树脂基复合材料在直升机的应用及其制造技术

程健男 徐福泉 张体磊

摘要：树脂基复合材料由于优异的特性在直升机结构上得到了广泛的应用，已经逐渐替代了铝合金等金属材料成为直升机结构的主要材料，为提升直升机的性能做出了巨大的贡献。本文对树脂基复合材料在直升机结构上的应用及其制造技术的发展进行了回顾，介绍了国外直升机复合材料的制造应用案例，并对未来制造技术的发展趋势进行了展望。研究表明，整体化设计及制造技术、低成本制造技术、热塑性复合材料制造技术是未来直升机复合材料发展的重点方向。

关键词：树脂基复合材料；直升机；制造技术；应用；发展

中图分类号：V261.97文献标识码：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.01.018

随着复合材料制造技术的成熟及其配套产业的扩大，在航空航天飞行器的选材上对其倾向性更加明显，复合材料已经成为飞行器的主要材料，并在提升可靠性和安全性等方面发挥着不可替代的作用。树脂基复合材料相比金属材料具有质量轻、比强度高、可设计性及疲劳性优异、耐腐蚀性能好等优势，同时由于直升机具有旋翼等对疲劳性能要求较高的动部件，选用复合材料能够为直升机提供最佳的结构效益。新一代直升机的研制，先进复合材料获得了广泛的使用，大大提高直升机零部件的使用寿命，推动了性能的提升与发展[1-2]。本文将研究复合材料在直升机领域发挥的巨大作用，从结构应用和制造技术两方面的发展历程进行分析，提出未来直升机复合材料制造技术的发展方向。

1复合材料在直升机的应用

直升机与固定翼飞机相比，最大的区别是结构及飞行动力的差别。传统的直升机通过旋翼的转动来提供升力及推进力，飞行高度与速度相对较低，是一种中低空、低速飞行器。直升机主要应用环境为湿/热、干/寒、沙尘/雨淋等恶劣环境条件，具备优良的耐候性、耐蚀性的复合材料将是直升机环境适应性设计的必然选择。在先进直升机的旋翼系统、机身结构中均有复合材料的应用，复合材料的用量现已成为衡量新一代直升机技术先進水平的重要标志。国外直升机复合材料的用量[3]（见图1）逐年提升，到20世纪80年代已占到结构质量分数的35%～50%。作为全复合材料机体直升机的典型代表，NH90复合材料用量占总质量的95%，仅动力舱平台及其隔板采用金属件，其带来的优点是零件数量减少20%，质量减轻15%；空客直升机公司研制的H160直升机是世界首架全复合材料民用直升机，极大降低了机身质量，提升了飞机的整体性能。贝尔公司研制的V-280倾转旋翼直升机也在V-22基础上大量应用了包括热塑性材料在内的复合材料，主要结构件均为复合材料[4-6]。

国内直到20世纪60年代才开展碳纤维复合材料研究，1980年引进法国SA365“海豚”直升机并对其进行国产化改造，从而完成了直9型直升机的研制。直9的复合材料用量达到了结构质量的34%左右，其旋翼、涵道垂尾、尾桨叶、机身等部件均由复合材料制造。随着树脂基复合材料国产化工作的开展，国内逐渐建立起完整的复合材料产业链，摆脱了原材料不能自给的困境。基于材料的设计、制造及无损检测技术也随之迅速发展，直接推动了树脂基复合材料在国产直升机上的应用。目前国内直升机的复合材料用量已接近50%，在斜梁、整流罩、蒙皮、尾梁、舱罩等结构都选用了复合材料[7]。

预计随着相关复合材料和结构材料制造技术的突破，未来国产直升机中复合材料用量将进一步提高，在机身的主承力结构上会更多地采用复合材料，减重的同时将充分发挥复合材料耐腐蚀、隐身等优势特性。

1.1旋翼系统

旋翼是直升机最显著的标志性结构，可以为直升机提供升力。旋翼系统由桨叶和桨毂组成，旋翼形式是由桨毂构型决定的，它随着使用材料、制造工艺和旋翼理论的发展而发展。从20世纪60年代开始，旋翼桨叶的设计选材已经开始向复合材料倾斜，主要应用复合材料桨叶与弹性轴承、柔性元件桨毂旋翼。到20世纪70年代，旋翼系统开始大量使用复合材料，主要应用高性能复合材料桨叶与无铰式、无轴承式球柔性铰式等新型桨毂旋翼。在此期间BO105直升机首次使用了全玻璃钢桨叶，S-76直升机应用了复合材料无轴承柔性尾桨，CH-47D型直升机换装了D形大梁玻璃钢桨叶[8]。目前，旋翼系统的复合材料构件主要在结构功能的完善及降噪、提效方面开展相关研究。如适应于高速直升机的共轴刚性旋翼以及H160的“蓝色前缘”桨叶，同时H160也创造性地采用了热塑性复合材料旋翼桨毂结构。V-280直升机首次使用了全碳纤维复合材料倾转旋翼叶片。

1.2机体结构

机体结构主要用于装载空勤人员、旅客、货物、设备和燃油等，并通过它将直升机上的各部分连接成一个整体。直升机的构型对机身外形和受力方式有很大影响，机体多为薄壁结构，曲率相对较大，出于减轻质量考虑，设计多选用蜂窝夹层结构以提高结构的刚度及损伤容限。机体结构的复合材料应用发展与旋翼系统相仿，第三代直升机机体结构部分使用复合材料，约占结构质量分数10%；而第四代直升机机体结构大量采用复合材料（见图2），复合材料结构质量分数普遍达到50%以上，应用范围从非承力的整流罩、蒙皮等结构，逐步发展到尾梁、地板、隔框等主承力结构。西科斯基研制的首架全复合材料机身的S-75型直升机，零件和紧固件减少了75%。随着先进复合材料及其设计技术的发展，先后出现了如V-22、PAH-2、NH90、H160等选用全复合材料机体的机型[9]。GKN航空航天公司向贝尔直升机交付了一对热塑性复合材料制造，经感应焊接而成的蝶形尾翼方向升降舵用于V-280倾转旋翼机，从而使V-280成为首批使用先进热塑性部件的军用飞机之一。

1.3传动系统

现代直升机的传动装置是由各种附件组成的、用来传递机械能的系统。目前大多数直升机的传动系统采用刚性构件，利用齿轮啮合传动原理将发动机输出的功率传递给旋翼、尾桨和其他部件。传动系统的部件主要有：主减速器、中间减速器、尾减速器、传动轴、旋翼刹车装置、离合器和联轴节等。复合材料传动轴在大幅减轻结构质量的同时，可以提高固有频率，减少噪声，降低传动系统能量损失，提高抗振性能。

在直升机传动系统中，尾部传动轴部件相对于其他部件而言受力单一、结构简单，故复合材料在尾传动轴部件的应用比较广泛[10]。西科斯基公司在UH-60M上将铝合金传动轴换装为复合材料传动轴；贝尔公司的429轻型双发直升机也使用了2段超临界复合材料尾传动轴，在减轻质量的同时还将连续功率提升了40%。贝尔公司在V-22传动系统中应用了复合材料轴管两端铆接钛合金法兰盘的轴系。

西科斯基公司在先进旋翼传动系统研究（ART）项目中，通过6个复合材料支架结构代替静轴传递旋翼载荷；贝尔公司针对XV-15旋翼轴，设计了承载能力相同的复合材料/钢旋翼轴，质量减轻了14%。美国波音公司在234型和360型直升机的旋翼轴上成功地应用了复合材料管件，大幅减少了结构质量。倾转旋翼机AW609的驱动轴主轴及侧轴均由复合材料轴管和金属法兰盘/花键接头组成[11]。

1.4起落架

直升机起落架的主要作用是在是升级着陆时吸收垂直下降速度产生的能量，减少触地撞击引起的过载，以及防止在起飞、着陆和地面开车时出现“地面共振”。荷兰航空宇航研究院采用三维编制和RTM工艺完成了NH90直升机起落架摇臂和扭力臂的制造。

2直升机复合材料制造技术

2.1铺放技术

2.1.1自动铺放技术

航空航天复合材料构件制造主要依赖手工铺叠形式，手工铺放受操作人员水平及技能的限制，工人劳动强度大、铺放效率低、容易产生夹杂，产品质量一致性差等；另外，對于大尺寸、变曲率、异形回转体结构等复杂结构制件，手工铺叠难以实现。与手工铺叠相比，自动铺放技术克服了手工铺叠带来的弊端，在降低工人劳动强度的同时，大幅提高了铺放成形效率；减少人为失误，减少孔隙、架桥、交叠等制造缺陷，提高工艺的重复性和稳定性，进而提高复合材料制品质量；另外，相比较手工铺叠复合材料20%～25%的废料率，自动铺放技术可以减少到5%左右。这种自动化制造技术在提高生产效率、制件内部质量、降低成本等方面显示出了极为突出的优越性和极大的潜力，已经成为新一代航空航天复杂复合材料构件制造的最佳工艺解决方案。

（1）自动铺带/铺丝

自动铺带技术采用有隔离衬纸单向预浸带，多轴机械臂完成铺放位置定位，铺带头自动完成预浸带输送剪裁、加热铺叠与辊压，整个过程通过数控技术自动完成。自动铺丝技术结合了纤维缠绕和自动铺带技术的优点，能够将纤维缠绕中柔性丝束的输送、张力控制和自动铺带技术的剪切、重送、压紧和加热等技术结合。因此，相比较于纤维缠绕和自动铺带技术灵活性更大，受芯模曲率和型面影响小，能够实现大型复杂（凹形面、蜂窝夹层面、大曲率）复合材料构件成形。自动铺丝技术还能够对复杂构件进行一体化成形，以减少装配零件数目、制造工时和废品率，有效降低复合材料构件的制造成本。波音公司通过自动铺丝技术生产制造了V-22倾转旋翼机后机身，和原来相比，减少了34%的紧固件和53%的装配量（见图3）。SB>1共轴复合推进直升机的桨叶和CH-53K尾桨叶柔性梁同样采用了自动铺放技术[12]。

（2）纤维缠绕

纤维缠绕是一种在控制张力和预定线型的条件下，应用专门的缠绕设备将浸过树脂胶液的连续纤维或布带，按照一定规律缠绕到芯模上的过程。纤维缠绕技术能够提高纤维的连续性，实现等强度结构，减少应力集中，提高结构的可靠性。但是对结构的适应性较差，只能用于部分特殊结构的零件。贝尔公司的AH-1G夹层结构尾斜梁、贝尔206的垂尾、OH-58的平尾管梁与蒙皮及硬壳式尾梁均使用了纤维缠绕工艺；西科斯基公司也使用了缠绕工艺方法研制了S-76的尾梁、水平安定面和斜梁[13]。

2.1.2预制体制造技术

纤维编织是一种常用的预制体制造技术，能够使两条以上纱线在斜向或纵向互相交织形成整体结构的预成形体。这种工艺通常能够制造出复杂形状的预成形体，但其受设备和纱线尺寸的限制。在航空工业，目前该技术主要集中在编织的设备、生产和几何分析上，最终的目的是实现完全自动化生产，并将设备和工艺与CAD/CAM进行集成。NH90的起落架撑杆采用编织预成型技术制造了干纤维预成形体[14-15]。

2.2成形技术

2.2.1热压罐成形技术

热压罐成形是指将单层预浸料按预定方向铺叠成的复合材料坯料，放在热压罐内，在定温度和压力下完成固化过程的工艺方法[16]。热压罐成形技术是目前航空、航天领域的结构件广泛采用的成形工艺方法，常用于层压件、夹层件、结构胶结件的制备以及共固化等复杂的工艺过程中。使用热压罐成形技术工艺过程稳定易控，能够较好地保证产品质量的一致性、稳定性。固化制度的制定与执行是保证热压罐成形制件质量的关键。热压罐工艺主要缺点为工艺成本较高，生产周期长，难以实现低成本、高效的连续生产。

2.2.2非罐成形技术

非罐成形工艺专指相对于传统预浸料-热压罐成形技术，仍使用预浸料进行固化成形，但仅在真空压力下进行固化，不采用热压罐设备的工艺技术。其可以大幅降低制造成本，但由于成形压力较小，不利于夹杂气体排除，可能对制件的孔隙产生不良影响。同时，零件的表面质量以及原材料的有效使用期限也是影响非罐成形技术发展的主要限制条件。V-280直升机使用非罐技术[17]制造了主起落架复合材料舱门。

2.2.3液體成形技术

液体成形工艺是在模腔中铺放预成形体材料，采用注射设备将专用树脂体系注入闭合模腔或加热熔化模腔内的树脂膜，使树脂流动顺畅并排除模腔中的全部气体、彻底浸润纤维，最终加热固化制备复合材料的技术。主要包括树脂传递模塑（RTM）、真空辅助树脂浸渗（VARI）、树脂膜渗透工艺（RFI）等[18]。

（1）RTM成形技术

RTM成形工艺是一种典型的液态模压工艺，通过将热固性树脂注入到封闭的模腔中，浸润增强材料并固化成形。这种工艺能够一次成形大型复杂的结构件，产品精度容易控制，生产的效率较高，容易实现自动化批量生产。但是由于工艺过程复杂，对材料性能及工艺、模具的设计要求较高，常需借助仿真软件进行过程模拟分析[19]。AH-64D直升机通过使用RTM成形工艺等实现机身结构的整体化制造，大量降低了成本。NH-90直升机舱门、龙骨梁、起落架扭力臂和纵向推力杆均采用RTM成形工艺制造（见图4）。V-22倾转旋翼机的尾传动轴、尾斜轴也采用了RTM成形工艺。此外，RTM成形工艺还在直升机起落架舱、机身典型结构件等直升机机身部件上得到了应用。

（2）VARI成形技术

VARI成形工艺是在RTM成形工艺的基础上发展起来的一种低成本复合材料成形技术。它是使用真空袋将铺放在模具上的预制体密封后，在真空负压状态下排出气体压实，并实现对纤维及织物增强体的浸渍，最终固化成形的工艺过程。VARI成形技术适用于大尺寸构件的低成本制造[20-21]，其预成形体制备难度较大。21世纪初，美国波音公司用VARI成形工艺一体成形了机舱整体结构（见图5）。该机身为全碳纤维复合材料加筋壁板结构，运用了纤维缝合技术增强其层间性能。CH-46运输直升机采用VARI技术成形发动机整流罩；CH-47运输直升机前发动机吊架和整流罩采用了VARI技术整体成形。

2.2.4模压成形技术

模压成形是将预浸料铺放在模具的型腔中，然后闭模通过螺栓、压床或者自加温加压设备进行加压，而使其成形并固化的工艺过程。模压成形工艺也是直升机复合材料制造常用的工艺方法之一，多用于成形桨叶、肋盒等零件，必要时还需要使用硅橡胶或者气囊进行辅助加压，以保证复合材料制件的成形质量。使用模压成形技术能够保证零件的外形尺寸，同时提高原材料的利用率，但是模具结构复杂，对制造精度要求较高。

3结束语

复合材料追求更轻、更快、更强的时代已经过去，未来复合材料在直升机上的应用向着结构、功能、高效、低成本一体化的设计制造领域迈进。

（1）整体化设计及制造技术

减质增效一直是直升机设计制造追求的最终目标。由于直升机产品的体积偏小、结构复杂，整体化设计及与之相应的制造技术是未来发展的重要方向之一。整体化的结构设计能够有效减少零件及紧固件的数量，大幅降低结构质量。同时，与之相应的制造技术能够减少零件的固化次数，降低制造成本、提高效率。

（2）低成本制造技术

除了昂贵的原材料，制造成本也是限制复合材料应用的主要因素之一。亟须发展适用于直升机结构的低成本制造技术，摆脱热压罐对复合材料制造的限制，运用液体成形、低温固化、快速成形、非罐工艺等手段，结合数字化智能制造技术，降低复合材料的制造成本，提高复合材料在飞行器制造业的应用。

（3）热塑性复合材料制造技术

热塑性复合材料在减质的同时能够提高损伤容限和抗疲劳特性，在未来直升机结构上也存在较大应用价值。针对国内高性能热塑性树脂制造技术的发展，需发展与之相适应的配套材料、设备的研发以及制造技术的研究。以适应热塑性复合材料的原位固化、焊接等配套制造技术来降低制造成本，推动热塑性复合材料在直升机的应用。

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（责任编辑余培红）

作者简介

程健男（1987-）男，硕士，高级工程师。主要研究方向：复合材料的制造及装配技术。

Tel：0451-86583143E-mail：301cjn_301@163.com

Application and Manufacturing Technology of Composites in Helicopter

Cheng Jiannan1，*，Xu Fuquan1，Zhang Tilei2

1. AVIC Harbin Aircraft Industry Group Co.，LTD.，Harbin 150066，China 2. Army Armament Department Aviation Military Representative Office in Harbin，Harbin 150066，China

Abstract： Composites have been widely used in helicopter structure because of their excellent properties， and have gradually replaced aluminum alloy and other metal materials as the main materials of helicopter structure，which has made great contributions to improving the performance of helicopter. The application of composites in helicopter structure and the development of manufacturing technology are reviewed， the manufacturing and application cases of helicopter composites abroad are introduced， and the development trend of manufacturing technology in the future is prospected. Integrated design and manufacturing technology， low-cost manufacturing technology， thermoplastic composite manufacturing technology are the key development direction of helicopter composite materials in the future.

Key Words： composite； helicopter； manufacturing technology； application； development