貫徹《軍用飛機結構完整性大綱》的新螺旋槳設計

崔德剛，昝丙合，張睿，李兵

(1.中國航空工業集團公司科學技術委員會，北京 100012；2.航空工業惠陽航空螺旋槳有限責任公司，保定 071052；3.中國航空研究院，北京 100012)

0 引言

螺旋槳飛機具有效率高、經濟性好、起降距離短等優點。因此我國中型運輸機、支線飛機、特種飛機和通用飛機，廣泛采用渦輪螺旋槳作為動力裝置。

中大型飛機螺旋槳是當代運輸機和支線飛機的主要空氣動力部件，是直接關系到飛機的飛行性能和飛行安全的重要部件。螺旋槳設計，除了提供螺旋槳的空氣動力外形，確保其在起飛著陸狀態和主要飛行工作狀態均能達到預期指標以外，還要求結構有足夠的靜、動強度。同時，輕量化設計、惡劣環境下的結構安全、數萬小時的飛行壽命、外場良好的維護性能、單槳葉替換等全生命周期等更高的要求，給螺旋槳設計帶來了新的更大挑戰。

隨著技術的進步，新一代中大型飛機螺旋槳（下文簡稱新螺旋槳）整體發展趨勢是輕量化設計和精確操控性。主要體現在：將原有的金屬（鋁合金）槳葉和合金鋼槳轂結構替換成全新的高性能復合材料槳葉和鋁合金槳轂；更高效的螺旋槳空氣動力外形；更輕的新螺旋槳的結構重量。新螺旋槳的控制由原來的機械式槳矩調整機構發展成螺旋槳電子控制器（PEC），并與發動機全權限數字控制系統（FADEC）集成，實現了精確的實時控制功能。總體上實現了與國際螺旋槳性能同步。

先進螺旋槳面臨國外產品壟斷和技術封鎖。我國依靠自力更生，克服了大量的困難，開始了新一代新螺旋槳的研制，這是我國螺旋槳飛機縮小與國際先進水平差距的重要工程。新螺旋槳在空氣動力布局和外形上要求更加復雜和精準，對于結構設計必須在傳統的研制方法基礎上，尋求更完整和科學的飛機結構研制規范和方法，以確保新螺旋槳的成功研制。在新螺旋槳研制過程中，2012 年適逢國軍標《軍用飛機結構完整性大綱》[1]（GJB 775A—2012，以下簡稱《大綱》）頒布，為飛機結構全生命周期提出了一套完整的設計、制造、試驗、試飛、審定、用戶使用規范、實施方法的路線圖。

《大綱》在頒布后成為當下結構設計的較新標準[2]。螺旋槳設計在延續傳統的結構設計方法的基礎上，較其他部件更早地開展了貫徹《大綱》要求和實施方法[3-5]的嘗試，在這個過程中不斷地提升了新螺旋槳的結構設計水平，也提升了結構的安全性、可靠性和經濟性。新螺旋槳（設計方法）經適航局審定，得到了民用航空CCAR-35 部的適航認證。

本文介紹了我國新螺旋槳結構設計遵照《軍用飛機結構完整性大綱》的要求和實施方法，歷時20 年所進行的新螺旋槳結構設計工作。通過對《大綱》的貫徹，螺旋槳結構設計不斷改進和完善，成功實現了用戶提出的空氣動力和結構設計目標。

1 在新螺旋槳研制全生命周期貫徹《大綱》

為滿足螺旋槳的功能和性能（特別是空氣動力性能）需求，新螺旋槳結構設計面臨巨大困難和挑戰，亟需尋找一套能保證產品全生命周期、高質量、一次成功的設計方法。《軍用飛機結構完整性大綱》（aircraft structural integrity program,ASIP）的公布，為新螺旋槳的研制給出了設計、驗證規范和實施方法，保障了避免設計缺陷、實現結構健壯性，以減少結構故障和制造中的返工，并可在保證飛機安全性的前提下進一步優化產品的經濟性和飛機的實用性[6-7]。《大綱》提出了一套完整的飛機全生命周期的記錄可追蹤性的要求，使得每一個產品的全生命周期過程可追溯，由此既可以找到問題的根源，又可以為今后的螺旋槳研制提供完整的數據依據。《大綱》是非常寶貴的指導性文件，也是新螺旋槳研制需要遵照的指南。

1.1 貫徹《大綱》的主要要求

《大綱》提出了滿足使用安全性、適用性和戰斗力結構完整性的要求，確定、評估、驗證和審定分析飛機的方法，應用維護數據產生服役階段的飛機結構完整性評價，可為用戶結構制訂維護計劃、風險管理、壽命管理和成本等提供定量數據，并為改進飛機的結構設計、評估與驗證方法提供依據。

螺旋槳結構研制的全生命周期中逐漸貫徹了上述《大綱》的要求。

1.2 新螺旋槳研制貫徹《大綱》的重要意義

傳統的飛機螺旋槳結構設計分為設計、制造、試驗試飛和使用階段。傳統的飛機螺旋槳結構設計方法在新螺旋槳研制的各階段中主要考慮的是滿足氣動力、強度、氣動彈性和壽命的要求，而對于新螺旋槳設計中的制造、使用維護的全生命周期等考慮不足。因為沒有一套完整的全生命周期的總體設計規劃，造成研制過程中出現問題和返工情況比較多。本文將通過介紹一個新螺旋槳研制中的經歷，來體現貫徹《大綱》的重要性。

飛機結構完整性是在原飛機結構強度要求的基礎上，突出強調對飛機研制全生命周期的“過程控制”，確保在任何批次的飛機都能夠保證高質量研發和服役。螺旋槳結構設計階段和制造階段暴露出的問題遠遠低于使用階段出現的問題，螺旋槳滿足用戶需求主要是依靠使用階段的問題跟蹤與反饋，使得產品不斷成熟和滿足飛機壽命要求。新螺旋槳的研制過程也證明了執行《大綱》的必要性。

圖1 給出了螺旋槳研制各階段與《軍用飛機結構完整性大綱》主計劃任務的對應關系示意圖。

2 新螺旋槳方案設計階段《大綱》對結構設計的要求

方案設計階段的主要任務是，根據飛機新螺旋槳設計要求，采用分析手段和結構研制的工程經驗，開展新螺旋槳選材和結構設計。《大綱》提出的要求是：確定新螺旋槳結構設計準則，明確用戶對螺旋槳結構研制的需求，形成結構方案，并在新螺旋槳全生命周期的各個階段陸續完成。

2.1 新螺旋槳研制的需求和任務

由于型號的發展，用戶對新螺旋槳研制提出了更高的任務指標：更高的空氣動力設計指標和更低的螺旋槳噪聲要求，使發動機具備更高效的動力；增加槳葉數并有效地減輕螺旋槳結構重量和結構耐久性，滿足產品的維修性和壽命要求；提升螺旋槳的控制精度和可靠性，實現螺旋槳的電調操縱。

2.2 新螺旋槳研制的技術要求

飛機總體設計對螺旋槳的具體技術要求包括：

1）功能要求。包括在地面和飛行包線內向飛機提供所需的拉力和地面反槳功能；槳葉具有除冰保護功能；具備防雷擊、防電磁輻射、防靜電功能；新螺旋槳能承受發動機嚴重情況的氣動力和慣性力載荷；具有失效安全保護功能；外場實現單片槳葉更換功能。

2）總體性能要求。使用包線（包括高度、速度）要求，拉力、反推力需求及工作姿態等；各種飛行狀態下的轉速、空氣動力效率；工作環境條件（包括溫度、濕度、高度及振動環境等）；防冰系統要求；外廓尺寸和重量要求。

3）適航要求。新螺旋槳應參照CCAR-35 部《螺旋槳適航標準》規定的壽命、首翻期、翻修間隔期及貯存期要求。

4）通用質量特性要求。包括可靠性、維修性、安全性及環境適應性等。

需要綜合上述研制技術要求，將其轉換成螺旋槳設計的具體要求和準則。

螺旋槳結構設計的復雜性在于既要承受旋轉時產生的空氣動力拉力和反推力，又要承受旋轉帶來的巨大離心力載荷。螺旋槳結構設計必須考慮同時承受這兩個幾乎呈90°方向的載荷。

螺旋槳槳葉采用全新的復合材料結構設計，類似于一個小翼面結構。新螺旋槳設計與原來金屬結構螺旋槳設計有著巨大的差異，必須遵照FAACompositeAircraftStructure（《復合材料飛機結構》，AC20-107B）[8]的研制要求實施。

2.3 結構設計準則

按照《大綱》的規范，需要確定復合材料槳葉和輕合金槳轂的結構設計準則。螺旋槳作為旋轉結構，螺旋槳上的載荷比飛機結構的載荷更為復雜。此外，新螺旋槳由于槳葉和槳轂材料體系的更新，其強度設計準則需要重點確定。本小節根據螺旋槳的特點，按照《大綱》的準則要求，重點介紹新螺旋槳設計中應遵守的幾個主要準則。

2.3.1 載荷準則

載荷準則用于確定所有嚴重限制載荷。這些限制載荷涵蓋飛機飛行過程中、地面使用和維護中產生的各種載荷，其中包括螺旋槳的空氣動力載荷與離心力載荷等。單個槳葉上的離心力載荷可達到空氣動力載荷的40 倍，這對于槳殼和槳根設計是嚴重載荷。而對于螺旋槳槳葉設計，空氣動力載荷和離心力載荷均是嚴重設計載荷。

2.3.2 復合材料槳葉強度設計準則

由于新螺旋槳采用的是復合材料，在槳葉設計中采用的是與金屬槳葉完全不同的設計準則，這一點在設計之初必須予以明確。例如：金屬槳葉的強度許用值是直接從材料強度許用值轉換過來，而復合材料強度除與纖維、樹脂強度有關，還與材料鋪層、工藝過程、多種破壞模式有關，所以要根據具體的槳葉碳纖維、樹脂、制造工藝得到的鋪層的試驗數據，來得到基于概率的強度許用值，稱為材料鋪層的“設計值”[9]。

新螺旋槳復合材料槳葉采用和遵照AC20-107B[8]的要求進行結構設計。特別是在復合材料鋪層的“設計值”、“損傷容限評定”和“持續適航”等方面，AC20-107B 提出了全新的復合材料設計要求和方法。

《大綱》提出了更高的靜強度準則，即“在設計使用環境下，飛機結構在115%限制載荷下不出現有害變形和損傷（原準則為100%），在極限載荷下不發生結構破壞”。此外，按照AC20-107B 對復合材料結構的靜強度要求，要考慮濕熱等環境的影響，需要在不確定系數（1.5）上增加附加環境因子（1.15～1.18）。復合材料鋪層設計值要求通過大量試驗并基于概率來確定鋪層的A/B 基準許用值。泡沫芯按照剪切和壓縮強度采用試驗確定A/B 基準許用值[10]。

最終需要滿足“新螺旋槳系統設計總壽命不小于數萬小時”的要求。

2.3.3 輕合金槳轂結構強度設計準則

由于槳轂結構是整體金屬機械加工件，遵照《大綱》的損傷容限準則要求，在使用中，一旦出現裂紋，即會快速斷裂破壞，不能采用“破損安全準則”和“緩慢裂紋擴展準則”。槳轂將按照損傷容限準則的“特殊應用準則”（即疲勞斷裂準則）進行設計。

2.3.4 無損檢測準則

由于采用復合材料，新螺旋槳槳葉結構需要按照“無損檢測準則”檢測。具體按照AC20-107B 的要求檢測和處理各類損傷。

3 新螺旋槳的設計分析和研制試驗

貫徹《大綱》的新螺旋槳結構設計過程中，不僅要通過精確的有限元計算等進行分析，而且要通過相應的試驗進行驗證。采用全新的“積木式”試驗，確定新螺旋槳結構設計滿足強度、剛度、耐久性和損傷容限的要求。

3.1 結構布局、設計和選材

根據用戶的需求和技術的發展，新螺旋槳采用復合材料槳葉代替原金屬（鋁合金）槳葉。根據空氣動力性能提升和降噪的要求，新螺旋槳槳葉數量由原來的4 葉改進成直徑更小、效率更高的6 葉。

另一方面，由于采用了復合材料的螺旋槳槳葉和鋁合金槳轂，新螺旋槳實現了減重，并且螺旋槳噪聲減少了3 dB，實現了性能的重大升級換代。

基于設計要求的改變，復合材料新螺旋槳葉的結構設計與工藝方法也產生了巨大的變化。復合材料槳葉的設計遵照《大綱》提出的“靜強度準則”的要求和AC20-107B 對復合材料結構的要求，選用了新結構形式，由復合材料大梁+泡沫夾心+復合材料編制外套來組成槳葉。這里特別指出：復合材料的選材，采用了滿足強度的T300 材料大梁、T700 材料編織套；泡沫芯滿足抗壓強度和抗剪強度要求；采用全新的RTM 工藝方法。槳葉質量的減輕，也減少了新螺旋槳的離心載荷。

槳轂選用鋁合金槳轂代替原來的合金鋼槳轂，有效地降低了槳轂結構重量的8%。遵照《大綱》的要求，對槳轂進行了靜強度設計和損傷容限設計，使其滿足準則的要求。密封和運動機構也重新進行了設計。

3.2 新螺旋槳的制造工藝選擇

槳葉制造需保證每一槳葉靜質量、動質量和慣性力一致，工藝上需做到高制造精度和質量控制。經歷了多次摸索，用專用自動化RTM 設備代替了初始的半自動化設備。通過零組件分別成型、逐級控制等工藝方式，提高了生產效率和產品質量，滿足了在外場單片“槳葉互換”的設計要求，解決了過去單片槳葉故障就需要整套螺旋槳系統返廠修理的問題。

3.3 設計分析

這一階段的設計分析任務是滿足《大綱》的結構設計分析工作和設計需要的驗證試驗。對于全新設計的新螺旋槳，在設計階段要開展大量的分析和試驗研究，包括《大綱》要求的槳葉和槳轂的靜力、動強度、壽命等試驗。

3.3.1 載荷分析

首先，根據規范和CFD 數據，對計算載荷進行修正等，得到初步的螺旋槳理論載荷。然后，根據風洞試驗結果，由設計單位載荷組對理論載荷進行修正后，確定新螺旋槳的設計載荷和嚴重載荷。其中既需要考慮正常飛行工況，又需要考慮故障起飛（例如短距起飛、單發失效）等嚴重載荷工況。

根據載荷設計準則，每片槳葉上的空氣動力分解成向前的拉力（或向后的推力），與發動機提供的扭力產生分力平衡。螺旋槳的各槳葉拉力匯總成發動機拉動飛機的動力。螺旋槳槳葉載荷如圖2 所示。

圖2 螺旋槳槳葉載荷示意圖Fig.2 Schematic diagram of the propeller blade load

參照原有的螺旋槳載荷譜和新的使用要求，根據飛行任務和風洞試驗結果，建立飛行包線內各種飛行狀態的載荷包線，從中選擇最嚴重情況形成設計階段的載荷譜，其中包括靜強度載荷、疲勞損傷容限循環載荷譜等。

槳葉的離心力載荷往往是加載在新螺旋槳的最大載荷，是新螺旋槳根部和槳轂設計需要考慮的主要載荷。發動機產生的扭矩、空氣動力產生的拉力和阻力載荷，是新螺旋槳槳葉結構彎曲設計需要考慮的主要載荷[11]。

3.3.2 復合材料槳葉設計分析

由于螺旋槳的離心載荷是空氣動力載荷的40倍，早期槳葉設計中一般主要考慮最大離心力載荷，對于槳葉空氣動力產生的結構載荷的重視度不足。

有的設計人員認為槳葉的泡沫芯不承受空氣動力產生的剪力，選用的泡沫芯剪切強度低于載荷造成的剪切載荷。根據初步結構設計結果和嚴重載荷工況，強度分析人員采用有限元方法對新螺旋槳槳葉和槳轂分別進行了強度分析。第一輪分析結果表明，大梁和槳根結構能夠滿足各種設計載荷下的應力許用值要求，但是一些部位泡沫芯材料的剪切強度低于空氣動力載荷作用產生的剪切力。但當時的強度分析結果沒有得到設計人員足夠的重視，槳葉地面強度試驗只針對承受最大離心力的根部結構進行，沒有進行槳葉外部的空氣動力載荷試驗驗證，造成了飛行試驗中泡沫芯出現了較大面積的破碎。經長期的討論后，設計人員選用了滿足剪切強度要求的泡沫芯，解決了該故障問題。

這一問題的產生和處理過程，說明了新螺旋槳設計需要嚴格按照《大綱》的載荷準則實施，在全面落實螺旋槳上大的離心力載荷設計要求的同時，也不能放松較小的空氣動力載荷的設計要求。

3.3.3 鋁合金槳轂設計

輕合金槳轂結構設計要求采用疲勞斷裂設計準則，選材的抗疲勞特性非常重要。

在鋁合金槳轂的選材設計中，最初選用的是手冊中強度和疲勞性能都優于20 系列鋁合金的70 系列鋁合金，并投入試生產。后有專家建議輕合金槳轂采用20 系列鋁合金。專家指出：材料的疲勞性能與結構的表面粗糙度關系密切；手冊中給出的疲勞性能是基于表面粗糙度為0.4試片，而實際鋁合金槳轂的表面粗糙度為6.3，并且使用過程的磨損將進一步降低表面粗糙度；在6.3表面粗糙度情況下，70 系列材料的疲勞性能將低于20 系列鋁合金。后經多批次不同粗糙度的材料試樣進行疲勞試驗對比驗證，證明了雖然70 系列鋁合金的強度高于20 系列，但在低表面粗糙度的情況下20 系列鋁合金的疲勞性能更好（圖3）。最終決定采用20 系列鋁合金進行重新設計。

圖3 不同表面粗糙度下7075 與2024 兩種材料的疲勞特性Fig.3 Fatigue characteristics of 7075 and 2024 materials with different surface roughness

3.3.4 相應的分析試驗

根據《大綱》要求，新螺旋槳的復合材料槳葉需要完成相應試驗。

首先進行了復合材料層合板的“許用值”試驗，得到了對應的材料、工藝方法、基于“概率”的A/B 基準的層合板結構設計許用值，作為設計的基礎數據。由于新螺旋槳采用了全新的設計和全新的結構形式，在研制階段按照AC20-107B 的要求，還進行了一系列“積木式試驗（圖4）”。需要考慮到所有關鍵結構的所有臨界載荷情況，以及使用期間可能出現的損傷及復合材料退化等其他問題。試驗包括：

圖4 結構積木式試驗要求Fig.4 Structural block type test requirements

1）試樣級試驗。重點為復合材料結構設計“許用值”試驗和結構的環境試驗。研究進行了4 個批次，使用試驗件數百件。確定了碳大梁和泡沫芯采用的強度B 基準“許用值”。

2）元件級試驗。選取槳葉根部的強度試驗和槳轂的疲勞試驗。試驗中使用復合材料大梁的根部與鋁合金金屬套結構共同進行試驗。在疲勞試驗結束后，進行了槳葉根部的剩余強度試驗，注意這一階段的試驗條件需包含濕熱環境下的測試。

3）次部件級試驗。槳葉的元件級和次部件級試驗包括靜力、疲勞損傷容限、振動、高低溫和濕熱環境試驗。對于復合材料槳葉的帶損傷試驗，根據AC20-107B 的要求，可以把各種損傷分為所述的5 個類別、損傷危害性1～4 級，按照規范的要求進行積木式試驗和評定。對槳轂進行靜強度和疲勞損傷容限試驗。

4）風洞試驗。根據風洞試驗驗證對應的各個飛行狀態的螺旋槳計算性能數據，建立相應的飛行狀態的新螺旋槳性能特性曲線。

5）根據飛行特性要求，和由空氣動力數據建立的螺旋槳電子控制器（PEC）的控制率對槳葉和槳轂的結構設計強度提出的要求，需進行相應的試驗驗證。

6）復合材料基本性能試驗。針對每種材料鋪層單個環境下的單個性能值，共需完成3 個批次、54 件試驗件的試驗。然后通過概率分析，給出設計許用值。泡沫材料則需完成不同溫度的壓縮、剪切強度試驗。

7）工藝試驗。為驗證溫度曲線、壓力曲線及注膠時間等工藝參數，需進行碳纖維鋪層、粘接試驗、泡沫芯成形試驗。還需進行RTM 槳葉制作工藝試驗。

8）復合材料槳葉的靜力、剛度、動態特性、疲勞壽命試驗（3～6 件等），以及槳轂離心載荷試驗、疲勞試驗。

槳葉靜力特性試驗中，將槳葉與固定裝置連接在一起，使其承受最大兩倍的新螺旋槳運行中最大額定轉速情況下所產生的離心載荷，試驗時間為1 h。

剛度、動態特性試驗（圖5）主要檢驗槳葉質量及其一致性，判斷內部可能存在的缺陷，修正動態模型，評估槳葉的振動特性。

圖5 槳葉（扭轉）剛度試驗示意圖Fig.5 Schematic diagram of the blade (torsion) stiffness test

槳葉疲勞壽命試驗（圖6）主要考核槳葉的疲勞性能。試驗中的載荷主要考慮離心力、揮舞力。對于擺振和扭轉載荷，應通過計算分析或測試，確定其對槳葉受力的貢獻。

圖6 槳葉疲勞壽命試驗示意圖Fig.6 Schematic diagram of the blade fatigue test

槳轂離心載荷試驗（圖7）中，槳葉固定系統與平衡配重需能承受住最大兩倍的新螺旋槳運行中最大額定轉速情況下所產生的離心載荷，試驗時間為1 h。

圖7 槳轂旋轉試驗示意圖Fig.7 Schematic diagram of the hub rotation test

鋁合金槳轂遵照《大綱》的“特殊應用準則”（即疲勞斷裂準則）設計。在鋁合金槳轂的疲勞試驗（圖8）中，發現了局部結構不滿足疲勞強度的要求，在有限元分析中也發現了同樣的問題。經過對結構形式和參數進行改進，解決了這一問題，最終通過了槳轂壽命試驗驗證。

圖8 槳轂疲勞試驗示意圖Fig.8 Schematic diagram of the hub fatigue test

為了保證新螺旋槳具有較好的環境適應性，還應通過高溫、低溫、濕熱、霉菌及鹽霧等試驗考核新螺旋槳的環境適應性。

3.3.5 生產中無損檢測的評估

復合材料的液體成形或結構液體成形技術RTM（resin transfer molding，樹脂傳遞模塑）制造的槳葉，需要通過無損檢測以確定其膠結質量，其中包括：碳大梁與外面的編織套之間的共固化、碳大梁與泡沫芯的膠結質量、碳大梁各層之間的膠結質量，這些檢測都需要采用無損檢測方法。

無損檢測可以檢測出膠結脫粘或膠結質量問題，但不能對膠結強度進行判斷。根據AC20-107B 的要求，通過無損檢測記錄的統計，結合疲勞試驗結果，確定復合材料新螺旋槳槳葉的出廠允許的無損檢測缺陷值、服役過程中的允許缺陷擴展值。并通過敲擊監控，對返廠典型缺陷進行疲勞試驗考核，逐步完善監控標準。

4 新螺旋槳全尺寸試驗研究

在新螺旋槳系統完成生產、組裝后，將進行一系列的地面試驗和飛行試驗，來驗證新螺旋槳結構分析和設計的合理性。

新螺旋槳全尺寸試驗主要指六葉新螺旋槳的綜合地面試驗，其中包括地面試驗和飛行試驗。要求按照新螺旋槳的技術要求進行檢驗。由于新螺旋槳是飛機動力裝置的一個部件，因此該階段的新螺旋槳全尺寸試驗只是全機的部件試驗，飛行試驗也是在全機的試飛過程中進行相應的飛行試驗。

4.1 全槳地面試驗

全槳地面試驗包括：1）新螺旋槳系統平衡試驗，對槳葉與螺旋槳的不平衡力矩進行平衡，保證不平衡慣性力限制在規定范圍，實現槳葉的互換性；2）半物理試驗，針對全權限新螺旋槳數字控制系統，需要進行新螺旋槳控制系統的功能試驗，發動機地面聯試后對新螺旋槳控制系統的功能進行評估，完善新螺旋槳數學模型和控制規律，并對新螺旋槳電子控制器的故障模式進行測試；3）防閃電驗證，考核新螺旋槳是否能經受雷擊而不引起重大或危害性事故；4）鳥撞試驗，在臨界飛行條件運行下典型安裝的新螺旋槳的關鍵部位與鳥相撞后不會產生重大或者危害性事故。

4.2 全槳飛行試驗

根據研制階段特點，試飛可以分為“他機試飛”與“載機試飛”。按任務制定試飛大綱，主要包括：1）檢測新螺旋槳的空氣動力效率試驗；2）根據疲勞試驗、有限元分析結果，在試飛階段對新螺旋槳槳葉及槳轂的飛行載荷進行實測，包括新螺旋槳槳殼和槳葉根部、葉身的動應力；3）檢查新螺旋槳系統的工作特性、測量新螺旋槳的工作參數，主要包括新螺旋槳轉速、槳葉角度、與發動機工作參數的匹配性等；4）考核新螺旋槳大小油門的響應特性，隨發動機完成部分風險試飛科目；5）靜動強度考驗，包括使用環境中飛行新螺旋槳的靜強度測試、振動測試、槳葉的壽命測試、槳轂的靜強度和疲勞測試等；6）防冰試驗，包括在嚴重的結冰環境下的防冰測試；7）高低溫飛行環境、濕熱、淋雨條件強度和耐久性試驗；8）飛行噪聲測試試驗[12]；9）氣動伺服彈性試驗；等等。

在飛機試飛階段，還需同步進行各種環境下的地面研制試驗，檢驗新螺旋槳能否滿足各項性能指標的要求。根據飛行試驗結果，更改、完善部分不滿足要求的結構設計，進一步為確定新螺旋槳的維修周期提供依據。

通過試飛暴露了槳葉肩部泡沫鼓包、槳葉葉身鼓包等問題，進一步根據故障模式，通過有限元分析、材料級試驗及現場勘查等方法，對問題進行了原因定位。槳葉肩部泡沫鼓包是由于光照導致槳葉表面溫度遠高于環境溫度，槳葉葉身鼓包是由于槳葉泡沫芯壓縮及剪切強度不足，導致泡沫裂紋進而造成槳葉型面變形。根據原因定位，優化材料指標要求，制定針對性的故障復現試驗方案，最終故障得以解決。

5 新螺旋槳合格審定與用戶資料

適航當局根據適航條例CCAR-35 部的要求，結合新螺旋槳的產品特點，確定了適航審定基礎及符合性驗證計劃，并按計劃完成了相關功能、性能試驗，對各項條款進行了符合性驗證。新螺旋槳通過了試驗考核。適航當局通過了相關文件的審定，并頒發型號合格證。

部分用戶根據產品研制的技術協議對新螺旋槳產品進行了審定。除取證工作外，按國軍標的規定，提供產品的同時應為用戶提供安裝使用說明書、履歷本、機載設備維修手冊、隨機工具。其中機載設備維修手冊包括：新螺旋槳工作原理說明，運行中常見的故障及排除方式，安裝、清潔、檢查、貯存及工具/設備/耗材等相關內容。

工具/設備/耗材等隨機物品經可靠性分析、維修性分析、保障性分析，得到隨機工具/設備/耗材的品種，通過梳理來確保隨機物品齊全。

這一階段的主要工作是：在完成新螺旋槳研制的基礎上，為批量交付用戶使用進行合格審查，并完成應交付用戶的相應用戶使用資料、使用維護技術方法和持續適航要求等指導性文件；同時制定搜集新螺旋槳飛行載荷的要求和方法，為下一步精確測定新螺旋槳載荷譜積累數據。

5.1 合格審定和維護資料

合格審定分析是根據地面和飛行試驗結果，對設計分析進行修正，以解決分析與試驗結果間的不一致問題。利用研制試驗、全尺寸試驗以及飛行試驗結果評估是合格審定工作的基礎。合格審定的批準標志著飛機新螺旋槳結構合格審定的完成。產品合格審定，執行或參照適航要求CCAR-35 部的要求。

為保證用戶能使用好新螺旋槳，在這一階段任務的執行中，需要編寫相關提交給用戶的文件，如新螺旋槳安裝和使用維護手冊等；建立單機監控系統，提供相應的“使用維護數據庫”，進行缺陷產生和擴展監控；外場定期用便攜式超聲波檢測儀檢測，建立外場修理準則和方法等。

5.2 持續適航和飛行數據的技術管理

《大綱》提出需對載荷、環境譜進行測量，以獲得20%機隊有效使用數據，對初始設計譜進行更新或確認，該數據將進入“使用維護數據庫”。

《大綱》要求制定單機跟蹤大綱，預測每臺新螺旋槳結構關鍵部位潛在的損傷擴展情況，調整各單機的維修間隔，獲得新螺旋槳全生命周期內不少于90%的有效飛行數據。

隨著新螺旋槳使用經驗和使用單機監控數據的豐富和可靠性增長，新螺旋槳的壽命和定檢周期將進一步達到設計要求指標。

6 新螺旋槳的用戶支援與管理

利用故障數據庫，記錄單臺新螺旋槳的監控結果，并及時處理相應的故障。

在新螺旋槳投入應用的過程中，處理了大量的設計、工藝問題引起的故障，另外還處理了大量的在用戶使用過程中出現的其他各類故障。這些故障包括變距機構掉齒、槳葉掉漆、密封膠條脫落等現象。對于此階段出現的問題利用雙五歸零的工具，對故障進行閉環。技術歸零包括：問題描述、問題定位、故障機理、故障復現、驗證措施及舉一反三。管理歸零包括：過程情況、責任明確、落實措施、處理情況、完善規章及經驗教訓總結。由此逐步提高新螺旋槳的可靠性及使用壽命。

《大綱》規定了如何制定用戶支援管理對策，并規定主要由使用方負責。實施中建立的用戶使用管理程序和方法指出，應根據單機監控獲得的數據，對每架飛機新螺旋槳結構維護計劃進行及時調整，并應定期更新新螺旋槳維護計劃，以保證有效地發現和避免結構發生破壞，保障每架飛機在其全生命周期內的結構完整性。

7 總結

螺旋槳是飛機發動機的重要空氣動力部件，“麻雀雖小五臟俱全”。新螺旋槳的研制是按照飛機設計流程的各個階段進行的。為確保新螺旋槳能實現預期的空氣動力特性和安全可靠的使用要求，新螺旋槳首次在各設計階段貫徹了《軍用飛機結構完整性大綱》，明確了新螺旋槳設計每一個階段中的主要內容和方法。目前新螺旋槳正在螺旋槳使用維護階段貫徹《大綱》的要求，并補充完善新螺旋槳全生命周期實施不足之處，使得新螺旋槳能夠全面滿足飛機提出的各項要求。

通過在新螺旋槳研制過程中貫徹《大綱》，使得設計單位、制造單位、使用單位對貫徹《大綱》的必要性有了進一步的認識和實踐，體會到貫徹結構完整性大綱是保證新螺旋槳結構可靠性、經濟性和產品壽命的重要手段，是新螺旋槳發展的重要手段和規范。

目前新螺旋槳的氣動噪聲是影響螺旋槳設計的關鍵問題。下一步，各研制單位、高校、科研單位計劃開展螺旋槳降噪[12]、空氣動力特性[13-14]、結構減重、氣動彈性特性[15-16]綜合研究，并利用多學科綜合優化方法[17]，重點開展槳葉數量、槳葉形狀和結構等參數的優化，最終在保證和提升螺旋槳空氣動力效率前提下實現降低螺旋槳噪聲的目標。