基于直升机装备设计条件下的复合材料应用思路构建

林开平

（郑州飞机装备有限责任公司，河南 郑州 450006）

复合材料在直升机装备上的应用，例如旋翼，作为直升机唯一的升力来源，旋翼能力的提升成为提高现代直升机飞行速度的最直接的途径。旋翼能力提升技术除了翼型配置、桨叶平面形状、气动扭转以及桨尖形状设计等常规途径以外，前飞速度大于逆速旋翼系统中桨叶的桨尖线速度，经过实践证明，与直升机装备中当前进行构造使用的复合材料十分关键。从而使整个后行桨叶处于反向气流之中。复合材料应用在旋翼桨叶上，如玻璃纤维，其突出的优点就是优异的疲劳强度。直升机的飞行能力别具特点，

1 复合材料在直升机装备主要结构中的应用

（1）在旋翼桨叶上进行纤维复合材料的使用，需要克服纤维的性能弱点，在低的层间剪切强度上，适应环境的敏感性，给旋翼桨叶和应用带来有利的因素。金属的桨叶在使用寿命上能够通过复合材料的使用，从尖削桨尖开始，抛物线掠下之后，实现了全弯曲、非对称，提高直升机的安全性，阻力系数不断减小，将使得桨叶的全寿命成本大幅度的降低，反桨尖达到了先进的薄后掠BERP桨尖，带来可观的经济效益。在高性能的基础上，达到了旋翼效率的提升，力矩系数的变化不大。复合材料在经过模压固化成型的工艺后，工作人员对于旋翼桨叶的结构动力学和空气动力学进行了优化设计，是旋翼桨叶的性能最大的改进，新的旋翼，复合材料的改造收到了很好的效果，能够实现气动外形和旋翼结构的力学特性的改进。强度和刚度都达到了可剪裁的设计标准，改善了桨叶的启动荷载的分布，最大系数和临界马赫数大大提高，达到6000h以上。旋翼桨尖的状态的改进，实现桨叶的性能的优化，不仅如此，将复合材料应用在旋翼优化设计中。

（2）对于传统的金属浆叶来说，桨毂使用复合材料，实现了直升机装备的柔性的结构。采用铰接式桨毂，零件的数目减少，重量减轻，成本降低，采用纤维缠绕环套式桨毂，提高了安全性和可靠性。例如外环式桨毂和铰链式桨毂都在结构上更加紧凑和简单，重量上减轻，成本上降低。整体式的桨毂和旋翼轴组件，减少了直升机的当量废阻面，复合材料的最新研究成果，是将采用复合材料制作而成的柔性的变形桨叶的挥舞、变矩运动的无轴承桨毂结构，加以技术性的突破。

（3）直升机的机体机构采用了复合材料，外形曲面和结构受载不是很大，经过加工成形后，提高了结构的损伤容限，运输类的直升机对于机体机构提出了采用复合材料进行减重的要求，耐坠结构上，根据设计的要求，使用上更加可靠和安全，制定了先进复合材料机体计划。与铝合金材料相比，复合材料的维护性和可靠性更好。复合材料和铝合金机身效益对比如表1。

表1 复合材料和铝合金机身效益对比

与直升机的设计技术指标的关系十分密切。重型武装直升机的复合材料，在用量上占到整体重量的50%，垂尾和尾梁上的构建较多，民用运输直升机在复合材料的运用上则更多，复合材料的用量，达到80%以上。复合材料在机身结构上，用于平尾。不仅能够减重，还能够使得复杂的曲面成形，采用复合材料实现减重使得直升机的结构更加简单。

2 直升机复合材料的应用特点

（1）对于部分利用悬停效应，直升机与固定翼飞机相比，直升机能有效的完成垂直起落、空中悬停和前飞、侧飞、回转飞行及贴地飞行，是一种低速飞行器。复合材料使得直升机具备优良的耐候性、承担搜索救援及外载运输等起重任务，其最显著的不同是利用旋翼旋转所提供及传动系统所传递的升力、前进力和操纵力，其主要应用环境为恶劣环境条件，直升机与固定翼飞机相比，与高空高速固定翼飞机所不同，飞行高度一般在6000 m以下，选用具备优良抗疲劳特性的复合材料，将是直升机追求高减重效益的最有效途径。超低空时能够达到15～30m之间，表现在强度、质量、空气动力、耐蚀性的环境特点。其飞行速度约在300 km/h，突出的振动问题在于直升机的结构设计在很大程度上是结构动力学的设计问题。

（2）军用直升机还应满足防弹、耐坠性等要求。除一般航空器设计的刚度、工艺性和使用维护性外，因直升机与固定翼飞机上述不同的飞行原理和使用环境，例如旋翼系统对气动弹性、可靠性等设计要求尤为关注；使直升机的结构设计要求还有其特殊要求。直升机结构设计中必须设法降低强迫振动的振幅和避免出现动稳定性问题；直升机的机体结构采用复合材料，例如驾驶舱管梁骨架结构上，在一方面着眼于改进和创新结构设计及制造工艺，另一方面则着眼于结构减重，以及大型整体壁板、夹层结构尾梁等。

（3）直升机结构复合材料在旋翼桨毂上的应用，采用绕衬套缠绕接头设计。利用气动布局中树脂基复合材料模压成型，率先选用复合材料，具有高的强度比和低密度，包括纤维/弹性轴承桨毂、疲劳强度和调频设计为主，韧性好等优异的力学性能，星型柔性桨毂、沿翼展多翼型复合材料优异的疲劳和刚度可剪裁特性，无轴承桨毂等。与固定翼飞机相比，这种结构设计与钛合金结构件相比质量分数减轻30%，连接件基于疲劳及减重的考虑，旋翼系统及传动系统不仅动部件多机身存在较多薄壁复杂曲面，用到的复合材料旋翼系统动部件设计以球柔性旋翼连接件为主旋翼系统动部件与铝合金结构件相比寿命提高50% 。

固定翼飞机主要采用双马树脂碳纤维单向带预浸料，包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶等织物，直升机在复合材料应用技术的特点上有一定区别，旋大量采用蜂窝夹层结构主要表现在：通过建立国产复合材料标准体系，对直升机复合材料从无损检测以及试验验证工艺制造、再到结构设计、到原材料控制等各方面的统一规范，翼是直升机特有的结构，是直升机与固定翼飞机的显著区别，还有旋翼桨叶中的大梁、垫布、蒙皮、后缘条等。机体结构中的机身下构件蒙皮、尾段整流罩，采用了铝基复合材料。结构形式不同，受力方式也不同。仪表板壁板、尾斜梁、舱短翼、遮光罩等主要应用部位，目前我国的复合材料，碳纤维及高强玻璃纤维环氧基复合材料等此类战略性材料基本已实现国内自我保障，实现了碳纤维等关键材料的工程化。

3 直升机复合材料的发展趋势

（1）原材料技术是先进复合材料的应用基础与前提，提升综合防护性能的同时进一步减轻质量，树脂基复合材料采用湿热性能及环境适应性能力强的树脂基体，陶瓷复合防弹装甲材料在发展高强高模增强纤维；金属基复合材料着重于提升损伤容限及抗疲劳性能。直升机复合材料的高性能化发展是未来的趋势之一。

（2）未来先进直升机一体化发展将是一大趋势，发展数字化、自动化的设计技术，复合材料有效实现其结构承载-功能，包括隐身、防弹、耐坠性、防雷击等，至少具备2种或更多功能，实现直升机复合材料制造过程的数字化。

（3）非热压罐成型技术，属于低成本制造技术。直升机复合材料全寿命周期的低成本化是未来的发展趋势，发展以共固化/共胶接为核心的大面积整体成型技术；以纤维自动铺放（AFP）自动铺带（ATL）为核心的自动化制造技术；包括材料低成本化、核心是发展低成本制造技术，设计低成本化、制造低成本化和维护低成本化等方面。其主要的发展是以树脂传递模塑成型技术为核心。

4 结语

随着近几十年的不断发展，在直升机装备上使用复合材料的工艺制造水平不断提高，制造成本不断降低。复合材料在直升机上的应用已发展到主承力结构并实现大范围成熟的应用，对高性能复合材料、先进设计技术和制造工艺需求迫切。未来国内直升机技术发展将追求高效能、长寿命，大力发展高性能复合材料、结构功一体化复合材料和智能复合材料；发展自动化制造，重点关注复合材料整体化和模块化设计技术，进一步提升复合材料的技术应用水平。

[1] 黄文俊,何志平,程小全.直升机复合材料应用现状与发展[J].高科技纤维与应用,2016,(5):7-14.

[2] 刘丹,葛文慧.直升机复合材料结构电搭接的工程设计[J].航空精密制造技术,2017,(6):9-11,16.