直升機(jī)的飛行特征不同于固定翼飛機(jī)，低空低速甚至是低空掠海飛行導(dǎo)致其服役環(huán)境及其惡劣。相較于傳統(tǒng)的金屬材料，復(fù)合材料具有比模量、比強(qiáng)度高，鋪層可剪裁設(shè)計(jì)性，疲勞敏感性低以及耐腐蝕性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，正成為直升機(jī)減輕結(jié)構(gòu)重量，滿足環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)以及顯著降低型號(hào)全壽命周期成本的最佳選材。隨著復(fù)合材料的誕生以及大規(guī)模應(yīng)用，航空器的設(shè)計(jì)制造正走向一條變革之路。
1 國外應(yīng)用現(xiàn)狀
20世紀(jì)60年代，復(fù)合材料開始被用來設(shè)計(jì)制造直升機(jī)的整流罩等次承力結(jié)構(gòu)，之后波音、西科斯基和空直等歐美直升機(jī)設(shè)計(jì)制造公司持續(xù)關(guān)注并開展諸如旋翼結(jié)構(gòu)技術(shù)驗(yàn)證項(xiàng)目、高生存性且低成本可修復(fù)機(jī)體結(jié)構(gòu)等直升機(jī)高性能復(fù)合材料應(yīng)用項(xiàng)目的研究，目前歐美直升機(jī)設(shè)計(jì)制造企業(yè)在復(fù)合材料的研制開發(fā)、設(shè)計(jì)應(yīng)用、制造水平上均處于世界前列，NH-90、CH-53K型直升機(jī)中復(fù)合材料的用量超過90%以上。
1.1 未來垂直升力項(xiàng)目
未來垂直升力(FVL)項(xiàng)目是美國陸軍卓越中心牽頭的國防部聯(lián)合研發(fā)項(xiàng)目，主要是用來滿足美國陸軍和海軍陸戰(zhàn)隊(duì)對(duì)武裝直升機(jī)和通用運(yùn)輸直升機(jī)的需求，預(yù)計(jì)在2030年左右取代現(xiàn)有的H-1和H-60機(jī)隊(duì)，降低美軍直升機(jī)的研發(fā)和使用維護(hù)成本[2]。最終有兩款型號(hào)入選該項(xiàng)目，分別是西科斯基和貝爾公司聯(lián)合研制的V-280“勇士”傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)、波音公司的SB-1“無畏”。
作為貝爾公司的第三代傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)V-280，設(shè)計(jì)人員的關(guān)注重點(diǎn)在低成本和設(shè)計(jì)簡化的可靠性上，通過采用先進(jìn)材料、自動(dòng)制造工藝，使用設(shè)計(jì)制造一體化及低成本研發(fā)工具使得研發(fā)成本得到明顯降低。蒙皮與肋的裝配過程使用高性能的室溫固化膠進(jìn)行膠接，設(shè)計(jì)選用IM10碳纖維環(huán)氧寬幅預(yù)浸料，通過手工鋪放，制造大尺寸碳纖維蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)機(jī)翼大梁、蒙皮及肋結(jié)構(gòu)，得益于上述方法的使用，V-280型機(jī)的緊固件使用量降低95%，勞動(dòng)力總成本降低57%[3]。
波音公司采用在V-22魚鷹運(yùn)輸機(jī)機(jī)身蒙皮和波音787客機(jī)制造過程中已應(yīng)用過的自動(dòng)纖維鋪放技術(shù)(AFP)進(jìn)行SB-1型機(jī)的旋翼槳葉制造。主槳葉大梁先通過機(jī)器頭沿芯軸鋪放出的碳纖維絲帶制備出來，之后將鋪放出的大梁放置在工裝上通過熱壓罐進(jìn)行固化。傳統(tǒng)的大梁制造所采用的手工鋪放工藝會(huì)出現(xiàn)槳葉與槳葉間離散性大、缺陷數(shù)量多且勞動(dòng)力成本高的問題，采用AFP技術(shù)除避免上述手工鋪放帶來的問題外，還可設(shè)計(jì)制造出性能更穩(wěn)定優(yōu)異的無膠接接頭的大梁，大幅縮短槳葉的制造周期，提高了設(shè)計(jì)自由度水平。
SB-1型機(jī)的機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造過程借鑒應(yīng)用前期的預(yù)研成果以及在波音787飛機(jī)上已應(yīng)用過的先進(jìn)工藝和經(jīng)驗(yàn)，使用具有更高的比模量、比強(qiáng)度以及高韌性的復(fù)合材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)減重設(shè)計(jì)。鉚接過程采用機(jī)器人鉆孔及安裝緊固件，該技術(shù)相較于傳統(tǒng)人工鉚接生產(chǎn)，生產(chǎn)成本減少一半，不合格品率降低90%。
1.2 中型直升機(jī)H-160
空直公司集成最新的創(chuàng)新技術(shù)研發(fā)出中型多用途直升機(jī)H-160，該型機(jī)能夠滿足近海運(yùn)輸、緊急醫(yī)療服務(wù)、私人以及公務(wù)航空等多種任務(wù)需求，得益于藍(lán)色前緣槳葉，可為乘客提供超凡的舒適性，同時(shí)該型號(hào)也是世界上第1款全復(fù)合材料的民用直升機(jī)。該型機(jī)已于2020年取得歐洲航空安全局頒發(fā)的型號(hào)合格證。
H-160直升機(jī)使用球柔性旋翼構(gòu)型，其中的槳轂中央件作為旋翼的核心關(guān)鍵件承受離心力、升力、旋轉(zhuǎn)彎矩、主旋翼扭矩和剪切載荷，受力情況及其復(fù)雜。空直公司現(xiàn)有型號(hào)的槳轂中央件均為鈦合金材料制成，其4500飛行小時(shí)的使用壽命遠(yuǎn)低于直升機(jī)10000飛行小時(shí)的全壽命周期。空直公司在H-160型號(hào)設(shè)計(jì)中創(chuàng)新性的選用聚醚醚酮(PEEK)熱塑性樹脂碳纖維復(fù)合材料替代傳統(tǒng)的鈦合金材料制造槳轂中央件，其中的PEEK樹脂是已知的商業(yè)化樹脂中耐疲勞性能和抗剪切性能最佳的樹脂，相較于目前常用的環(huán)氧樹脂，其抗剪切性能提高18%，疲勞性能提高50%。H-160型機(jī)使用熱塑性復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造主旋翼槳轂中央件，并成為全球首個(gè)依據(jù)最新版FAA/EASA 27.573條《復(fù)合材料旋翼航空器的損傷容限惡化疲勞評(píng)定》開展適航符合性認(rèn)證工作的機(jī)型[4]。
1.3 重型直升機(jī)CH-53K
美國國防部2005年底批準(zhǔn)西科斯基公司的CH-53K發(fā)展計(jì)劃，西科斯基公司開始為美國海軍陸戰(zhàn)隊(duì)研發(fā)一款全新設(shè)計(jì)的重型直升機(jī)，用來替換在伊拉克戰(zhàn)爭中損耗嚴(yán)重的CH-53E直升機(jī)機(jī)隊(duì)，該型機(jī)于2015年底首飛成功，預(yù)計(jì)在2029年形成完整的作戰(zhàn)能力。西科斯基公司針對(duì)該型號(hào)提出5大關(guān)鍵技術(shù)，分別是GE38渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)矩分流傳動(dòng)、線傳飛控、第四代旋翼槳葉以及創(chuàng)新輕質(zhì)復(fù)合材料機(jī)身結(jié)構(gòu)[5]。
CH-53K型機(jī)應(yīng)用的創(chuàng)新輕質(zhì)復(fù)合材料技術(shù)中的典型結(jié)構(gòu)代表是無軸承尾槳復(fù)合材料柔性梁。作為尾槳飛行關(guān)鍵部位，復(fù)合材料柔性梁的作用是將所有槳葉的大梁和上下蒙皮連接到尾槳軸，其結(jié)構(gòu)形式呈狗骨頭狀，尺寸達(dá)到1626mm×343mm×76mm，由737層預(yù)浸料鋪覆而成，結(jié)構(gòu)沿著中軸9°扭轉(zhuǎn)。由于該件結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，鋪層數(shù)量過多，若采用傳統(tǒng)的工人手工鋪貼制造，會(huì)產(chǎn)生制造工時(shí)多，產(chǎn)品合格率低，生產(chǎn)成本過高的問題。為避免上述問題，海軍航空司令部于2011年同Accudyne系統(tǒng)公司簽訂合同，由其開展CH-53K型號(hào)的尾旋翼柔性梁自動(dòng)鋪放技術(shù)的研究工作[6]。
2 國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀及與國外差距情況
我國于20世紀(jì)80年代從法國引進(jìn)SA-365N型直升機(jī)，并成功國產(chǎn)化為Z9系列直升機(jī)，我國從此開始在直升機(jī)領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用復(fù)合材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造，應(yīng)用部位包括旋翼系統(tǒng)、整流罩、機(jī)身蒙皮等機(jī)體主、次承力結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式包括層壓板、蜂窩/泡沫夾層結(jié)構(gòu)，選材類型涵蓋碳纖維、高模量碳纖維、高強(qiáng)玻璃纖維、無堿玻璃布和芳綸纖維環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料。
2.1 應(yīng)用現(xiàn)狀
國產(chǎn)直升機(jī)目前已在旋翼槳葉、機(jī)體結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中大量選用系列化的中、高溫環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料，T300級(jí)碳纖維、R級(jí)高強(qiáng)玻璃纖維、無堿玻璃布均得到廣泛應(yīng)用，復(fù)合材料件的制造以熱壓罐成型為主，并已開展非熱壓罐成型固化、3D編織等先進(jìn)的復(fù)合材料成型工藝的應(yīng)用研究。
21世紀(jì)后，我國基本實(shí)現(xiàn)碳纖維和高強(qiáng)玻璃纖維材料的國產(chǎn)化研制，形成了國產(chǎn)復(fù)合材料從原材料生產(chǎn)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝制造、無損檢測和試驗(yàn)驗(yàn)證的統(tǒng)一規(guī)范，掌握復(fù)合材料積木式試驗(yàn)從試樣級(jí)-元件級(jí)-組件級(jí)-部件級(jí)-系統(tǒng)級(jí)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)結(jié)果的分析驗(yàn)證能力。
2.2 國內(nèi)外差距
近年來，國產(chǎn)直升機(jī)結(jié)構(gòu)中復(fù)合材料的應(yīng)用量已大幅提升，但較歐美直升機(jī)企業(yè)仍有一定差距，主要表現(xiàn)為：國產(chǎn)復(fù)合材料的性能穩(wěn)定性有待提高;非熱壓罐成型技術(shù)和低成本復(fù)合材料技術(shù)與國外存在技術(shù)代差;復(fù)合材料修理技術(shù)水平較低。
另外，國內(nèi)新研直升機(jī)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)采用傳統(tǒng)的積木式試驗(yàn)進(jìn)行鑒定取證，需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)驗(yàn)證，造成經(jīng)費(fèi)成本增加以及取證周期延長。目前，波音公司針對(duì)AH-64D型號(hào)的旋翼槳葉復(fù)合材料驗(yàn)證所提出的嵌套式認(rèn)證方法已編入CMH-17G手冊(cè)中，試驗(yàn)數(shù)量得到大幅減少，美國旋翼機(jī)工業(yè)協(xié)會(huì)針對(duì)FVL項(xiàng)目新研的復(fù)合材料提出高置信度虛擬認(rèn)證技術(shù)[7]。國內(nèi)對(duì)于嵌套式認(rèn)證方法應(yīng)用以及高置信度虛擬認(rèn)證技術(shù)的研究正處于前期理論研究階段。
3 發(fā)展趨勢
復(fù)合材料在直升機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用比例和重要性不斷提高，未來復(fù)合材料的發(fā)展方向主要為結(jié)構(gòu)功能一體化、高性能和高穩(wěn)定性、低成本以及智能化。
3.1 結(jié)構(gòu)功能一體化
直升機(jī)可以在任何條件跑道上進(jìn)行低空長時(shí)間懸停的飛行特點(diǎn)決定其無法避免因下洗氣流造成的跑道沙石對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)生低能量沖擊的問題，直升機(jī)因難以設(shè)置彈射座椅的現(xiàn)實(shí)情況決定在設(shè)計(jì)時(shí)需按抗墜毀要求設(shè)計(jì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，軍用直升機(jī)還需考慮隱身、防彈等要求。未來直升機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需保證結(jié)構(gòu)性能與功能性相結(jié)合，如目前已提出的一體化保護(hù)蒙皮[8]概念，在保證復(fù)合材料蒙皮具有更好的氣動(dòng)外形效果的同時(shí)，極大提高直升機(jī)的隱身性能。
3.2 高性能和高穩(wěn)定性
直升機(jī)的旋翼系統(tǒng)振動(dòng)特性復(fù)雜，結(jié)構(gòu)面臨嚴(yán)重的剛度、疲勞和壽命問題，對(duì)未來直升機(jī)用復(fù)合材料提出了高性能和高的性能穩(wěn)定性要求。目前該方面的前沿技術(shù)有納米顆粒改性增韌樹脂和熱塑性樹脂等，不僅要保證纖維的高模量和高增強(qiáng)性，還要提高樹脂基體的韌性和耐濕熱性能力。
3.3 低成本
直升機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)主要關(guān)注點(diǎn)是減重問題，通過選用高性能復(fù)合材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)減重，可以有效降低用戶的運(yùn)營成本，但目前復(fù)合材料的制造成本相對(duì)于鋁合金來說居高不下，并未有效降低制造企業(yè)的生產(chǎn)成本，因此直升機(jī)結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料的未來發(fā)展方向是在其全壽命周期內(nèi)的低成本化，即材料、制造、維護(hù)3個(gè)方面的低成本化。目前該方向的前沿技術(shù)包括非熱壓罐固化技術(shù)、自動(dòng)鋪絲技術(shù)、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理標(biāo)準(zhǔn)化等。
3.4 智能化
直升機(jī)未來的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需關(guān)注智能復(fù)合材料的發(fā)展情況，即具有自感知、自診斷、自修復(fù)以及自適應(yīng)的復(fù)合材料技術(shù)。目前的前沿技術(shù)例如具有自修復(fù)能力的樹脂，以及含有智能纖維的復(fù)合材料，這些技術(shù)有助于直升機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)和噪聲控制、主動(dòng)變形以及獲得結(jié)構(gòu)狀態(tài)自診斷、損傷自修復(fù)的能力。
4 結(jié)論
我國直升機(jī)保有量較歐美發(fā)達(dá)國家差距較大，未來國內(nèi)對(duì)直升機(jī)的需求依然旺盛，在直升機(jī)結(jié)構(gòu)中選用復(fù)合材料有利于提高材料力學(xué)性能、減輕結(jié)構(gòu)重量、減少生產(chǎn)成本及制造周期，而滿足高性能輕質(zhì)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的高性能復(fù)合材料將是未來直升機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域發(fā)展的聚焦點(diǎn)之一。根據(jù)國外目前高性能復(fù)合材料的發(fā)展趨勢，我國應(yīng)關(guān)注具有結(jié)構(gòu)功能一體化的復(fù)合材料技術(shù);以高性能的熱塑性樹脂基為代表的高性能復(fù)合材料技術(shù);以非熱壓罐固化、自動(dòng)鋪絲為代表的低成本成型技術(shù);以具有自感知、自診斷、自修復(fù)以及自適應(yīng)的智能化復(fù)合材料技術(shù)，同時(shí)應(yīng)該關(guān)注開展復(fù)合材料嵌套式認(rèn)證方法以及高置信度虛擬認(rèn)證技術(shù)的研究?！耙淮牧稀⒁淮b備”，我國在高性能復(fù)合材料的研發(fā)應(yīng)用上雖同國外存在差距，但隨著國家多個(gè)預(yù)研項(xiàng)目支撐及型號(hào)牽引下，應(yīng)該相信未來國內(nèi)復(fù)合材料技術(shù)必將迎頭趕上世界先進(jìn)水平。
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