复合材料在直升机上的应用

工作平台和火力平台。

近代实用直升机通常以西科斯基（Igor Sikorsky）VS-300直升机于1939年9月14日首飞为其发展起始标志，至今已研究开发近70载。自20世纪60年代复合材料零部件开始在直升机上应用，复合材料零件具有结构简单、重量轻、不需润滑、使用维护方便、可靠性高、寿命长等特点，使直升机的重量效率（有效载荷/起飞重量）有了大幅度提高，因此，复合材料在直升机上开始大量使用。

1 旋翼桨叶

复合材料在直升机上的突破性的应用进展是20世纪60年代联邦德国MBB（Messerschmitt-Bolkow-Blohm）公司BO-105、法国宇航（Aerospatiale）公司“小羚羊”SA341和俄罗斯卡莫夫公司的卡-26等直升机玻璃纤维增强复合材料旋翼桨叶的研制成功，证实复合材料的突出优点，优异的疲劳强度、多路传载、缓慢的裂纹扩展特性和简便易操作的模压成形工艺，在旋翼桨叶上得到充分的发挥。而纤维增强复合材料性能的弱点，低的层间剪切强度、性能对环境因素的敏感等，并没有给旋翼桨叶设计和应用带来不利影响。金属桨叶的使用寿命一般不超过2000小时，而复合材料桨叶的寿命可达6000小时以上，甚至无限寿命，并能做到“视情维护”。这不仅提高了直升机的安全性，而且使桨叶的全寿命使用成本大幅度下降，由此带来了可观的经济效益。复合材料简便易操作的模压固化成形工艺和强度、刚度（含阻尼特性）的可剪裁设计，是旋翼桨叶设计能够更有效地进行气动外形改进与优化及旋翼结构动力学特性的优化。从20世纪70年代开始，新翼型的研究，出现了一系列高性能的直升机桨叶翼型。新翼型的特点是，翼型由对称变为全弯曲、非对称，翼型的最大升力系数及临界马赫数大大提高、阻力系数减小、力矩系数变化不大。旋翼桨尖形状的改进，从矩形改为后掠、尖削桨尖、抛物线后掠下反桨尖到先进的薄后掠BERP桨尖，大大改善了桨叶的气动载荷分布、桨涡干扰、振动及噪声特性，提高了旋翼效率。不仅如此，设计人员还开展了旋翼桨叶空气动力学和结构动力学多学科综合优化设计，将复合材料优化设计与旋翼优化设计相结合，实现了桨叶性能、减振降噪的优化设计目标。因此，20世纪70年代后期新研制的直升机几乎都采用复合材料桨叶，同时对老型号金属桨叶采用复合材料桨叶进行替换改造，取得了十分明显的成效。

2 桨毂

桨毂的复合材料化相对桨叶困难要大得多。法国宇航公司于20世纪70年代后期研制成功的层压复合材料星形柔性桨毂是复合材料在旋翼桨毂上应用的首次突破性进展。“海豚”直升机星形柔性桨毂与“云雀”Ⅲ直升机铰接式桨毂相比较，桨毂零件数目减少了近80%，重量减轻45%、相对成本降低65%。美国贝尔公司和波音公司研制的纤维缠绕环套式桨毂，大大减轻了桨毂重量，并提高了安全性和可靠性。欧洲直升机公司研制的纤维缠绕内、外环式桨毂盘实现了多路传载，更加安全可靠。主要结构件采用复合材料的球柔性铰接式桨毂，同星形柔性桨毂相比，其结构更加简单紧凑，只需视情维护，重量又可减轻10%，成本更低。整体式的桨毂/旋翼轴组件使直升机当量废阻面积减少19%，每千米耗油量下降10%。复合材料桨毂的最新研究成果是以复合材料制成的柔性梁的变形桨叶的挥舞、摆振、变矩运动的无轴承桨毂结构。无轴承桨毂是旋翼技术的重大突破性飞跃，现已成功用于EC-135和RAH-66旋翼结构设计。

3 机体结构

直升机机体结构采用复合材料主要考虑：直升机外形曲面复杂，但结构受载并不是很大，适合采用复合材料加工成形，以提高结构损伤容限，使用安全、可靠；运输类直升机和武装直升机都对机体结构提出了采用复合材料减重的要求；耐坠吸能结构、隐身结构设计的需求。为此，1979年美国陆军航空应用技术研究所制定了“先进复合材料机体计划”，即ACAP计划。20世纪80年代西科斯基S-75、贝尔D292、波音360、欧洲MBB的BK-117等全复合材料机身的直升机相继试飞，与其铝合金原准机相比，在机身重量、生产成本、可靠性和维护性等方面均有可观的效益，达到了ACAP计划指标要求，如表1所列。据此，有专家认为，用复合材料机体结构取代铝合金机体结构的意义与20世纪40年代用金属结构取代木材帆布结构相当。

当然，复合材料在机体结构上的用量与直升机的设计技术（性能）指标密切相关。目前，中型和重型武装直升机复合材料用量占机体结构重量的30%-50%，军/民用运输类直升机复合材料用量则高一些，达70%-80%。复合材料在机身结构上首先用于尾梁、垂尾和平尾等构件上，一是为了减重，二是涵道垂尾等复杂曲面采用复合材料易于成形。耐坠吸能结构也采用复合材料实现减重。轻小型直升机结构简单、受载小、壁薄，采用复合材料可能并不一定经济。

我国20世纪70年代已开始研制直升机复合材料旋翼桨叶，如“延安”2号旋翼桨叶。20世纪80年代我国引进“海豚”复合材料旋翼桨叶、星形柔性桨毂生产技术和复合材料机体结构的制造技术，如涵道大垂尾、动力舱整流罩、平尾、测垂尾等部件。20世纪90年代我国积极参与国际合作完成EC-120、S-92等直升机上复合材料结构件的设计和制造。自行研制的直-11型直升机，旋翼桨叶和尾桨都采用了全复合材料结构型式，桨毂星形柔性件和夹板均采用复合材料结构。目前在第二届天津国际直升机博览会上参加飞行表演的国产新型直升机直-10、直-19也都大量采用了复合材料。

参考文献

[1]倪先平，蔡汝鸿，曹喜金.直升机技术发展现状与展望[J].航空学报，2003，1.

[2]倪先平，直升机手册[M].北京：航空工业出版社，2004.

[3]黄晓东，王卫卫，蒋玮光.直升机旋翼系统弹性轴承刚度特性试验方法研究[J].机械强度，2012，2.

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