小了壁厚（將薄壁厚區(qū)域減小到原壁厚的1/2左右），孔內(nèi)熱固化安裝碳纖維復(fù)合材料套筒。復(fù)合材料套筒共計鋪設(shè)12層，每層的纖維方向相同，主要由±45°交替鋪層構(gòu)成，此外還用了幾層15°方向的預(yù)浸帶以提高軸向剛度。

經(jīng)分析，鋼旋翼軸與復(fù)合材料／鋼旋翼軸的鋼軸部分的應(yīng)力分布、靜強(qiáng)度與疲勞強(qiáng)度基本相同，兩軸的扭轉(zhuǎn)剛度相同。復(fù)合材料／鋼旋翼軸的復(fù)合材料套筒部分的應(yīng)力相對較低，最大纖維應(yīng)變小于0.2%。由于復(fù)合材料的固化溫度為176.67°C，以及鋼的熱膨脹系數(shù)高于復(fù)合材料，復(fù)合材料與鋼之間總是處于壓縮狀態(tài)，排除了復(fù)合材料與鋼分離的可能。復(fù)合材料／鋼旋翼軸的鋼軸部分出現(xiàn)故障時，復(fù)合材料纖維承受應(yīng)力，有足夠的安全裕度。若復(fù)合材料套筒出現(xiàn)故障時，鋼軸仍能承受最大載荷繼續(xù)使用30min。其中，XV-15鋼旋翼軸質(zhì)量為9.9kg，復(fù)合材料/鋼旋翼軸質(zhì)量為8.5kg，減輕14%。

復(fù)合材料在傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)驅(qū)動軸的應(yīng)用

復(fù)合材料不僅應(yīng)用于直升機(jī)傳動系統(tǒng)，在傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)等先進(jìn)飛行器中也有應(yīng)用。AW609是由萊奧納多公司和貝爾直升機(jī)公司聯(lián)合生產(chǎn)的輕型、雙發(fā)多用途傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)。該旋翼機(jī)中的軸、聯(lián)軸器統(tǒng)稱為互聯(lián)驅(qū)動系統(tǒng)，發(fā)動機(jī)將動力傳遞給互聯(lián)驅(qū)動系統(tǒng)，從而帶動安裝在傾斜軸變速箱和中間機(jī)翼變速箱上的附件運(yùn)動，此時互聯(lián)驅(qū)動系統(tǒng)上轉(zhuǎn)子之間的轉(zhuǎn)矩瞬變連續(xù)不斷地進(jìn)行。除了傳遞軸動力，驅(qū)動系統(tǒng)部件作為飛機(jī)上的組成部分，將轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的力轉(zhuǎn)移到機(jī)體，也為飛行控制制動器和軸驅(qū)動系統(tǒng)組件提供前發(fā)動機(jī)架和安裝座。AW609互聯(lián)驅(qū)動系統(tǒng)由2根主軸（見圖6）、6根側(cè)軸（見圖7）組成，均由復(fù)合材料軸管和花鍵接頭/端齒盤組成。

圖6 驅(qū)動軸主軸

圖7 驅(qū)動軸側(cè)軸

圖8 ART復(fù)合材料機(jī)匣

復(fù)合材料在直升機(jī)機(jī)匣的應(yīng)用

減速器機(jī)匣的形狀和受載復(fù)雜，要求耐疲勞、耐高溫、耐油等，主要由高強(qiáng)度鎂鋁合金材料精鑄而成，質(zhì)量大且加工難度高，目前廣泛應(yīng)用于貝爾、波音、萊奧納多和空客等公司的直升機(jī)傳動系統(tǒng)機(jī)匣中。而復(fù)合材料具有很好的可設(shè)計性和耐腐蝕性，疲勞壽命長，耐彈擊損傷等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于減速器殼體，不僅可以有效減重，還可提高殼體性能，相比鋁鎂合金，具有很大優(yōu)勢。

CH-47直升機(jī)曾用復(fù)合材料纖維纏繞法進(jìn)行了設(shè)計制造研究，取得了很大進(jìn)展。利用復(fù)合材料力學(xué)理論，通過材料力學(xué)設(shè)計，充分發(fā)揮纖維拉伸強(qiáng)度高的特性，可承受內(nèi)／外壓、彎曲、扭轉(zhuǎn)及軸向載荷，具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕、成本低、質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，生產(chǎn)效率高。

普惠公司在樹脂基復(fù)合材料風(fēng)扇機(jī)匣技術(shù)方面已有較為成熟的技術(shù)。F119和F135發(fā)動機(jī)采用了樹脂基復(fù)合材料外涵機(jī)匣，質(zhì)量減輕和成本降低的效果比較明顯。F119發(fā)動機(jī)外涵道機(jī)匣采用碳纖維增強(qiáng)聚酰亞胺基復(fù)合材料，其工藝采用Dow-UT公司研發(fā)的先進(jìn)樹脂傳遞膜塑技術(shù)制造，工作溫度為316℃，質(zhì)量減輕了15%～20%，成本降低了30%～35%。這種制造技術(shù)可以制造形狀復(fù)雜的進(jìn)氣機(jī)匣，其所有外部氣流通道的表面粗糙度、最終尺寸精度可與經(jīng)機(jī)械加工的鈦合金進(jìn)氣機(jī)匣相媲美，并可減少進(jìn)氣機(jī)匣的零件數(shù)和取消一些勞動密集型的裝配工序，從而大幅度減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量和降低成本。

在ART項(xiàng)目中，傳動系統(tǒng)采用碳纖維復(fù)合材料機(jī)匣，如圖8所示。復(fù)合材料機(jī)匣質(zhì)量輕、耐腐蝕，可以解決鎂合金機(jī)匣普遍存在的腐蝕問題。所選用的材料可在潤滑油環(huán)境、機(jī)匣溫度高的條件下工作。與具有高的耐腐蝕性、能在較高溫度下工作的WE43鎂合金相比，復(fù)合材料具有輕量化的優(yōu)勢。ART機(jī)匣采用樹脂傳遞模塑法成形，軸承及其他機(jī)加工表面采用短纖維及熱彈性樹脂注射成形（如PEEK）。

結(jié)束語

先進(jìn)直升機(jī)傳動系統(tǒng)為了追求高疲勞性能、輕量化、高耐腐蝕性，充分利用復(fù)合材料的可設(shè)計性、低密度、高強(qiáng)度、高模量的特點(diǎn)，將其廣泛應(yīng)用于直升機(jī)傳動系統(tǒng)的各部件。結(jié)合當(dāng)前實(shí)際，分析直升機(jī)傳動系統(tǒng)中各部件的受力情況，開展復(fù)合材料關(guān)鍵技術(shù)研究和創(chuàng)新，推進(jìn)復(fù)合材料的工程化應(yīng)用，符合未來直升機(jī)輕量化、長壽命、可靠性高、高效能的發(fā)展趨勢。