[科普中国]-旋翼设计

简介

现代直升机旋翼桨叶一般为复合材料结构。纤维增强树脂基复合材料与金属相比，具有优异的比强度、比模量、疲劳性能和缓慢的损伤扩展特性，因此，使用复合材料以后，直升机旋翼桨叶不仅质量轻，而且疲劳寿命可飞行达6 000 h以上，有的甚至是“无限寿命”。

纤维增强树脂基复合材料刚度可裁剪设计以及不同铺层的选择，非常有利于调整旋翼桨叶的质量分布及其挥舞、摆振和扭转刚度分布，从而达到预定的调频设计要求。现在，复合材料桨叶结构一般采用闭合压模压制固化成型方法制造，能够很好的保证桨叶几何外形精度要求，其中包括桨叶扭转角、表面粗糙度、型面尺寸等，这是金属桨叶制造工艺很难做到的。

国内直升机旋翼研制经历了产品引进仿制、型号合作和到自主设计的成长过程。经过几十年的发展，旋翼自主设计技术日趋成熟，并在逐步赶上世界先进水平。虽然如此，国内的桨叶设计与制造技术还存在着复合材料种类多、国产材料性能较国外存在差异、材料发展方向无自己特色、新型旋翼复合材料和智能旋翼研制与研究落后等问题。1

复合材料桨叶结构及其设计特点旋翼桨叶是一种细长的柔性梁，它通过绕桨榖周期性旋转产生气动力。桨叶结构上的载荷有旋转引起的离心力和交变气动载荷引起的弯矩和扭矩。在这些载荷作用下，桨叶结构会发生变形和振动，并反过来导致气动力发生改变。因此，桨叶在工作过程中会出现复杂的振动和气动弹性问题。目前，旋翼桨叶结构设计首先是进行动力学设计，然后进行静强度校核，最后通过试验考核设计结果，给出使用寿命。

桨叶设计还需要保证其具有较小的振动和噪声水平。桨叶结构沿展向可以分为根部段、翼型段和桨尖段3 个部分。桨尖段主要用来改善旋翼的气动性能与气动噪声，所受的载荷较小，不是主要结构部分。根部段是桨叶与桨毂连接的部位，结构复杂，零组件较多。桨叶所有动载荷和静载荷都要通过它传递到桨毂上，是桨叶结构受力状态最复杂的部位。目前我国复合材料桨叶接头形式主要是双缠绕衬套连接，桨叶根部的两个金属衬套通过螺栓或者插销与桨毂连接，内部有4 股无纬玻璃带绕过前后缘金属衬套形成主承力大梁，衬套剖面结构见图1。

翼型段是桨叶结构最主要的部分，确定桨叶剖面的构造形式是桨叶结构设计的首要任务。桨叶构造形式基本确定了桨叶的结构和动力学特性及其他设计特性。翼型段的典型剖面形式按照大梁的构造划分，主要有C形梁，D形梁、多管梁结构等；按照剖面分隔或封闭区间的划分则有单闭腔、双闭腔、多闭腔等形式。图2所示为典型C形梁双闭腔桨叶剖面构造图。

翼型段一般由蒙皮、大梁、内腔填块、后缘条、前缘包铁等元件构成。大梁是桨叶的主承力部件，一般选用高强度玻璃纤维粗纱沿展向铺设而成，这种材料具有很高的抗拉强度和很大的许用应变。设计时可以充分利用复合材料的设计剪裁特性，按需要调整大梁的刚度和质量分布，但要避免铺层产生急剧变化引起应力集中。蒙皮是桨叶结构铺层设计的难点，因为它既是桨叶维形部件又是重要的承力部件。

蒙皮对桨叶的扭转刚度和摆振刚度贡献很大，设计时需要考虑桨叶的动力学特性要求。蒙皮铺设一般选用织物，最外层多采用致密平整织物便于形成高质量的桨叶外形，内层蒙皮则根据需要选择材料和铺设方案。内腔填块主要起支撑作用，提供复合材料桨叶内部构件所需的内压和结构的定位，同时参与贡献桨叶的扭转刚度，主要有硬质泡沫和Nomex蜂窝两类。桨叶后缘条有着不可替代的作用，其设计考虑主要是桨叶的摆振刚度和后缘应力。后缘条可以根据动力学调频需要设计成不同的材料、形状和尺寸。1

复合材料旋翼结构损伤容限设计特点与要求与固定翼飞机不同，直升机旋翼桨叶是一根细长且刚度很低的弹性体，其结构复杂。桨叶工作在离心力场中，气弹耦合非常复杂。直升机旋翼工作的气动环境复杂，气流时时变化、处处不同，气动干扰、失速、压缩性的影响使气流环境更加复杂。直升机旋翼运动规律复杂，旋翼桨叶除旋转、前进外，还有挥舞、摆阵、变距运动以及多种运动之间强烈的耦合。因此，直升机旋翼桨叶长期处于高频低幅振动疲劳载荷环境。

直升机旋翼结构的损伤容限特点表现为：①容许裂纹或损伤尺寸较小；②小范围内结构上的载荷变化较大；③载荷形式为高频低幅。

对于民用直升机，复合材料旋翼损伤容限设计的要求是：①保证结构在给定的载荷谱范围内使用是安全的，未被检查出的缺陷、裂纹或其他损伤的扩展造成灾难性破坏的概率最小；②保证结构的疲劳强度极限和检查时间间隔最佳，具有竞争力。

对于军用直升机，由于需要在作战环境中使用，除了以上要求外，还有：①保证结构在遭受战斗损伤(通常是12.7 mm机枪弹和21mm~23 mm航炮弹的攻击损伤)情况下有足够的剩余强度，即旋翼主结构关键件受弹击损伤后应能承受设计极限载荷而不破坏；②如果损伤是允许的，则损伤扩展的速率应是缓慢的，主结构关键件受弹击损伤后至少仍能飞行30 min。2