鐵翼飛旋！托起國產(chǎn)直升機(jī)藍(lán)天夢

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導(dǎo)語：對于目前最有效的的可懸停飛行器——直升機(jī)，旋翼系統(tǒng)是它的升力擔(dān)當(dāng)。從仿制到自研，數(shù)十年間，我國直升機(jī)的旋翼的結(jié)構(gòu)與材料經(jīng)歷怎樣的進(jìn)化史；雪域高原上，新一代旋翼又是如何打破國外有關(guān)技術(shù)壟斷，托起國產(chǎn)新一代直升機(jī)到達(dá)新高度？

圖源：央視軍事

一、“鐵翼飛旋”如何讓直升機(jī)飛向天空
旋翼是直升機(jī)的重要部件。早在15世紀(jì)，人們便暢想用螺旋槳，達(dá)成人類實現(xiàn)垂直升空的目標(biāo)。在經(jīng)歷若干世紀(jì)的“螺旋上升式”后，旋翼及搭載它的飛行器——直升機(jī)在固定翼飛機(jī)誕生的30多年后成功飛行。

早在15世紀(jì)，達(dá)芬奇即繪制了第一個直升機(jī)旋翼設(shè)計圖

在直升機(jī)飛行過程中，旋翼與空氣作相對運動，產(chǎn)生升力和拉力雙重作用，旋翼的發(fā)展史在很大程度上可視為一部直升機(jī)發(fā)展史。我國的直升機(jī)旋翼技術(shù)始于對蘇聯(lián)米-4直升機(jī)的國產(chǎn)化。隨著國內(nèi)直升機(jī)工業(yè)的發(fā)展，旋翼技術(shù)也經(jīng)歷了從測繪仿制、參考樣機(jī)設(shè)計、國際合作，逐步過渡到自研設(shè)計，鍛造出中國的“飛旋鐵翼”。

米-4多用途直升機(jī)

二、將國產(chǎn)直升機(jī)托向藍(lán)天，每一片槳葉都在努力

在整個旋翼系統(tǒng)中，主槳葉是升力的重要來源。除了升力之外，前飛的直升機(jī)旋翼葉片也會受到周期性的阻力影響，產(chǎn)生嚴(yán)重的交變應(yīng)力問題，使翼根疲勞斷裂。這就需要抗疲勞、抗拉伸的槳葉材料。

（一）“天然原材”到“科技狠活”的變遷。

最早仿制生產(chǎn)的直5采用的槳葉為木質(zhì)材料制成；不久又升級為全金屬槳葉，使用壽命與維護(hù)性明顯提升。但隨著國產(chǎn)直升機(jī)起飛重量與飛行速度不斷提高，金屬槳葉的性能愈發(fā)捉襟見肘：直升機(jī)基本上是依靠增加槳葉長度、數(shù)量來實現(xiàn)提升升力的目標(biāo)。

隨著長度增加，槳葉在停放時會自然下垂、影響起降安全，飛行時槳葉外端因承受的升力更大而上翹、反而損失升力，若要避免這種情況需要增加槳葉剛度，這會讓葉片重量節(jié)節(jié)攀升同時犧牲槳葉壽命。因而從80年代中期開始，我國旋翼槳葉材料踏上了一條全新又陌生的道路：復(fù)合材料槳葉。

直升機(jī)復(fù)材槳葉示意圖 圖源：航空工業(yè)

（二）從“玻纖”到“碳纖”，復(fù)材槳葉新演繹。

相比其他材質(zhì)，復(fù)合材料槳葉的疲勞性能、抗腐蝕性更強(qiáng)，維護(hù)保養(yǎng)便利、使用壽命更佳；且復(fù)合材料的設(shè)計性很高，更輕巧，可根據(jù)翼型和受力需求設(shè)計復(fù)合材料旋翼的承載方式，對結(jié)構(gòu)受力形式進(jìn)行優(yōu)化，使之更能做大做強(qiáng)。

我國最早應(yīng)用復(fù)合材料槳葉的直-9直升機(jī)，采用玻璃纖維材料/樹脂層壓材料槳葉，其壽命已經(jīng)超過3000飛行小時，遠(yuǎn)高于同期金屬槳葉800小時水平；換裝復(fù)合材料槳葉的直8F，單片槳葉重量由原來的109kg減輕到約50kg。而在AC-313、直20等新一代直升機(jī)所采用碳纖維材料為代表的新一代復(fù)合材料槳葉，更具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐腐蝕、耐疲勞等優(yōu)良的特性。

直-10復(fù)材槳葉切皮結(jié)構(gòu) 圖源：央視頻《軍工科技》

（三）如何用匠心織就新一代“鐵翼”

由于碳纖維復(fù)合材料具有一定脆性，本身抗沖擊性較差，在受到?jīng)_擊后會產(chǎn)生微小的裂紋并不斷擴(kuò)展，增加損傷程度從而產(chǎn)生不同的破壞機(jī)制、影響槳葉壽命甚至飛行安全。而槳葉制造歷經(jīng)原材料供應(yīng)、零組件制造、定位裝配、槳葉模壓成型、槳葉加工及檢測，工序多達(dá)30道，每一環(huán)節(jié)都需嚴(yán)格控制槳葉制造精度、性能指標(biāo)。為此，我國在試制中重點攻關(guān)了模具定位、油道布置以及深加工和熱膨脹系統(tǒng)不一致的技術(shù)難題，專門設(shè)計制造了大型槳葉模壓系統(tǒng)，成功實現(xiàn)了開合模、槳葉鋪覆和模壓成型等全部工藝過程操作和控制。

國產(chǎn)復(fù)合材料旋翼生產(chǎn)現(xiàn)場 圖自：復(fù)材應(yīng)用技術(shù)網(wǎng)

新材料與工藝的運用使國內(nèi)新一代復(fù)合材料槳葉壽命提高到6000飛行小時；槳葉尺度也大幅提升——在本世紀(jì)初國內(nèi)僅能生產(chǎn)最長約8米的復(fù)合材料槳葉，到2019年國內(nèi)已成功試制出約14米的復(fù)合材料槳葉，在填補(bǔ)超大型旋翼槳葉研制技術(shù)空白的同時，為后續(xù)更大的國產(chǎn)直升機(jī)研制奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

三、如何打造撐起槳葉的牢靠“關(guān)節(jié)”

除槳葉外，連接起發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動軸和槳葉的槳轂也是旋翼的主要組件。在上世紀(jì)90年代前，我國直升機(jī)采用的鉸接式槳轂結(jié)構(gòu)，其構(gòu)造復(fù)雜、維護(hù)工作量大、疲勞壽命低。到上世紀(jì)90年代國內(nèi)在無鉸式柔性槳轂上取得突破，因取消揮舞鉸、擺振鉸，帶之以一個粘彈彈性軸承，實現(xiàn)槳葉揮舞、擺振、扭轉(zhuǎn)等三個功能。這使得旋翼結(jié)構(gòu)更加簡單，使用壽命、可靠性更高。

與米-17（左）相比，我國自研直升機(jī)（右）的的槳轂性能提升

無鉸槳轂取消了鉸接結(jié)構(gòu)，槳轂中央件須承受旋翼系統(tǒng)主要載荷，飛行中承力達(dá)槳葉十?dāng)?shù)倍，因此槳轂中央件的結(jié)構(gòu)及選材設(shè)計尤為重要。早期直-9等中輕型直升機(jī)采用熱壓成型的玻璃鋼制成，工藝較金屬機(jī)加工件簡單。

隨著直20、AC-313等通用/重型直升機(jī)的研發(fā)推進(jìn)，玻璃鋼材質(zhì)的槳轂已無法撐起國產(chǎn)直升機(jī)成倍提升的起飛重量與旋翼尺寸。為了保證槳轂較輕的重量及高壽命與強(qiáng)度要求，AC-313、直20等使用的無鉸鏈槳轂中央件采用國內(nèi)新研高強(qiáng)高韌的TB6鈦合金材,配合金屬 /橡膠疊層結(jié)構(gòu)的彈性軸承，讓槳轂在結(jié)構(gòu)重量減輕的同時使用壽命更高。

珠海航展中展示AC313直升機(jī)鈦合金槳轂 圖源：看航空

由于此前我國從未有此尺寸的一體式鈦合金加工經(jīng)驗，為克服鈦合金化學(xué)性能活潑、磨削溫度高以及強(qiáng)度高、韌性好導(dǎo)致切屑變形系數(shù)大等問題，國內(nèi)通過大量材料疲勞試驗，不斷優(yōu)化槳轂鈦合金中央件的細(xì)節(jié)設(shè)計，嚴(yán)格控制零件加工和運轉(zhuǎn)過程，并運用用了鈦合金噴丸強(qiáng)化技術(shù)，”從而明顯提高國產(chǎn)鈦合金槳轂的疲勞壽命。

四、高原高寒，如何給國產(chǎn)旋翼“破冰吹雪”
我國直升機(jī)的活動區(qū)域有相當(dāng)?shù)赜蚨喔呱健⒏咴⑴璧兀鄬儆诟吆畾夂颉Ｐ碓诿媾R西北部高寒地區(qū)、凍雨等環(huán)境溫度低于-10℃條件下飛行條件等等，前緣很可能出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象。這會改變旋翼的質(zhì)量分布，影響其表面的光滑程度，使旋翼周圍的附面層紊流化，直接影響直升機(jī)飛行安全。

因此，國際國內(nèi)都應(yīng)用各種旋翼防/除冰裝置。如直到本世紀(jì)初，我國直升機(jī)槳葉防/除冰措施就是利用在槳葉表面噴灑大量的酒精。但液體防冰作用時間短，一般為30~40分鐘，且只能防冰而無法除冰；大量防冰液還增加了直升機(jī)的重量、增加能耗。上世紀(jì)80年代后國外研制了電熱式防/除冰系統(tǒng)，具有更輕的重量與更高的除冰效率。面對新型直升機(jī)全域飛行的高效除冰需求，以及西方國家的技術(shù)壟斷局面，國內(nèi)自本世紀(jì)初期開始自研電熱式防/冰系統(tǒng)。

在雪域高原中作業(yè)的國產(chǎn)直升機(jī) 圖源：央視頻截圖

旋翼除冰技術(shù)的關(guān)鍵是通過對復(fù)合材料內(nèi)埋加熱組件的熱功率密度進(jìn)行精準(zhǔn)控制。此外，加熱組件埋在槳葉中，如何在槳葉高速旋轉(zhuǎn)下保證組件的壽命和可靠性，涉及的技術(shù)問題非常復(fù)雜。但是我國技術(shù)人員經(jīng)過努力，通過1500小時的不間斷試驗，驗證了集流環(huán)電源核心部件電刷、導(dǎo)電環(huán)材料穩(wěn)定性等，最終攻克了這項先進(jìn)的旋翼除冰技術(shù)。在2014年，完成某型直升機(jī)地面旋翼冰霧噴灑試驗驗證，并在此后裝備多型國產(chǎn)直升機(jī)，讓其得以在包括皚皚白雪青藏高原的在內(nèi)的寒區(qū)上空自由翱翔。

正在地面結(jié)冰模擬實驗的國產(chǎn)直升機(jī)槳葉 圖源：中國航空報

結(jié)語

在國內(nèi)研發(fā)團(tuán)隊的不懈努力下，其創(chuàng)新研發(fā)的新一代旋翼成功撐起共和國低空的脊梁，不斷創(chuàng)造出國產(chǎn)直升機(jī)最大起飛重量、最大飛行高度等新的記錄。隨著直升機(jī)技術(shù)發(fā)展日新月異，我國又相繼開展了具備自適應(yīng)控制的智能旋翼等第五代旋翼研發(fā)工作，不斷推動國內(nèi)旋翼領(lǐng)域新技術(shù)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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