直升机复合材料应用现状与发展

直升机复合材料应用现状与发展

复合材料具有轻质、高比强度、高比刚度及1有效实现

构造减重，提高飞行性能、安全性和可靠性，并有可能使得

复合材料构造全寿命成本低于传统的金属构造，同时复合材

料的广泛应用还可进一步推进隐身和智能直升机构造设计

技术的发展。因此，近几十年来，几乎直升机的所有构造都

开展了复合材料的应用研究，并大部份得到了应用推广。

直升机复合材料应用特点

直升机与固定翼飞机相比，最显着的不同是有一、两个

或者更多的旋翼，利用旋翼旋转所提供及传动系统所传递的

升力、前进力和控制力，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，以及当发动机

停车时可自转下滑安全着陆。旋翼及传统系统作为直升机所

独有的两大动部件，因其动力响应产生高周疲劳（HCF）

环境；同时直升机因地空地循环所诱发也存在低周疲劳（

LCF）环境；对于部份利用悬停效应担负搜索救援及外载运输

等起重任务的直升机，其附加疲劳环境为重复周期疲劳（

RCF）;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。

直升机与固定翼飞机相比，其飞行高度普通在6000m

以下,甚至在超低空15~30m之间，飞行速度约在

300km/h,是一种中低空、低速飞行器。与高空高速固定翼

飞机所不同，其主要应用环境为湿/热、干/寒、沙尘/雨淋、

海水等恶劣环境条件，为满足在上述不同区域、不同气候条

件下的苛刻使用要求，具备优良的耐候性、耐蚀性的复合材

料将是直升机环境适应性设计的必然选择。

因直升机与固定翼飞机上述不同的飞行原理和使用环

境，使直升机构造设计要求，除普通航空器设计的刚度、强

度、质量、空气动力、工艺性和使用维护性外，还有其特殊

要求。例如旋翼系统对气动弹性、疲劳寿命、振动、可靠性

等设计要求尤其关注；突出的振动问题使直升机构造设计在

很大程度上是构造动力学设计问题，直升机构造设计中必须

设法降低强迫振动的振幅和防止浮现动稳定性问题；军用直

升机还应满足防弹、耐坠性等要求。

直升机构造通常分为以旋翼系统为代表的动部件构造

和机体构造两大类。这两类构造设计有明显的不同，旋翼系

统动部件更加突出直升机专有技术。旋翼系统动部件设计以

疲劳强度和调频设计为主，率先选用复合材料正是看中复合

材料优异的疲劳和刚度可剪裁特性，树脂基复合材料模压成

型有利于旋翼桨叶采用先进翼型、沿翼展多翼型先进气动布

局和采用绕衬套缠绕接头等，球柔性旋翼连接件采用的铝基

复合材料具有高的比刚度、比强度、低密度和韧性好等优异

的力学性能，特别具有极好的抗疲劳特性。与钛合金构造件

相比质量分数减轻30%,与铝合金构造件相比寿命提高50%o

复合材料在旋翼桨毂上的应用不仅使桨毂明显减重，更重要

的是研制出了星型柔性桨毂、纤维/弹性轴承桨毂、无轴承桨

毂等新型桨毂。

直升机机体构造采用复合材料，一方面着眼于构造减重，

另一方面着眼于改良和创新构造设计及创造工艺，如涵道大

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垂尾构造、驾驶舱管梁骨架构造、耐坠吸能构造和大型整体

壁板、夹层构造尾梁等。

与固定翼飞机相比，直升机在复合材料应用技术特点上

有一定区别，主要表现在：

1构造形式不同

直升机与固定翼飞机有显着区别，旋翼是直升机特有的

构造，旋翼系统及传动系统不仅动部件多，受力方式也不同；

机身存在较多薄壁复杂曲面，大量采用蜂窝夹层构造。

2材料体系不同

直升机采用环氧树脂预浸料，增强材料以织物为主，包

括碳纤维/玻璃纤维/芳纶等织物，而固定翼飞机主要采用双

马树脂碳纤维单向带预浸料；直升机旋翼连接件基于疲劳及

减重的考虑，采用了铝基复合材料。

3性能要求不同。

由于构造形式和使用环境的区别，直升机复合材料在材

料选用和环境适应性要求上与固定飞机存在差异，使得固定

翼飞机所获取的设计性能数据不能直接应用到直升机上；且

对于旋翼系统等直升机特有的动部件，还要求复合材料具有

优异的高周疲劳特性。国内直升机复合材料应用情况I960

年代，国内即开展了碳纤维复合材料研究，直9型机就大量

采用了环氧基碳纤维、高强玻璃纤维及芳纶的复合材料，主

要用于主桨叶、涵道大垂尾、平尾、侧端板、座舱罩等构造

部件。

1990年代，国内在开展直升机研制初期即开始确定大

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量采用先进复合材料的技术方案，主要涉及到了各个型号

旋翼系统的动部件（桨叶、桨毂、主减机箱），机身构造

的座舱骨架、尾梁、垂尾、平尾等主受力构造。

进入21世纪后，碳纤维及高强玻璃纤维环氧基复合材

料等此类战略性材料基本已实现国内自我保障，解决了关键

材料受制于人的困境，并掌握了包括复合材料研制、构造设

计、创造、检测、试验、数据分析以及项目管理在内的系统

的工程化验证技术和管理方法，实现了碳纤维等关键材料的

工程化生产和大批量供给。通过建立国产复合材料标准体系,

对直升机复合材料从原材料控制到构造设计、工艺创造、无

损检测以及试验验证等各方面开展了统一规范，直接推动了

国产复合材料在国内直升机上的大面积应用。

目前，国内在研和在役直升机均大量采用复合材料，主

要应用部位有旋翼桨叶中的大梁、蒙皮、垫布、后缘条等，

机体构造中的机身下构件蒙皮、座舱、动力舱整流罩、短翼、

尾梁蒙皮、壁板、尾斜梁、尾段^流＜仪表板、遮光罩等。

其中，桨毂部份零件采用了金属基复合材料，武装直升机座

舱采用了陶瓷复合防弹装甲。

国内直升机复合材料应用存在的问题

直升机上推广使用复合材料是一项能大幅度改善性能、

降低生产成本、缩短生产周期和收益颇丰的合用技术。从设

计的角度来考虑，目前主要要研究复合材料构造的力学问题，

其中包括复合材料构造耐久性、抗坠毁性、定寿方法、接触

应力、弹击损伤等；复合材料机身构造设计问题，包括设计

准则、铺层设计、破坏形式、损伤容限试验、防断裂方法、

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连接方法、疲劳强度、修补方法、工艺成型及质量控制等；

复合材料旋翼构造设计研究，包括设计准则、选材、旋翼桨

叶及桨毂构造型式及剖面形状、桨叶及桨毂铺层构造及刚度

设计、测试及工艺等。

由于复合材料具有各向异性和性能可设计性的特点，设

计人员以根据直升机构造的特点选用适当的组分材料和调

整增强材料的方向使设计的直升机构造性能大幅得到改善，

同时实现降低构造质量、减少生产成本、缩短生产周期的目

的。

从国内直升机复合材料的应用与发展现状来看，制约复

合材料在国内直升机上的应用也在性能、分量和价格这3个

方面。

性能方面

目前国内先进直升机树脂基复合材料用量很大，但由于

其耐温性能、湿/热性能和断裂韧性等几个关键指标的限制，

影响了其在某些特殊工况要求部位的推广应用。

新一代损伤容限型、高抗疲劳性能的铝基复合材料在应

用上获得了很好的减重效果，并有利于降低创造和维护成本。

目前国内外正在开展这些铝基复合材料的扩大应用和材料

改良研究工作。

陶瓷复合防弹装甲已在国内军用直升机上成熟应用，但

陶瓷材料脆性大,弹击后容易破碎，抗多发弹能力较差。针

对未来武装直升机高生存力的要求，对开辟出防护性和韧性

好的陶瓷复合材料提出了需求。

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质量方面

直升机大量应用薄壁构造，其复合材料面板厚度为

0.3~1.0

mm,而目前直升机上普遍应用的织物预浸料单层厚度

约为0.2~0.3

mm,复合材料的方向可设计性和厚度可设计性受到限

制，明显牺牲构造质量，制约了复合材料在直升机构造上的

减重优势。

价格方面

直升机复合材料成本主要包含原材料成本、创造成本和

使用维护成本，创造成本大约占复合材料制件总成本的80%。

热压罐法成型是目前国内直升机复合材料制件最主要的成

型工艺方法，但其设备成本高，生产周期长，能源消耗大，

故其生产成本高。为降低创造成本，国外已在开辟低成本成

型方法和先进的自动化工艺与设备，提升复合材料整体化、

模块化设计和创造水平上开展了大量的研究工作，在这些方

面国内还有较大差距。

直升机复合材料发展趋势

未来复合材料在直升机发展中的地位将更加重要，直升

机在继续选用成熟应用的复合材料的同时，应考虑开辟性能

更优异、且更适合直升机设计与创造要求的先进复合材料，

采用更多先进的创造工艺和技术，扩大复合材料在直升机上

的使用范围。未来直升机复合材料总体发展方向是高性能化、

构造-功能一体化、设计-创造一体化、智能化及低成本化协

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调发展，其发展趋势展望如下：

1高性能化

原材料技术是先进复合材料应用的根抵与前提，直升机

复合材料的高性能化发展是未来的趋势之一。树脂基复合材

料将在发展高强高模增强纤维的同时，提升树脂基体的韧性、

湿热性能及环境适应性能力；金属基复合材料着重于提升损

伤容限及抗疲劳性能；陶瓷复合防弹装甲材料应在提升综合

防护性能的同时进一步减轻质量。

2构造-功能一体化

直升机的服役环境对防雷击性能提出了要求，同时军用

直升机由于战场特殊环境，还应具有隐身（视觉、红外、雷

达和声学）、防弹、电磁屏蔽、耐坠性等功能。未来先进直

升机复合材料应至少具备两种或者更多功能，有效实现复合

材料构造承载-功能（隐身、防弹、防雷击、电磁屏蔽、耐

坠性等）一体化发展将是一大趋势。

3设计-创造一体化

发展以DFM（DesignforManufacture）为核心的设

计-创造一体化技术，其实质是随计算机和创造技术的进步，

采用全新的设计理念^手段，发展数字化、自动化的设计技

术,将设计和创造进一步融为一体，从而加快产品研发进度,

提高质量。实现直升机复合材料创造过程数字化与飞机构造

设计数字化趋向相适应，减少试验次数，缩短研制周期，节

约研发资金，降低废品率及提高生产效率。

4智能化

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智能化是直升机复合材料构造设计亟需关注的研究方

向。开辟直升机复合材料自感知、自诊断、自修复和自适应

智能化技术，可以实现直升机复合材料构造噪声抑制、振动

控制、主动变形和性能监测与损伤自修复。

5低成本化

直升机复合材料全寿命周期的低成本化是未来的发展

趋势，包括材料低成本化、设计低成本化、创造低成本化和

维护低成本化4

个方面。核心是发展低成本创造技术，其主要有：发展

以自动铺带（ATL）和纤维自动铺放（AFP）为核心的自动

化创造技术；发展以共固化/共胶接为核心的大面积整体成型

技术；发展以树脂传递模塑成型技术为核心的低成本创造技

术；发展非热压罐成型技术等。

完毕语

随着近几十年的不断发展，复合材料在直升机上的应用

已发展到主承力构造并实现大范围成熟应用，也推