直升機復合材料槳葉使用的主要問題及對策

李志峰，王正峰

(1.中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001；2.海軍駐南昌地區軍事代表室，江西 南昌 330000)

0 引言

直升機旋翼為直升機提供主要的升力和操縱力，尾槳用于平衡旋翼反扭矩，實現直升機航向操縱和增加航行穩定性。隨著材料技術的持續進步，槳葉材料已從早期的木質、金屬逐漸轉變為復合材料，而且估計在較長的一段時間內這種狀態不會改變。本文在總結復合材料槳葉使用現狀的基礎上，對復合材料槳葉使用中出現的主要問題進行了原因分析，給出了相應的應對措施，最后提出了供探討的建議。

1 使用情況

隨著纖維增強復合材料的物理性能和力學性能的不斷提高，復合材料槳葉的使用環境也逐漸擴寬，從廣闊平原到皚皚雪山，從沙漠腹地到遠海孤島，從簡單自然條件到復雜氣象環境，經受住了南極、赤道和北極等各種惡劣地理環境和極端氣候的嚴酷挑戰，覆蓋了人類世界的各個角落，充分體現了直升機“萬能”的特點。復合材料使槳葉的疲勞性能實現跨越式增長，其安全使用壽命已達到20000飛行小時以上，民機甚至達到無限壽命，充分體現了直升機“萬歲”的特點。另外，由復合材料槳葉主導的1Ω振動水平已由0.3IPS以上降至0.2IPS以下，民機甚至降至0.05IPS，直升機乘員舒適性大幅度提升。

復合材料槳葉維護內容主要包括視情清洗、定期檢查和故障修理，維護工作是確保復合材料槳葉正常使用的必要條件。視情清洗主要是用中性清洗液清潔槳葉表面的油污、灰塵、昆蟲尸體和表面銹蝕；定期檢查的重點是發現腐蝕、分層和裂紋等缺陷；故障修理的內容主要是現場快速修復。復合材料槳葉維護手冊針對上述內容，分門別類地給出了詳細而具體的要求和處理措施，用戶嚴格按要求和程序完成相關工作后，一般都可快速恢復使用。針對出現超出用戶手冊規定的故障，用戶需征求生產或設計部門的意見，必要時返回生產廠處理。

2 主要問題及對策

復合材料槳葉性能優異、維護方便，但仍有各方面問題導致槳葉出現了一些非正常的維修，影響了用戶的正常使用。這些問題，除了來自機體其他結構和維護人員操作不當之外，還有一些來自槳葉自身結構的防護措施。

2.1 槳葉增重問題

2.1.1 問題及原因

產品服務部門反映，復合材料槳葉修理時，在稱重工序出現了重量增加的現象。統計發現，復合材料槳葉普遍存在著使用后增重的現象。工程師經綜合分析，給出了部分復合材料槳葉增重的當量情況(見圖1)，平均增重當量指數在0.2左右，部分槳葉達0.4。

圖1 復合材料槳葉增重當量指數情況

質量工程師復查了全部增重槳葉的履歷文件，并未發現此前進行過修理，排除了外場快速修理增重的可能性。質量調查組任意選取了1片槳葉，對其展向重心、弦向重心、靜矩、自重狀態下的撓度、扭角和油漆重量等參數等進行了檢查，并與該槳葉出廠前檢查結果進行了對比，得出了槳葉使用中吸濕的結論，并通過另外若干片相同使用狀態的槳葉低溫烘干除濕對比試驗確認了吸濕的結論。

2.1.2 主要對策

對于復合材料槳葉吸濕問題，應在確保用戶使用安全的前提下，根據用戶的不同情況采取相應對策，同時考慮研制新的防護涂層。

安全性方面，槳葉外場使用中被涂層覆蓋的復合材料吸濕量有限，達不到復合材料吸濕平衡時的飽和吸濕量，對復合材料自身的模量和強度性能影響不大，因此不會導致強度問題。但應對典型使用環境的槳葉重量增加情況進行統計分析，預估槳葉最大吸濕增重量，分析對槳葉弦向重心和動力學特性的影響，評估槳葉安全使用邊界是否發生變化；同時，還需關注槳葉重量、重心參數變化引起的槳轂動載荷變化對槳轂典型疲勞結構件壽命的影響。

維護性方面，對于單機或小批量槳葉用戶，后續若出現返廠修理情況，仍應按單機狀態控制，確保修理前、后應槳葉靜矩基本一致，以減少用戶旋翼錐體和動平衡調整的工作量；對于大批量槳葉用戶，后續若出現返廠修理情況，應按新產品出廠狀態控制每片槳葉的各項技術參數，以實現外場單片互換。另外，對于吸濕增重后的復合材料槳葉，在使用中還應關注其內部填充材料吸濕后受熱變形引起的槳葉氣動外形變化情況。

防護涂層方面，現有涂層的耐水性指標不能完全表征其防潮性能，需在不降低耐紫外老化等性能指標的前提下，研發滿足防潮或隔潮性能指標的復合型多功能涂層，并陸續取代現有涂層。

2.2 槳葉密封問題

2.2.1 問題及原因

多個用戶反映，在運營的一款輕型直升機[1]，尾槳葉在使用中需頻繁調整動平衡，尤其是雨天飛行后，基本都需重新調整。

后續調查注意到，該直升機尾槳采用了多路傳力新構型，槳葉的扭轉載荷通過橢圓筒狀袖套傳遞，揮舞和擺振載荷通過矩形截面柔性梁傳遞，橢圓截面袖套與矩形柔性梁之間采用橡膠元件連接。為方便進行袖套內矩形梁和橡膠元件的檢查，該尾槳葉采用了敞口結構(如圖2所示)。工程師在袖套空腔的最遠端布置了排水孔(如圖3所示)，以排出雨天飛行中進入的雨水。

圖2 尾槳葉敞口示意 圖3 尾槳葉排水孔

通過對尾槳葉構型的分析，結合尾槳葉袖套內部積聚的砂塵和發動機尾氣油灰等異物，確認問題出現在槳葉密封設計上。天氣晴好時，砂塵和發動機尾氣油灰等異物通過敞口區域進入袖套內部，并不均勻積聚，破壞了尾槳的平衡特性，需進行動平衡調整。雨中飛行后，袖套內部的砂塵和發動機尾氣油灰隨雨水不均勻排出，尾槳平衡特性更加惡化，亦需進行動平衡調整。

2.2.2 主要對策

該尾槳結構比較緊湊，尤其是尾槳葉與尾槳轂連接區，可用空間更加有限。但對于已經交付用戶的尾槳葉，唯一有效的補救措施只能是將敞口區域封閉，徹底防止雨水、砂塵和發動機尾氣油灰進入槳葉內部。

總體上，新增密封構件應能與原尾槳矩形梁的揮舞、擺振和扭轉三個方向的運動保持同步，確保在直升機整個飛行包線范圍內，密封構件既不影響尾槳葉正常變距操縱，又不與尾槳變距搖臂等周邊結構發生干涉。

結構上，密封構件可以分成三部分：支撐件、防護罩和橡膠套。支撐件和防護罩應確保與矩形梁和袖套連接可靠，并能承受尾槳的高頻振動；橡膠套可以通過金屬卡箍固定在支撐件和防護罩上，并滿足各個方向運動變形的要求。另外，橡膠套屬于軟體空心薄壁結構，還要考慮旋轉時離心力對它的影響。

選材上，應選擇復合材料或內置骨架的橡膠等低密度材料，以盡可能控制尾槳增重。除此之外，支撐件還應盡可能選用彈性模量較低的材料，防止造成矩形梁局部剛度和載荷突變，以最大程度地降低對現有結構壽命和可靠性的影響；橡膠件還應選擇合適的彈性恢復系數，既滿足安裝前的大變形要求，又滿足安裝到位后的貼合性要求。

維護性上，應考慮將支撐件和防護罩設計成分體結構，以便于安裝、拆卸及故障后的更換；橡膠套應優先考慮整體構型，以滿足完全密封的要求；同時還需開發與尾槳結構相適應的安裝工具或地面保障設備，使維護工作標準化、規范化，盡可能地縮短維護時間，以降低對尾槳維修性指標的影響。

2.3 槳葉包鐵脫粘和裂紋問題

2.3.1 問題及原因

槳葉包鐵是復合材料槳葉的關鍵防護部件，為槳葉在砂塵、雷電和結冰等惡劣自然環境中正常使用提供重要的防護作用[2]。槳葉包鐵一般布置在槳葉前緣，沿展向覆蓋了槳葉翼型段和槳尖區域，一般分成4-6段，段與段之間互相搭接，脫粘主要出現在包鐵搭接區域，并隨使用時間增加而逐漸向兩側擴展。槳葉包鐵還會出現裂紋(如圖4所示)，裂紋從包鐵與槳葉粘接的邊緣萌生，沿槳葉弦向向槳葉前緣延伸，而且擴展速度很快。

槳葉包鐵搭接區域邊緣脫粘后一般會出現翹起(如圖5所示)，翹起改變了所在區域槳葉的氣動外形，使故障槳葉氣動力與其他槳葉氣動力產生差異，導致旋翼1Ω垂向振動增大，直升機舒適性下降；包鐵脫粘后，濕氣和雨水會從故障區域逐漸滲入槳葉內部，伴以高溫會加速復合材料老化，降低槳葉壽命。槳葉包鐵裂紋擴展會導致故障區域的包鐵形成獨立的小塊，這種小塊包鐵四周更易發生脫粘現象，嚴重時小塊包鐵會脫落，帶來安全問題。

2.3.2 主要對策

包鐵搭接區域脫粘的直接原因是粘接質量問題。設計方面，首先在確定包鐵沿槳葉展向的搭接位置時，應根據槳葉揮舞振型圖選擇振幅絕對值較小的剖面，同時兼顧槳葉幾何扭轉角的突變；其次，應考慮將包鐵搭接區域的小圓角改為大圓角或大斜角，使包鐵搭接區域邊緣遠離高應力點；最后，探索將包鐵間的搭接方式調整為對接方式的可行性。工藝上，加強包鐵粘接質量控制，重點關注包鐵搭接區域型面與理論外形的符合性和表面處理后工序流轉過程中的防護措施。

包鐵萌生裂紋的直接原因是承受的應力較大。包鐵裂紋萌生的時間段主要集中在槳葉壽命的中后期，此時復合材料逐漸老化，槳葉剛度降低，在直升機相同使用工況下，包鐵承受的載荷變大導致裂紋產生。設計階段應考慮復合材料老化導致的載荷分布變化，為金屬包鐵預留足夠的強度裕度；探索類方波信號的包鐵邊緣形狀，通過改變包鐵邊緣形狀降低包鐵邊緣應力集中；工藝上，去除包鐵弦向加工余量時，優先采用機械切邊，以避免人力手工切割產生的初始缺陷；維護上，原本涂覆在包鐵邊緣5mm區域的涂層脫落后應及時補充涂覆，以避免因海洋環境腐蝕產生疲勞源。

2.4 槳根襯套腐蝕

2.4.1 問題及原因

原歐直公司研發了許多不同構型的復合材料槳葉，雙銷構型是其典型代表。該構型的特點是在槳葉根部布置兩個突出槳葉本體的金屬襯套，并通過兩根金屬槳葉銷與槳轂相連。用戶反映，雙銷構型槳葉在海洋環境中使用一段時間后，襯套端面位置(如圖6所示)會出現腐蝕現象。

雙銷構型槳葉的特點之一是槳根襯套上下端面與槳轂夾板動態接觸，槳根襯套內表面與槳葉銷動態接觸并傳遞較大載荷，不適合進行表面防腐處理。而且，槳根襯套的最終尺寸是通過對其內表面鏜孔和端面銑切實現的，后續已不具備表面防腐處理的條件。設計與工藝經分析確認，鹽霧和酸性大氣是導致裸露的金屬襯套端面腐蝕的直接原因。

圖6 槳葉根部襯套示意圖

2.4.2 主要對策

針對槳根襯套腐蝕問題，應關注腐蝕導致的尺寸變化對載荷傳遞路線的影響，并從根本上解決腐蝕問題，還應明確已交付槳葉的使用限制。

設計上，在建立雙銷構型槳葉揮舞彎矩、擺振彎矩、扭轉彎矩和離心力從槳葉到槳轂的完整傳遞路線時，應重點關注槳根襯套和與其配合的槳轂的高度尺寸及公差范圍、槳根襯套內徑和與其配合的槳葉銷的外徑及公差范圍，并充分考慮上述尺寸及公差對槳葉揮舞彎矩傳遞線路的影響，尤其是對槳葉銷承載的影響。

對于已交付槳葉，應通過計算分析確定襯套高度的最小限制尺寸。襯套端面腐蝕后，首先計量其高度，當襯套高度大于最小限制尺寸時，可以允許用戶按相關要求采用指定目數的砂紙對腐蝕區域進行打磨處理，但需保證打磨后襯套高度尺寸仍大于該限制尺寸。需注意，即使是襯套的一個端面出現腐蝕，另外一個襯套的相同端面也需打磨，并保證高度一致，保持均勻。當襯套高度接近最小限制尺寸時，需返廠按新生產槳葉增加防護措施。

對于新生產槳葉，建議出廠交付前在每個襯套的端頭區域各增加一個非金屬材料墊圈(如圖6所示)。該墊圈通過膠黏劑與復合材料槳葉本體粘接，上下墊圈高度仍按原襯套尺寸控制；在增加非金屬墊圈的同時，還應適當降低原金屬襯套高度，并在金屬襯套表面粘接非金屬耐磨防護膜以隔離鹽霧和酸性大氣。

另外，在復合材料槳葉全壽命周期內，維護人員需關注槳根襯套內表面的油脂情況，應按用戶手冊要求及時補充以盡可能降低鹽霧和酸性大氣對槳根襯套內表面的腐蝕。

3 建議

復合材料槳葉使用中出現的問題主要集中在槳葉防護措施上，而非槳葉自身疲勞壽命。工程師在致力于提高復合材料槳葉壽命的同時，還應關注槳葉平均故障間隔時間這一指標，力爭為用戶提供壽命更高、維護性更好的產品。

工程師可以適時開展如下幾方面工作：針對用戶手冊，對于不影響使用安全的防護措施(如槳葉根部和尖部非金屬保護帶、搭鐵片保護布等)，及時增加允許的故障模式并視情放寬修理的時間限制；針對產品故障信息系統中與防護相關的問題，在新產品的研發中一定要有針對性地提出具體改進措施；針對防護涂層，要開展綜合防護性能更加優異的復合型多功能新涂層的研究；前緣包鐵輔助槳葉防除冰作用方面，需開展超疏水材料表面制備技術應用于槳葉前緣包鐵的探索性研究。