直升机桨叶填芯材料发展现状及应用

李志峰，王正峰

(1.中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001；2.海装驻南昌地区航空军事代表室，江西 南昌 330000)

0 引言

桨叶是直升机的关键动部件，提供了直升机飞行所需的升力和操纵力。几十年来，各种直升机层出不穷，直升机桨叶构型也历经演变。但无论金属大梁桨叶(见图1)还是复合材料大梁桨叶(见图2)，从具体结构上看，都由蒙皮、大梁和填芯等组成。蒙皮和大梁是桨叶的主承力结构，桨叶填芯虽不直接承担载荷，但却维系着桨叶蒙皮和大梁的形状，对其起重要的支撑作用。填芯对桨叶的制造质量影响很大，因此桨叶生产中必须首先依据填芯材料的压缩强度，结合桨叶大梁和蒙皮的具体结构，通过一定数量缩比样件工艺试验摸索桨叶填芯的过盈量；然后通过对全尺寸桨叶无损检测和破坏性切割检查初步确定桨叶填芯材料的过盈量；最后按满足桨叶疲劳寿命要求的产品状态确定桨叶填芯材料的过盈量。桨叶填芯材料的压缩强度和密度是桨叶设计选材考虑的重要参数。

图1 金属大梁桨叶剖面示意图

图2 复材大梁桨叶剖面示意图

1 桨叶填充材料分类

桨叶填充材料属于多孔固体。多孔固体主要有二维蜂窝结构、三维开孔泡沫和三维闭孔泡沫三种典型结构。二维蜂窝结构最简单，六边形做两维排列，像蜜蜂的巢穴一样堆积充满平面空间。三维泡沫结构比较普遍，其孔穴由三维空间填充的多面体构成，如果组成泡沫的固体仅仅只是孔穴的棱边，则称该泡沫是开孔的，属三维开孔泡沫；如果多面体的壁面也是固体的，以至于每个孔穴都与其相邻的孔穴相互封闭隔离，则称该泡沫是闭孔的，属三维闭孔泡沫。

直升机桨叶研制史上，铝蜂窝、玻璃布蜂窝、纸蜂窝、聚乙烯(PVC)泡沫、聚苯乙烯(PS)泡沫、聚氨酯(PUR)泡沫、聚醚酰亚胺(PEI)泡沫和聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)泡沫等都曾被用作填芯材料。在上述各种填芯材料中，芳纶纸蜂窝(见图3)、硬质聚氨酯泡沫(见图4)和聚甲基丙烯酰亚胺泡沫(见图5)具有代表性且应用范围较广。

2 芳纶纸蜂窝

2.1 发展现状

20世纪60年代，美国杜邦公司首先采用其发明的间位芳纶纸制成芳纶纸蜂窝并投入使用，该芳纶纸蜂窝在当今市场上应用比较广泛。后来，杜邦公司又采用凯夫拉纤维与造纸用间位浆粕研制出了对位芳纶纸蜂窝。20世纪80年代以前，俄罗斯一直采用与美国相同的工艺方法制备芳纶纸蜂窝。后来俄罗斯技术人员调整了芳纶纸蜂窝生产工艺流程，解决了影响芳纶纸蜂窝力学性能的最关键的问题(浸胶工艺)，从根本上提高了芳纶纸蜂窝外观和力学性能的均匀性，同时使原材料的浪费率由30%降到5%，大大降低了制作芳纶纸蜂窝的成本。

20世纪80年代末，中国一些院校和企业开始芳纶纸蜂窝研究，华南理工大学胡建[1]等指出国产芳纶纸与杜邦公司生产的芳纶纸相比还存在一定差距；郝巍[2]认为国产芳纶纸孔隙率偏大，对蜂窝的成型工艺有一定影响，会导致制备的蜂窝脆性大。目前，北京航空材料研究院采用烟台氨纶集团旗下美士达公司生产的间位芳纶纸通过一系列成熟的工艺流程研制出了多种不同型号的芳纶纸蜂窝材料。

2.2 性能参数

芳纶纸蜂窝具有比强度高、结构稳定性好、隔热阻燃等特点。芳纶纸蜂窝的密度一般在22kg/m3～150kg/m3。芳纶纸蜂窝的力学性能主要与蜂窝密度相关，对于同一种芳纶纸，蜂窝的压缩强度和纵向剪切强度基本随密度增大而增大。表1给出了国内外部分芳纶纸蜂窝的物理特性及力学性能。

2.3 工艺性

芳纶纸蜂窝的横向刚度很小，加工时的装夹方法对其加工效率和加工精度都有很大影响。实践表明，传统的零件装夹方法不适用于芳纶纸蜂窝；通用数控加工设备及加工方法因存在装夹、刀具和工艺策略等问题容易导致蜂窝加工时被扯起或出现其他质量等问题，适用性不强。

目前，部分企业采用超声切割技术加工蜂窝。该技术的核心是超声切割头，其基本原理[3]是利用电子超声发生器产生频率为20kHz～30kHz的超声波，通过切割头内置的超声-机械换能器将超声信号转换为超声机械振动，再经过放大器将有限的超声机械振动放大到切割所需的能量，最后该能量通过专用的刀具切割蜂窝。超声波切割经常用到直刃和盘式两种刀具，其中直刃刀具用于粗加工平面或曲面以及零件外形边界的切断等，盘式刀具用于半精或精加工平面或底面。

表1 国内外部分芳纶纸蜂窝物理特性及力学性能

蜂窝具有很强的延展性，因此加工过程中需对刀具的进给速度进行严格控制，特别是盘式刀，极易使蜂窝空格拉长或压缩，会影响零件的型面加工精度和外形轮廓尺寸。

2.4 应用情况

芳纶纸蜂窝材料应用较广，各主要直升机公司的代表性机种都采用了该材料。从直升机吨位上看，从轻型、中型到重型，基本全覆盖。

1961年，波音公司纵列式运输直升机CH-47“支奴干”(24吨级)首飞，其桨叶采用了纸蜂窝作为填芯材料。1966年，美国贝尔公司“喷气突击队员”系列的贝尔206A直升机(2吨级)首飞，其主桨叶首先采用纸蜂窝作为填芯材料，由此开启了贝尔公司纸蜂窝应用的序幕，其后研制的许多直升机均采用纸蜂窝。西科斯基公司的“黑鹰”直升机(10吨级)主桨叶采用了纸蜂窝作为填芯材料。波音公司研制的美国第二代武装直升机“阿帕奇”(10吨级)主桨叶后腔填芯材料采用了纸蜂窝。

20世纪80年代，为对抗美国的“阿帕奇”武装直升机，前苏联研制了其第二代武装直升机(11吨级)。米里公司、卡莫夫公司分别研制了剪刀式尾桨构型的米-28N直升机和共轴式武装直升机Ka-50，这两型直升机桨叶均采用了芳纶纸蜂窝材料。1998年，卡莫夫公司Ka-27、Ka-28、Ka-29、Ka-31和Ka-32直升机在桨叶升级时用纸蜂窝替代了原来的铝蜂窝。表2给出了纸蜂窝在部分直升机桨叶上的应用情况。

表2 纸蜂窝在部分桨叶上的应用情况

3 硬质聚氨酯泡沫

3.1 发展现状

1958年，杜邦公司以异氰酸酯、多元醇和一氟三氯甲烷(CFC-11)发泡剂首先成功制备硬质聚氨酯泡沫。我国从20世纪50年代初开始研究聚氨酯泡沫，至今形成了引进技术生产甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯和多亚甲基多苯基异氰酸酯为主，辅以自主研发的技术生产六亚甲基二异氰酸酯、三氨基壬烷三异氰酸酯的生产格局。为改善硬质聚氨酯泡沫的性能，研究人员在不改变聚合物结构的前提下，在整个体系中加入适当的助剂对聚氨酯泡沫进行增强。巴志新[4]等研究发现用直径10μm～15μm无碱破碎玻璃纤维增强聚氨酯泡沫，压缩强度随玻璃纤维粒度的细化而增大；赵斌[5]等研究发现用尼龙66纤维和SiO2颗粒作混合增强剂，能使泡沫的拉伸、压缩和冲击强度都明显提高。

3.2 性能参数

硬质聚氨酯泡沫具有优良的物理力学性能、声学性能和耐化学性能。硬质聚氨酯泡沫的压缩强度和拉伸强度取决于其原料、配方和结构。其中泡沫密度是决定因素，随着密度的增大，压缩强度和拉伸强度明显增大。表3给出了国内外部分硬质聚氨酯泡沫的物理特性及力学性能。

表3 国内外部分硬质聚氨酯泡沫的物理特性及力学性能

3.3 工艺性

硬质聚氨酯泡沫硬度不高，适用于简单的机械加工或数控加工，但进给速度不能太大。从孔穴结构上看，硬质聚氨酯泡沫属于不完全封闭结构，加工过程中产生的粉末量大且不易清理彻底，加工好的泡沫填芯在工序流转中还会因摩擦和磕碰产生粉末，因此最终与桨叶其他零件装配前必须采用除尘设备去除全部粉末，不然会直接影响与桨叶大梁和蒙皮等结构的粘接性能。

3.4 应用情况

从国内外应用情况来看，硬质聚氨酯泡沫主要应用在轻型、中型直升机桨叶上，尚未发现重型直升机桨叶应用该泡沫的先例。20世纪70年代，欧直公司开始在“松鼠”系列直升机(2吨级)和“海豚”系列直升机(4吨级)主桨叶上应用硬质聚氨酯泡沫。其2009年12月首飞的EC175直升机(6吨级)主桨叶填芯采用的仍是硬质聚氨酯泡沫。总体上看，硬质聚氨酯泡沫在直升机桨叶上的应用呈现下降趋势，已逐渐被PMI泡沫替代。表4给出了硬质聚氨酯泡沫在部分桨叶上的应用情况。

表4 硬质聚氨酯泡沫材料在部分桨叶上的应用情况

4 聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)泡沫

4.1 发展现状

1966年，德国罗姆(ROHM)公司首先用丙烯晴、甲基丙烯晴、丙烯酰胺和甲基丙烯酸酯热塑性树脂在180℃下发泡并交联制作PMI泡沫。1967年日本积水化学公司采用辐射交联法制作PMI泡沫。

目前,德国赢创德固赛公司的ROHACELL系列PMI泡沫在市场上占据着主导地位。2007年，湖南塑料研究所研制出PMI泡沫产品，并在2010年承担了湖南省属科研机构创新发展专项“大型复合材料构件用聚甲基丙烯酰亚胺泡沫材料中试研究机应用推广”，2011年作为投资者之一成立了湖南兆恒科技有限公司，生产PMI泡沫[6]。中航复材技术中心与福建浩博合作，已成功研制出ACCPMI系列PMI泡沫材料，并建立了年产能力3000m3的PMI泡沫生产线[7]。

4.2 性能参数

PMI泡沫具有良好的力学性能、各向同性，具有良好的稳定性、耐化学性能，在低温情况下还具有很低的热导率。目前，相同密度情况下，PMI泡沫是拉伸和剪切模量、强度最高的聚合物泡沫材料。表5给出了部分PMI泡沫的物理特性及力学性能。

表5 国内外部分PMI泡沫的物理特性及力学性能

4.3 工艺性

PMI泡沫是三维闭孔泡沫，使用机械进行泡沫表面加工或开槽时，加工速度可以很快，能达到蜂窝的十倍。ROHACELL技术手册[8]指出，采用螺旋状嵌有60/72粒度的工业金刚石刀刃、转速7200rpm～12000rpm或采用五点、淬火NONVAR工具钢刀刃、转速2800～3500rpm，通过选择合适的数控加工进刀速度，可以获得光滑的泡沫加工表面。

4.4 应用情况

PMI泡沫用作桨叶填芯，主要见于欧直公司，其20世纪80、90年代具有代表性的机型基本都选用了PMI泡沫，从起飞重量上看，应用范围基本覆盖了直升机的各种吨位。1987年，EH101直升机(15吨级)首飞，其主桨叶的前腔和中腔填芯都采用了PMI泡沫。1991年4月，EC625“虎”式直升机(6吨级)首飞，其主桨叶前腔填芯采用了PMI泡沫。1994年2月，EC135直升机(3吨级)首飞,其主桨叶前腔和后腔都采用了PMI泡沫。

1995年6月，法国、新加坡和中国联合推出了EC120B轻型直升机(2吨级)，其主桨叶用PMI泡沫代替了原来的填充材料。1995年12月，法国、意大利、德国、英国和荷兰5国联合研制的NH90直升机(10吨级)主桨叶前三腔和尾桨叶也采用了PMI泡沫。英国韦斯特兰公司研制的曾创造了直升机飞行速度世界纪录的“山猫”直升机，其主桨叶改进时，最终用PMI泡沫代替了原来的芳纶纸蜂窝。

5 结论

经过几十年的发展，直升机桨叶填芯材料物理性能和力学性能逐渐提高，与桨叶设计的材料体系和生产工艺更加匹配；填芯材料技术发展的区域不平衡仍然存在，但各直升机公司大都形成了与各自填芯材料的性能特点相适应的桨叶设计方法和生产工艺；欧直公司主桨叶填芯选材进一步精细化，部分桨叶同时选用了芳纶纸蜂窝和PMI泡沫；部分PMI泡沫料的尺寸稳定性指标尚不明确，有必要开展进一步研究；从桨叶弦向重心控制角度考虑，压缩强度相同的情况下，密度低、工艺性能好的填芯材料更具有市场竞争力。