黃文俊，何志平，程小全

（1. 中國直升機設計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001；2. 北京航空航天大學，北京 100191）

直升機復合材料應用現(xiàn)狀與發(fā)展

黃文俊1，何志平1，程小全2

（1. 中國直升機設計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001；2. 北京航空航天大學，北京 100191）

介紹了直升機復合材料的發(fā)展歷程，論述了直升機復合材料的應用特點及現(xiàn)狀，總結了國產(chǎn)直升機復合材料應用中存在的問題，展望了直升機復合材料未來的發(fā)展趨勢。綜述研究表明，復合材料已在直升機旋翼系統(tǒng)及機體結構成熟應用，推動了直升機技術的進步；未來直升機復合材料將朝著高性能化、結構-功能一體化、設計-制造一體化和智能化及低成本化的方向協(xié)調發(fā)展。

直升機；復合材料；應用；發(fā)展

0 引言

結構都開展了復合材料的應用研究，并大部分得到了應用推廣[5]。

復合材料具有輕質、高比強度、高比剛度及可設計性強等優(yōu)點，將其用于直升機結構上，可有效實現(xiàn)結構減重，提高飛行性能、安全性和可靠性，并有可能使得復合材料結構全壽命成本低于傳統(tǒng)的金屬結構，同時復合材料的廣泛應用還可進一步推進隱身和智能直升機結構設計技術的發(fā)展[1～4]。因此，近幾十年來，幾乎直升機的所有

1 直升機復合材料應用特點

直升機與固定翼飛機相比，最顯著的不同是有一、兩個或更多的旋翼，利用旋翼旋轉所提供及傳動系統(tǒng)所傳遞的升力、前進力和操縱力，直升機能有效的完成垂直起落、空中懸停和前飛、側飛、回轉飛行及貼地飛行，以及當發(fā)動機停車時可自轉下滑安全著陸。旋翼及傳統(tǒng)系統(tǒng)作為直升機所獨有的兩大動部件，因其動力響應產(chǎn)生高周疲勞（HCF）環(huán)境；同時直升機因地空地循環(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承擔搜索救援及外載運輸?shù)绕鹬厝蝿盏闹鄙龣C，其附加疲勞環(huán)境為重復周期疲勞（RCF）；選用具備優(yōu)良抗疲勞特性的復合材料將是直升機追求高減重效益的最有效途徑[6]。

直升機與固定翼飛機相比，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所不同，其主要應用環(huán)境為濕/熱、干/寒、沙塵/雨淋、海水等惡劣環(huán)境條件[7]，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、耐蝕性的復合材料將是直升機環(huán)境適應性設計的必然選擇。

因直升機與固定翼飛機上述不同的飛行原理和使用環(huán)境，使直升機結構設計要求，除一般航空器設計的剛度、強度、質量、空氣動力、工藝性和使用維護性外，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、可靠性等設計要求尤為關注；突出的振動問題使直升機結構設計在很大程度上是結構動力學設計問題，直升機結構設計中必須設法降低強迫振動的振幅和避免出現(xiàn)動穩(wěn)定性問題；軍用直升機還應滿足防彈、耐墜性等要求[8～12]。

直升機結構通常分為以旋翼系統(tǒng)為代表的動部件結構和機體結構兩大類。這兩類結構設計有明顯的不同，旋翼系統(tǒng)動部件更加突出直升機專有技術。旋翼系統(tǒng)動部件設計以疲勞強度和調頻設計為主，率先選用復合材料正是看中復合材料優(yōu)異的疲勞和剛度可剪裁特性，樹脂基復合材料模壓成型有利于旋翼槳葉采用先進翼型、沿翼展多翼型先進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合材料具有高的比剛度、比強度、低密度和韌性好等優(yōu)異的力學性能，尤其具有極好的抗疲勞特性。與鈦合金結構件相比質量分數(shù)減輕30%，與鋁合金結構件相比壽命提高50% 。復合材料在旋翼槳轂上的應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[13～14]。

直升機機體結構采用復合材料，一方面著眼于結構減重，另一方面著眼于改進和創(chuàng)新結構設計及制造工藝，如涵道大垂尾結構、駕駛艙管梁骨架結構、耐墜吸能結構和大型整體壁板、夾層結構尾梁等。

與固定翼飛機相比，直升機在復合材料應用技術特點上有一定區(qū)別，主要表現(xiàn)在：

⑴ 結構形式不同。直升機與固定翼飛機有顯著區(qū)別，旋翼是直升機特有的結構，旋翼系統(tǒng)及傳動系統(tǒng)不僅動部件多，受力方式也不同；機身存在較多薄壁復雜曲面，大量采用蜂窩夾層結構。

⑵ 材料體系不同。直升機采用環(huán)氧樹脂預浸料，增強材料以織物為主，包括碳纖維/玻璃纖維/芳綸等織物，而固定翼飛機主要采用雙馬樹脂碳纖維單向帶預浸料；直升機旋翼連接件基于疲勞及減重的考慮，采用了鋁基復合材料。

⑶ 性能要求不同。由于結構形式和使用環(huán)境的區(qū)別，直升機復合材料在材料選用和環(huán)境適應性要求上與固定飛機存在差異，使得固定翼飛機所獲取的設計性能數(shù)據(jù)不能直接應用到直升機上；且對于旋翼系統(tǒng)等直升機特有的動部件，還要求復合材料具有優(yōu)異的高周疲勞特性。

2 直升機復合材料應用現(xiàn)狀

縱觀近代直升機的發(fā)展進程，直升機經(jīng)歷了兩次重大技術飛躍。第一次技術飛躍就是1950年代渦軸發(fā)動機的應用，第二次技術飛躍就是1960年代復合材料的應用[15]。

1960年代復合材料旋翼槳葉在直升機上的應用，不僅可以使槳葉的壽命大幅提升，而且可以實現(xiàn)槳葉優(yōu)化設計，顯著的改善了旋翼氣動性能。1970年代研制的第三代直升機幾乎都采用了復合材料旋翼槳葉，1980年代以來研制的第四代直升機還在機體結構中大量采用復合材料，用量已占到結構質量分數(shù)的35%～50%，近年來甚至出現(xiàn)了全復合材料直升機。復合材料在旋翼系統(tǒng)和機體結構上的大量使用成為第三和第四代直升機的主要技術特征。機體結構復合材料用量現(xiàn)已成為衡量新一代直升機技術先進水平的重要標志之一。

自1940年代至今，從技術特征上看，直升機的發(fā)展依據(jù)動力裝置、旋翼系統(tǒng)、機體結構材料、電子系統(tǒng)、直升機總體特征等方面進行評價，大體上可以分為四代。各代直升機的主要技術特征及復合材料應用情況詳見表1[16～17]。

2.1 國外直升機復合材料應用情況

基于復合材料具有輕質高強、彈擊/損傷容限、電磁防護能力、防核幅射、防生物、防化學及抗墜毀等優(yōu)點，近幾十年來，幾乎直升機的所有結構都開展了復合材料的應用研究，并且大部分取得了成功。國外直升機復合材料應用發(fā)展歷程詳見表2[18～19]。

隨著先進復合材料及其設計技術的發(fā)展，國外先后出現(xiàn)了如波音360、V22、PAH-2、RAH-66、S-75、D292、MD-900以及NH-90等全復合材料機體。下面分別以國外武裝直升機的代表RAH-66、通用直升機的代表NH-90、新構型直升機的代表S-97和全復合材料民用直升機的代表H160直升機為例，介紹國外直升機復合材料應用情況。

2.1.1 RAH-66“科曼奇”（1990年代后）

世界上最先進的專用武裝直升機RAH-66機身結構及旋翼系統(tǒng)均大量采用復合材料，其復合材料使用情況如圖1所示，在提高軍用要求的同時補償了結構質量分數(shù)的損失，滿足了RAH-66航程、載荷和其他性能要求。

圖1 RAH-66復合材料使用情況圖示

表1 各代直升機主要技術特征及復合材料應用情況

表2 國外直升機復合材料應用發(fā)展歷程

RAH-66機體結構的大部分采用先進的碳纖維/環(huán)氧、芳綸/環(huán)氧和蜂窩芯材，占機體結構質量分數(shù)的54%，其中碳纖維/環(huán)氧占結構質量分數(shù)的44%，碳纖維為IM7，環(huán)氧為8552。IM7中模高強碳纖維復合材料與普通高強碳纖維復合材料相比，強度增加了20%～40%，模量加了35%，損傷容限提高了近100%。機體前部組件主要采用碳纖維/環(huán)氧結構，尾梁等采用碳纖維/芳綸混雜面板的蜂窩芯夾層結構，平尾和垂尾采用芳綸/碳纖維束鋪放共固化成型，整流罩、艙門和其它輔助結構部分由芳綸/環(huán)氧和蜂窩芯材制造，使直升機具有吸波能力。

RAH-66主槳葉由碳纖維復合材料大梁帶和玻璃鋼蒙皮制造，涵道尾槳的槳葉則由聚氨酯泡沫和玻璃鋼蒙皮制造，叉形件采用IM7/8552預浸料制造，柔性梁采用S2玻璃纖維和IM7碳纖維混雜與3M公司RTM用PR500樹脂制造，復合材料用量占旋翼系統(tǒng)結構質量分數(shù)的67%[20]。

2.1.2 NH-90（1990年代后）

作為全復合材料機體直升機的典型代表，NH-90復合材料用量占質量分數(shù)的95%，其復合材料應用情況如圖2所示，僅動力艙平臺及其隔板采用金屬件，其余全部采用碳纖維復合材料、芳綸復合材料和NOMEX蜂窩芯材，旋翼系統(tǒng)采用了碳纖維復合材料和玻璃纖維復合材料。其艙門用RTM工藝制造，駕駛艙骨架由碳纖維復合材料管材結構組成，機體結構采用復合材料整體成型，與全金屬結構相比，零件數(shù)量減少20%，質量減輕15%，生產(chǎn)成本降低10%[21]。

2.1.3 S-97“侵襲者”（21世紀初期）

西科斯基公司作為世界級的頂尖直升機制造商，于2014年10月2日發(fā)布了S-97“侵襲者”高速直升機原型機，具體如圖3所示，其旋翼槳葉及機身均采用高性能復合材料制造。

S-97具備顛覆性的氣動設計，采用與眾不同的共軸反轉剛性旋翼作為主要的升力源，共軸剛性旋翼技術被視為S-97型機成功的關鍵因素，其中高模高強碳纖維復合材料扮演了關鍵角色。1971年～1981年，西科斯基雖然掌握了共軸剛性旋翼部分關鍵技術，但受當時材料技術的限制，兩幅主旋翼剛性無法達到最理想的狀態(tài)，導致旋翼效率較低、質量偏大及機身振動水平較高，因缺乏資金，西科斯基暫停了XH-59的研發(fā)計劃。2004年～2008年，在材料技術的發(fā)展解決了困擾剛性旋翼槳葉設計與制造所需的高模高強復合材料問題后，西科斯基投入資金開展了X-2高速直升機技術驗證機的研制，突破了共軸旋翼、主動控制等關鍵技術，為S-97項目的研發(fā)奠定了堅實基礎[22～23]。

圖2 NH-90復合材料應用情況圖示

2.1.4 H160（21世紀初期）

空客直升機公司研制的H160直升機在2015年國際直升機博覽會正式發(fā)布，引起廣泛關注。H160直升機以深褐色的“面具”、頗具前衛(wèi)的氣動外形和藍白相間的外部涂裝，帶給外界強烈的現(xiàn)代感，堪稱21世紀的工業(yè)藝術品，全機外觀如圖4所示。

圖3 S-97“侵襲者”高速直升機原型機示意圖

圖4 空客H160直升機外觀

H160直升機是迄今為止時間上第一架全復合材料民用直升機。從機身來看，大多數(shù)復合材料都類似于當年NH90軍用直升機上使用的材料?？湛椭鄙龣C公司希望減少維護需求，最大程度地增加乘客的安全。

H160直升機主旋翼采用了5 片復合材料“藍色前緣”（Blue Edge）槳葉，將噪聲水平降低了3 db。其旋翼槳轂采用了熱塑性復合材料，以降低制造成本，減輕質量，尤其重要的是提高了損傷容限，大大降低了結構疲勞裂紋擴展速率?？湛椭鄙龣C的其他型號如AS350直升機等都采用了復合材料旋翼槳轂，但是都采用熱固性復合材料，H160直升機是空客首個使用熱塑性復合材料旋翼槳轂的機型[24～25]。

綜合國外直升機復合材料的應用發(fā)展歷程及近年來先進直升機的復合材料應用情況表明，復合材料在國外直升機上的應用發(fā)展迅速。國外直升機復合材料的應用首先是從次要結構開始，材料體系主要為玻璃纖維增強復合材料。隨后，逐漸發(fā)展到主承力結構，材料體系主要為玻璃纖維、碳纖維和芳綸增強的復合材料。隨著復合材料在直升機大部分結構上的應用達到了相當成熟的地步，并證明了用復合材料制造直升機結構，在改善直升機性能、降低成本、減輕質量等方面收益顯著，國外直升機旋翼系統(tǒng)、機身結構等部位開始大量應用復合材料，材料體系拓展到碳纖維、玻璃纖維和芳綸增強的復合材料，鋁基復合材，陶瓷基復合材料等，并發(fā)展了復合材料整體化和模塊化設計技術及低成本成型工藝，直接推動了全復合材料機身結構、共軸剛性槳葉、無軸承旋翼等先進直升機技術的發(fā)展。

2.2 國內直升機復合材料應用情況

1960年代，國內即開展了碳纖維復合材料研究，直9型機就大量采用了環(huán)氧基碳纖維、高強玻璃纖維及芳綸的復合材料，主要用于主槳葉、涵道大垂尾、平尾、側端板、座艙罩等結構部件。

1990年代，國內在開展直升機研制初期即開始確定大量采用先進復合材料的技術方案，主要涉及到了各個型號旋翼系統(tǒng)的動部件（槳葉、槳轂、主減機箱），機身結構的座艙骨架、尾梁、垂尾、平尾等主受力結構[26]。

進入21世紀后，碳纖維及高強玻璃纖維環(huán)氧基復合材料等此類戰(zhàn)略性材料基本已實現(xiàn)國內自我保障，解決了關鍵材料受制于人的困境，并掌握了包括復合材料研制、結構設計、制造、檢測、試驗、數(shù)據(jù)分析以及項目管理在內的系統(tǒng)的工程化驗證技術和管理方法，實現(xiàn)了碳纖維等關鍵材料的工程化生產(chǎn)和大批量供應。通過建立國產(chǎn)復合材料標準體系，對直升機復合材料從原材料控制到結構設計、工藝制造、無損檢測以及試驗驗證等各方面進行了統(tǒng)一規(guī)范，直接推動了國產(chǎn)復合材料在國內直升機上的大面積應用。

目前，國內在研和在役直升機均大量采用復合材料，主要應用部位有旋翼槳葉中的大梁、蒙皮、墊布、后緣條等[27]，機體結構中的機身下構件蒙皮、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合材料，武裝直升機座艙采用了陶瓷復合防彈裝甲。

3 國內直升機復合材料應用存在的問題

直升機上推廣使用復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。從設計的角度來考慮，目前主要要研究復合材料結構的力學問題，其中包括復合材料結構耐久性、抗墜毀性、定壽方法、接觸應力、彈擊損傷等；復合材料機身結構設計問題，包括設計準則、鋪層設計、破壞形式、損傷容限試驗、防斷裂方法、連接方法、疲勞強度、修補方法、工藝成型及質量控制等；復合材料旋翼結構設計研究，包括設計準則、選材、旋翼槳葉及槳轂結構型式及剖面形狀、槳葉及槳轂鋪層構造及剛度設計、測試及工藝等[28～29]。

由于復合材料具有各向異性和性能可設計性的特點，設計人員以根據(jù)直升機結構的特點選用適當?shù)慕M分材料和調整增強材料的方向使設計的直升機結構性能大幅得到改善，同時實現(xiàn)降低結構質量、減少生產(chǎn)成本、縮短生產(chǎn)周期的目的。從國內直升機復合材料的應用與發(fā)展現(xiàn)狀來看，制約復合材料在國內直升機上的應用也在性能、重量和價格這3 個方面。

3.1 性能方面

目前國內先進直升機樹脂基復合材料用量很大，但由于其耐溫性能、濕/熱性能和斷裂韌性等幾個關鍵指標的限制，影響了其在某些特殊工況要求部位的推廣應用。

新一代損傷容限型、高抗疲勞性能的鋁基復合材料在應用上獲得了很好的減重效果，并有利于降低制造和維護成本。目前國內外正在進行這些鋁基復合材料的擴大應用和材料改進研究工作。

陶瓷復合防彈裝甲已在國內軍用直升機上成熟應用，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高生存力的要求，對開發(fā)出防護性和韌性好的陶瓷復合材料提出了需求。

3.2 質量方面

直升機大量應用薄壁結構，其復合材料面板厚度為0.3～1.0 mm，而目前直升機上普遍應用的織物預浸料單層厚度約為0.2～0.3 mm，復合材料的方向可設計性和厚度可設計性受到限制，明顯犧牲結構質量，制約了復合材料在直升機結構上的減重優(yōu)勢。

3.3 價格方面

直升機復合材料成本主要包含原材料成本、制造成本和使用維護成本，制造成本大約占復合材料制件總成本的80%。熱壓罐法成型是目前國內直升機復合材料制件最主要的成型工藝方法，但其設備成本高，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的自動化工藝與設備，提升復合材料整體化、模塊化設計和制造水平上開展了大量的研究工作[30～31]，在這些方面國內還有較大差距。

4 直升機復合材料發(fā)展趨勢

未來復合材料在直升機發(fā)展中的地位將更加重要，直升機在繼續(xù)選用成熟應用的復合材料的同時，應考慮開發(fā)性能更優(yōu)異、且更適合直升機設計與制造要求的先進復合材料，采用更多先進的制造工藝和技術，擴大復合材料在直升機上的使用范圍。未來直升機復合材料總體發(fā)展方向是高性能化、結構-功能一體化、設計-制造一體化、智能化及低成本化協(xié)調發(fā)展[32]，其發(fā)展趨勢展望如下：

4.1 高性能化

原材料技術是先進復合材料應用的基礎與前提，直升機復合材料的高性能化發(fā)展是未來的趨勢之一。樹脂基復合材料將在發(fā)展高強高模增強纖維的同時，提升樹脂基體的韌性、濕熱性能及環(huán)境適應性能力；金屬基復合材料著重于提升損傷容限及抗疲勞性能；陶瓷復合防彈裝甲材料應在提升綜合防護性能的同時進一步減輕質量。

4.2 結構-功能一體化

直升機的服役環(huán)境對防雷擊性能提出了要求，同時軍用直升機由于戰(zhàn)場特殊環(huán)境，還應具有隱身（視覺、紅外、雷達和聲學）、防彈、電磁屏蔽、耐墜性等功能。未來先進直升機復合材料應至少具備兩種或更多功能，有效實現(xiàn)復合材料結構承載-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。

4.3 設計-制造一體化

發(fā)展以DFM（Design for Manufacture）為核心的設計-制造一體化技術，其實質是隨計算機和制造技術的進步，采用全新的設計理念和手段，發(fā)展數(shù)字化、自動化的設計技術，將設計和制造進一步融為一體，從而加快產(chǎn)品研發(fā)進度，提高質量。實現(xiàn)直升機復合材料制造過程數(shù)字化與飛機結構設計數(shù)字化趨向相適應，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。

4.4 智能化

智能化是直升機復合材料結構設計亟需關注的研究方向。開發(fā)直升機復合材料自感知、自診斷、自修復和自適應智能化技術，可以實現(xiàn)直升機復合材料結構噪聲抑制、振動控制、主動變形和性能監(jiān)測與損傷自修復[33]。

4.5 低成本化

直升機復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、設計低成本化、制造低成本化和維護低成本化4 個方面。核心是發(fā)展低成本制造技術，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；發(fā)展以共固化/共膠接為核心的大面積整體成型技術；發(fā)展以樹脂傳遞模塑成型技術為核心的低成本制造技術；發(fā)展非熱壓罐成型技術等[34～36]。

5 結束語

隨著近幾十年的不斷發(fā)展，復合材料在直升機上的應用已發(fā)展到主承力結構并實現(xiàn)大范圍成熟應用，也推動了直升機技術的進步。國內直升機復合材料通過國內直升機型號需求的牽引和推動，目前已經(jīng)基本實現(xiàn)國產(chǎn)化，形成了我國直升機復合材料研發(fā)及生產(chǎn)體系，技術水平在不斷提高，并有了較全面的發(fā)展和廣泛的應用，但是與國外發(fā)達國家相比，在材料、設計、工藝等方面仍有差距。未來國內直升機技術發(fā)展將追求高效能、長壽命、高可靠和低成本，對其材料與結構的綜合要求越來越高，對高性能復合材料、先進設計技術和制造工藝需求迫切。為此，國內今后應在解決目前發(fā)展中存在的復合材料性能穩(wěn)定性問題的同時，大力發(fā)展高性能復合材料、結構功一體化復合材料和智能復合材料；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，提升復合材料工藝制造水平，降低制造成本；還應重點關注復合材料整體化和模塊化設計技術，發(fā)展復合材料設計-制造一體化技術，進一步提升復合材料的應用技術水平。

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Development and application analysis of high modulus glass fiber for helicopter blade

HUANG Wen-jun1, HE Zhi-ping1, CHENG Xiao-quan2

( 1. Avic China Helicopter Research and Development Institute, Jiangxi Jingdezhen 333001 China; 2. Beihang University, Beijing 100191 China )

The development history of composites used in helicopter is introduced, the features and current application of composites used in helicopter are discussed, the existing problems of composites application in domestic helicopter are summarized, and the development tendencies of composites in helicopter are presented. The overview shows that composites have been maturely applied to helicopter rotor system and body structures, promoted the advancement of the helicopter technology; The conclusion indicates that composites of helicopter will coordinated develop toward the directions of high performance, structural-function integrated, designmanufacture integrated, intelligence and low cost in the future.

helicopter; composites; application; development

V258

A

1007-9815（2016）05-0007-08

定稿日期:2016-09-10

黃文俊（1972-），男，江西撫州人，研究員，主要研究方向為旋翼飛行器設計，(電子信箱)chrdihwj@163.com。