直升機(jī)復(fù)合材料應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展
復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高比強(qiáng)度、高比剛度及1有效實現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重，提高飛行性能、安全性和可靠性，并有可能使得復(fù)合材料結(jié)構(gòu)全壽命成本低于傳統(tǒng)的金屬結(jié)構(gòu)，同時復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用還可進(jìn)一步推進(jìn)隱身和智能直升機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)的發(fā)展。因此，近幾十年來，幾乎直升機(jī)的所有結(jié)構(gòu)都開展了復(fù)合材料的應(yīng)用研究，并大部分得到了應(yīng)用推廣。
直升機(jī)復(fù)合材料應(yīng)用特點
直升機(jī)與固定翼飛機(jī)相比，最顯著的不同是有一、兩個或更多的旋翼，利用旋翼旋轉(zhuǎn)所提供及傳動系統(tǒng)所傳遞的升力、前進(jìn)力和操縱力，直升機(jī)能有效的完成垂直起落、空中懸停和前飛、側(cè)飛、回轉(zhuǎn)飛行及貼地飛行，以及當(dāng)發(fā)動機(jī)停車時可自轉(zhuǎn)下滑安全著陸。旋翼及傳統(tǒng)系統(tǒng)作為直升機(jī)所獨有的兩大動部件，因其動力響應(yīng)產(chǎn)生高周疲勞（ HCF ）環(huán)境；同時直升機(jī)因地空地循環(huán)所誘發(fā)也存在低周疲勞（ LCF ）環(huán)境；對于部分利用懸停效應(yīng)承擔(dān)搜索救援及外載運輸?shù)绕鹬厝蝿?wù)的直升機(jī)，其附加疲勞環(huán)境為重復(fù)周期疲勞（ RCF ）；選用具備優(yōu)良抗疲勞特性的復(fù)合材料將是直升機(jī)追求高減重效益的最有效途徑。
直升機(jī)與固定翼飛機(jī)相比，其飛行高度一般在6 000 m以下，甚至在超低空15～30 m之間，飛行速度約在300 km/h，是一種中低空、低速飛行器。與高空高速固定翼飛機(jī)所不同，其主要應(yīng)用環(huán)境為濕/熱、干/寒、沙塵/雨淋、海水等惡劣環(huán)境條件，為滿足在上述不同區(qū)域、不同氣候條件下的苛刻使用要求，具備優(yōu)良的耐候性、耐蝕性的復(fù)合材料將是直升機(jī)環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計的必然選擇。
因直升機(jī)與固定翼飛機(jī)上述不同的飛行原理和使用環(huán)境，使直升機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，除一般航空器設(shè)計的剛度、強(qiáng)度、質(zhì)量、空氣動力、工藝性和使用維護(hù)性外，還有其特殊要求。例如旋翼系統(tǒng)對氣動彈性、疲勞壽命、振動、可靠性等設(shè)計要求尤為關(guān)注；突出的振動問題使直升機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計在很大程度上是結(jié)構(gòu)動力學(xué)設(shè)計問題，直升機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計中必須設(shè)法降低強(qiáng)迫振動的振幅和避免出現(xiàn)動穩(wěn)定性問題；軍用直升機(jī)還應(yīng)滿足防彈、耐墜性等要求。
直升機(jī)結(jié)構(gòu)通常分為以旋翼系統(tǒng)為代表的動部件結(jié)構(gòu)和機(jī)體結(jié)構(gòu)兩大類。這兩類結(jié)構(gòu)設(shè)計有明顯的不同，旋翼系統(tǒng)動部件更加突出直升機(jī)專有技術(shù)。旋翼系統(tǒng)動部件設(shè)計以疲勞強(qiáng)度和調(diào)頻設(shè)計為主，率先選用復(fù)合材料正是看中復(fù)合材料優(yōu)異的疲勞和剛度可剪裁特性，樹脂基復(fù)合材料模壓成型有利于旋翼槳葉采用先進(jìn)翼型、沿翼展多翼型先進(jìn)氣動布局和采用繞襯套纏繞接頭等，球柔性旋翼連接件采用的鋁基復(fù)合材料具有高的比剛度、比強(qiáng)度、低密度和韌性好等優(yōu)異的力學(xué)性能，尤其具有極好的抗疲勞特性。與鈦合金結(jié)構(gòu)件相比質(zhì)量分?jǐn)?shù)減輕30%，與鋁合金結(jié)構(gòu)件相比壽命提高50% 。復(fù)合材料在旋翼槳轂上的應(yīng)用不僅使槳轂明顯減重，更重要的是研制出了星型柔性槳轂、纖維/彈性軸承槳轂、無軸承槳轂等新型槳轂。
直升機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)采用復(fù)合材料，一方面著眼于結(jié)構(gòu)減重，另一方面著眼于改進(jìn)和創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計及制造工藝，如涵道大垂尾結(jié)構(gòu)、駕駛艙管梁骨架結(jié)構(gòu)、耐墜吸能結(jié)構(gòu)和大型整體壁板、夾層結(jié)構(gòu)尾梁等。
與固定翼飛機(jī)相比，直升機(jī)在復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)特點上有一定區(qū)別，主要表現(xiàn)在：
1結(jié)構(gòu)形式不同
直升機(jī)與固定翼飛機(jī)有顯著區(qū)別，旋翼是直升機(jī)特有的結(jié)構(gòu)，旋翼系統(tǒng)及傳動系統(tǒng)不僅動部件多，受力方式也不同；機(jī)身存在較多薄壁復(fù)雜曲面，大量采用蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。
2材料體系不同
直升機(jī)采用環(huán)氧樹脂預(yù)浸料，增強(qiáng)材料以織物為主，包括碳纖維/玻璃纖維/芳綸等織物，而固定翼飛機(jī)主要采用雙馬樹脂碳纖維單向帶預(yù)浸料；直升機(jī)旋翼連接件基于疲勞及減重的考慮，采用了鋁基復(fù)合材料。
3性能要求不同。
由于結(jié)構(gòu)形式和使用環(huán)境的區(qū)別，直升機(jī)復(fù)合材料在材料選用和環(huán)境適應(yīng)性要求上與固定飛機(jī)存在差異，使得固定翼飛機(jī)所獲取的設(shè)計性能數(shù)據(jù)不能直接應(yīng)用到直升機(jī)上；且對于旋翼系統(tǒng)等直升機(jī)特有的動部件，還要求復(fù)合材料具有優(yōu)異的高周疲勞特性。國內(nèi)直升機(jī)復(fù)合材料應(yīng)用情況1960年代，國內(nèi)即開展了碳纖維復(fù)合材料研究，直9型機(jī)就大量采用了環(huán)氧基碳纖維、高強(qiáng)玻璃纖維及芳綸的復(fù)合材料，主要用于主槳葉、涵道大垂尾、平尾、側(cè)端板、座艙罩等結(jié)構(gòu)部件。
1990年代，國內(nèi)在開展直升機(jī)研制初期即開始確定大量采用先進(jìn)復(fù)合材料的技術(shù)方案，主要涉及到了各個型號旋翼系統(tǒng)的動部件（槳葉、槳轂、主減機(jī)箱），機(jī)身結(jié)構(gòu)的座艙骨架、尾梁、垂尾、平尾等主受力結(jié)構(gòu)。
進(jìn)入21世紀(jì)后，碳纖維及高強(qiáng)玻璃纖維環(huán)氧基復(fù)合材料等此類戰(zhàn)略性材料基本已實現(xiàn)國內(nèi)自我保障，解決了關(guān)鍵材料受制于人的困境，并掌握了包括復(fù)合材料研制、結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造、檢測、試驗、數(shù)據(jù)分析以及項目管理在內(nèi)的系統(tǒng)的工程化驗證技術(shù)和管理方法，實現(xiàn)了碳纖維等關(guān)鍵材料的工程化生產(chǎn)和大批量供應(yīng)。通過建立國產(chǎn)復(fù)合材料標(biāo)準(zhǔn)體系，對直升機(jī)復(fù)合材料從原材料控制到結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝制造、無損檢測以及試驗驗證等各方面進(jìn)行了統(tǒng)一規(guī)范，直接推動了國產(chǎn)復(fù)合材料在國內(nèi)直升機(jī)上的大面積應(yīng)用。
目前，國內(nèi)在研和在役直升機(jī)均大量采用復(fù)合材料，主要應(yīng)用部位有旋翼槳葉中的大梁、蒙皮、墊布、后緣條等，機(jī)體結(jié)構(gòu)中的機(jī)身下構(gòu)件蒙皮、座艙、動力艙整流罩、短翼、尾梁蒙皮、壁板、尾斜梁、尾段整流罩、儀表板、遮光罩等。其中，槳轂部分零件采用了金屬基復(fù)合材料，武裝直升機(jī)座艙采用了陶瓷復(fù)合防彈裝甲。
國內(nèi)直升機(jī)復(fù)合材料應(yīng)用存在的問題
直升機(jī)上推廣使用復(fù)合材料是一項能大幅度改善性能、降低生產(chǎn)成本、縮短生產(chǎn)周期和收益頗豐的適用技術(shù)。從設(shè)計的角度來考慮，目前主要要研究復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的力學(xué)問題，其中包括復(fù)合材料結(jié)構(gòu)耐久性、抗墜毀性、定壽方法、接觸應(yīng)力、彈擊損傷等；復(fù)合材料機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計問題，包括設(shè)計準(zhǔn)則、鋪層設(shè)計、破壞形式、損傷容限試驗、防斷裂方法、連接方法、疲勞強(qiáng)度、修補(bǔ)方法、工藝成型及質(zhì)量控制等；復(fù)合材料旋翼結(jié)構(gòu)設(shè)計研究，包括設(shè)計準(zhǔn)則、選材、旋翼槳葉及槳轂結(jié)構(gòu)型式及剖面形狀、槳葉及槳轂鋪層構(gòu)造及剛度設(shè)計、測試及工藝等。
由于復(fù)合材料具有各向異性和性能可設(shè)計性的特點，設(shè)計人員以根據(jù)直升機(jī)結(jié)構(gòu)的特點選用適當(dāng)?shù)慕M分材料和調(diào)整增強(qiáng)材料的方向使設(shè)計的直升機(jī)結(jié)構(gòu)性能大幅得到改善，同時實現(xiàn)降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量、減少生產(chǎn)成本、縮短生產(chǎn)周期的目的。
從國內(nèi)直升機(jī)復(fù)合材料的應(yīng)用與發(fā)展現(xiàn)狀來看，制約復(fù)合材料在國內(nèi)直升機(jī)上的應(yīng)用也在性能、重量和價格這3 個方面。
性能方面
目前國內(nèi)先進(jìn)直升機(jī)樹脂基復(fù)合材料用量很大，但由于其耐溫性能、濕/熱性能和斷裂韌性等幾個關(guān)鍵指標(biāo)的限制，影響了其在某些特殊工況要求部位的推廣應(yīng)用。
新一代損傷容限型、高抗疲勞性能的鋁基復(fù)合材料在應(yīng)用上獲得了很好的減重效果，并有利于降低制造和維護(hù)成本。目前國內(nèi)外正在進(jìn)行這些鋁基復(fù)合材料的擴(kuò)大應(yīng)用和材料改進(jìn)研究工作。
陶瓷復(fù)合防彈裝甲已在國內(nèi)軍用直升機(jī)上成熟應(yīng)用，但陶瓷材料脆性大，彈擊后容易破碎，抗多發(fā)彈能力較差。針對未來武裝直升機(jī)高生存力的要求，對開發(fā)出防護(hù)性和韌性好的陶瓷復(fù)合材料提出了需求。
質(zhì)量方面
直升機(jī)大量應(yīng)用薄壁結(jié)構(gòu)，其復(fù)合材料面板厚度為0.3～1.0
mm，而目前直升機(jī)上普遍應(yīng)用的織物預(yù)浸料單層厚度約為0.2～0.3
mm，復(fù)合材料的方向可設(shè)計性和厚度可設(shè)計性受到限制，明顯犧牲結(jié)構(gòu)質(zhì)量，制約了復(fù)合材料在直升機(jī)結(jié)構(gòu)上的減重優(yōu)勢。
價格方面
直升機(jī)復(fù)合材料成本主要包含原材料成本、制造成本和使用維護(hù)成本，制造成本大約占復(fù)合材料制件總成本的80%。熱壓罐法成型是目前國內(nèi)直升機(jī)復(fù)合材料制件最主要的成型工藝方法，但其設(shè)備成本高，生產(chǎn)周期長，能源消耗大，故其生產(chǎn)成本高。為降低制造成本，國外已在開發(fā)低成本成型方法和先進(jìn)的自動化工藝與設(shè)備，提升復(fù)合材料整體化、模塊化設(shè)計和制造水平上開展了大量的研究工作，在這些方面國內(nèi)還有較大差距。
直升機(jī)復(fù)合材料發(fā)展趨勢
未來復(fù)合材料在直升機(jī)發(fā)展中的地位將更加重要，直升機(jī)在繼續(xù)選用成熟應(yīng)用的復(fù)合材料的同時，應(yīng)考慮開發(fā)性能更優(yōu)異、且更適合直升機(jī)設(shè)計與制造要求的先進(jìn)復(fù)合材料，采用更多先進(jìn)的制造工藝和技術(shù)，擴(kuò)大復(fù)合材料在直升機(jī)上的使用范圍。未來直升機(jī)復(fù)合材料總體發(fā)展方向是高性能化、結(jié)構(gòu)-功能一體化、設(shè)計-制造一體化、智能化及低成本化協(xié)調(diào)發(fā)展，其發(fā)展趨勢展望如下：
1 高性能化
原材料技術(shù)是先進(jìn)復(fù)合材料應(yīng)用的基礎(chǔ)與前提，直升機(jī)復(fù)合材料的高性能化發(fā)展是未來的趨勢之一。樹脂基復(fù)合材料將在發(fā)展高強(qiáng)高模增強(qiáng)纖維的同時，提升樹脂基體的韌性、濕熱性能及環(huán)境適應(yīng)性能力；金屬基復(fù)合材料著重于提升損傷容限及抗疲勞性能；陶瓷復(fù)合防彈裝甲材料應(yīng)在提升綜合防護(hù)性能的同時進(jìn)一步減輕質(zhì)量。
2 結(jié)構(gòu)-功能一體化
直升機(jī)的服役環(huán)境對防雷擊性能提出了要求，同時軍用直升機(jī)由于戰(zhàn)場特殊環(huán)境，還應(yīng)具有隱身（視覺、紅外、雷達(dá)和聲學(xué)）、防彈、電磁屏蔽、耐墜性等功能。未來先進(jìn)直升機(jī)復(fù)合材料應(yīng)至少具備兩種或更多功能，有效實現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)承載-功能（隱身、防彈、防雷擊、電磁屏蔽、耐墜性等）一體化發(fā)展將是一大趨勢。
3 設(shè)計-制造一體化
發(fā)展以DFM（Design for Manufacture）為核心的設(shè)計-制造一體化技術(shù)，其實質(zhì)是隨計算機(jī)和制造技術(shù)的進(jìn)步，采用全新的設(shè)計理念和手段，發(fā)展數(shù)字化、自動化的設(shè)計技術(shù)，將設(shè)計和制造進(jìn)一步融為一體，從而加快產(chǎn)品研發(fā)進(jìn)度，提高質(zhì)量。實現(xiàn)直升機(jī)復(fù)合材料制造過程數(shù)字化與飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)字化趨向相適應(yīng)，減少試驗次數(shù)，縮短研制周期，節(jié)約研發(fā)資金，降低廢品率及提高生產(chǎn)效率。
4 智能化
智能化是直升機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計亟需關(guān)注的研究方向。開發(fā)直升機(jī)復(fù)合材料自感知、自診斷、自修復(fù)和自適應(yīng)智能化技術(shù)，可以實現(xiàn)直升機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)噪聲抑制、振動控制、主動變形和性能監(jiān)測與損傷自修復(fù)。
5 低成本化
直升機(jī)復(fù)合材料全壽命周期的低成本化是未來的發(fā)展趨勢，包括材料低成本化、設(shè)計低成本化、制造低成本化和維護(hù)低成本化4
個方面。核心是發(fā)展低成本制造技術(shù)，其主要有：發(fā)展以自動鋪帶（ATL）和纖維自動鋪放（AFP）為核心的自動化制造技術(shù)；發(fā)展以共固化/共膠接為核心的大面積整體成型技術(shù)；發(fā)展以樹脂傳遞模塑成型技術(shù)為核心的低成本制造技術(shù)；發(fā)展非熱壓罐成型技術(shù)等。
結(jié)束語
隨著近幾十年的不斷發(fā)展，復(fù)合材料在直升機(jī)上的應(yīng)用已發(fā)展到主承力結(jié)構(gòu)并實現(xiàn)大范圍成熟應(yīng)用，也推動了直升機(jī)技術(shù)的進(jìn)步。國內(nèi)直升機(jī)復(fù)合材料通過國內(nèi)直升機(jī)型號需求的牽引和推動，目前已經(jīng)基本實現(xiàn)國產(chǎn)化，形成了我國直升機(jī)復(fù)合材料研發(fā)及生產(chǎn)體系，技術(shù)水平在不斷提高，并有了較全面的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，但是與國外發(fā)達(dá)國家相比，在材料、設(shè)計、工藝等方面仍有差距。未來國內(nèi)直升機(jī)技術(shù)發(fā)展將追求高效能、長壽命、高可靠和低成本，對其材料與結(jié)構(gòu)的綜合要求越來越高，對高性能復(fù)合材料、先進(jìn)設(shè)計技術(shù)和制造工藝需求迫切。為此，國內(nèi)今后應(yīng)在解決目前發(fā)展中存在的復(fù)合材料性能穩(wěn)定性問題的同時，大力發(fā)展高性能復(fù)合材料、結(jié)構(gòu)功一體化復(fù)合材料和智能復(fù)合材料；重視發(fā)展自動化制造、大面積整體成型和低成本制造技術(shù)，提升復(fù)合材料工藝制造水平，降低制造成本；還應(yīng)重點關(guān)注復(fù)合材料整體化和模塊化設(shè)計技術(shù)，發(fā)展復(fù)合材料設(shè)計-制造一體化技術(shù)，進(jìn)一步提升復(fù)合材料的應(yīng)用技術(shù)水平。
來源：中國玻璃鋼綜合信息網(wǎng) 中國復(fù)合材料學(xué)會
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