基于直升机装备设计条件下的复合材料的应用

基于直升机装备设计条件下的复合材料的应用

车春雨李强

航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司

直升机制造中，复合材料往往会被应用到较为重要的结构部位，复合材料的选用以及质量会对直升机的运行质量与安全造成直接影响。例如在旋翼部位的应用，需要为飞机运行提供动力，对于飞机的运行速度和效率会造成较大影响。在现阶段已经将增强复合材料在飞机制造中的应用作为提升飞机运行质量的重要手段，这也突出了对复合材料应用进行研究的重要作用。以往的制造经历中也认证了这一点，复合材料的应用有益于直升机制造行业的健康发展。

一、在直升机装备结构中的应用表现

1、在旋翼桨叶中的应用

通过以往的装配经验来看，复合材料在旋翼桨叶制配中的应用需要面临纤维的性能缺陷问题，应积极采取应对措施，提升纤维的适应环境能力，使其在旋翼桨叶应用的过程中能够应对多种运行环境，保证直升机的平稳运行。旋翼桨叶中的金属桨叶在使用寿命方面存在一定的缺陷，而复合材料的应用可以有效改善上述问题，同时借助尖削桨尖来实现抛物线的运行轨迹，使其始终保持在对称状态，从而起到减少阻力，提升飞机运行性能的作用。进行复合材料加工时，应该充分考虑其应用部位的结构性能和刚度需求，通常是根据直升机设计方案中的相关参数对复合材料进行固化成型操作，使其的规格与实际装配需求相符。另外，复合材料在应用的同时，相关人员还结合旋翼桨叶的结构特性与力学特征进行了进一步分析，再结合相应的应用理念，对复合材料的结构进行优化，使其在旋翼桨叶中的应用可以有效提升直升机的运行性能和运行安全。

2、在桨毂结构中的应用

对于传统的金属浆叶来说，桨毂使用复合材料，实现了直升机装备的柔性的结构。采用铰接式桨毂，零件的数目减少，重量减轻，成本降低，采用纤维缠绕环套式桨毂，提高了安全性和可靠性。例如外环式桨毂和铰链式桨毂都在结构上更加紧凑和简单，重量上减轻，成本上降低。整体式的桨毂和旋翼轴组件，减少了直升机的当量废阻面，复合材料的最新研究成果，是将采用复合材料制作而成的柔性的变形桨叶的挥舞、变矩运动的无轴承桨毂结构，加以技术性的突破。

3、在机体机构中的应用

直升机的机体机构采用了复合材料，外形曲面和结构受载不是很大，经过加工成形后，提高了结构的损伤容限，运输类的直升机对于机体机构提出了采用复合材料进行减重的要求，耐坠结构上，根据设计的要求，使用上更加可靠和安全，制定了先进复合材料机体计划。与铝合金材料相比，复合材料的维护性和可靠性更好。与直升机的设计技术指标的关系十分密切。重型武装直升机的复合材料，在用量上占到整体重量的50%，垂尾和尾梁上的构建较多，民用运输直升机在复合材料的运用上则更多，复合材料的用量，达到80%以上。复合材料在机身结构上，用于平尾。不仅能够减重，还能够使得复杂的曲面成形，采用复合材料实现减重使得直升机的结构更加简单。

二、复合材料在直升机制配中的应用特点分析

1、复合材料的应用优势表现

对于部分利用悬停效应，直升机与固定翼飞机相比，直升机能有效的完成垂直起落、空中悬停和前飞、侧飞、回转飞行及贴地飞行，是一种低速飞行器。复合材料使得直升机具备优良的耐候性、承担搜索救援及外载运输等起重任务，其最显著的不同是利用旋翼旋转所提供及传动系统所传递的升力、前进力和操纵力，其主要应用环境为恶劣环境条件，直升机与固定翼飞机相比，与高空高速固定翼飞机所不同，飞行高度一般在6000m以下，选用具备优良抗疲劳特性的复合材料，将是直升机追求高减重效益的最有效途径。超低空时能够达到15~30m之间，表现在强度、质量、空气动力、耐蚀性的环境特点。其飞行速度约在300km/h，突出的振动问题在于直升机的结构设计在很大程度上是结构动力学的设计问题。

2、军用直升机中的应用特点

部分军用直升机的装配既要满足运行稳定性的特征，又需要具备一定的防弹性能和耐坠作用，这也是运行稳定的直接表现。与固定翼类型的飞机相比，直升机的作业原理和作业环境存在一定的差异，主要表现在旋翼气动弹性要求较大，这也使得直升机的设计要求发生来了较大的改变。在具体设计中，应考虑振动幅度过大对直升机运行稳定性所造成的影响，采取有错的措施进行抗震优化。

3、直升机结构复合材料在旋翼桨毂上的应用特点

利用气动布局中树脂基复合材料模压成型，率先选用复合材料，具有高的强度比和低密度，包括纤维/弹性轴承桨毂、疲劳强度和调频设计为主，韧性好等优异的力学性能，星型柔性桨毂、沿翼展多翼型复合材料优异的疲劳和刚度可剪裁特性，无轴承桨毂等。与固定翼飞机相比，这种结构设计与钛合金结构件相比质量分数减轻30%，连接件基于疲劳及减重的考虑，旋翼系统及传动系统不仅动部件多机身存在较多薄壁复杂曲面，用到的复合材料旋翼系统动部件设计以球柔性旋翼连接件为主旋翼系统动部件与铝合金结构件相比寿命提高50%。固定翼飞机主要采用双马树脂碳纤维单向带预浸料，包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶等织物，直升机在复合材料应用技术的特点上有一定区别，旋大量采用蜂窝夹层结构主要表现在：通过建立国产复合材料标准体系，对直升机复合材料从无损检测以及试验验证工艺制造、再到结构设计、到原材料控制等各方面的统一规范，翼是直升机特有的结构。

结语：随着近几十年的不断发展，在直升机装备上使用复合材料的工艺制造水平不断提高，制造成本不断降低。复合材料在直升机上的应用已发展到主承力结构并实现大范围成熟的应用，对高性能复合材料、先进设计技术和制造工艺需求迫切。未来国内直升机技术发展将追求高效能、长寿命，大力发展高性能复合材料、结构功一体化复合材料和智能复合材料；发展自动化制造，重点关注复合材料整体化和模块化设计技术，进一步提升复合材料的技术应用水平。

参考文献：

[1]杨胜学,吴志军.浅谈复合材料在飞机、直升机中的应用[J].科技资讯,2013(2):78.

[2]王强,熊峻江.基于概率方法的直升机复合材料桨叶损伤容限设计方法研究[C]//中国力学大会.2015.