铁翼飞旋！托起国产直升机蓝天梦

荳丁_ · 发表于 2023-4-21 15:48:27

出品|网易新闻
导语：对于目前最有效的的可悬停飞行器——直升机，旋翼系统是它的升力担当。从仿制到自研，数十年间，我国直升机的旋翼的结构与材料经历怎样的进化史；雪域高原上，新一代旋翼又是如何打破国外有关技术垄断，托起国产新一代直升机到达新高度？

图源：央视军事

一、“铁翼飞旋”如何让直升机飞向天空
旋翼是直升机的重要部件。早在15世纪，人们便畅想用螺旋桨，达成人类实现垂直升空的目标。在经历若干世纪的“螺旋上升式”后，旋翼及搭载它的飞行器——直升机在固定翼飞机诞生的30多年后成功飞行。

早在15世纪，达芬奇即绘制了第一个直升机旋翼设计图

在直升机飞行过程中，旋翼与空气作相对运动，产生升力和拉力双重作用，旋翼的发展史在很大程度上可视为一部直升机发展史。我国的直升机旋翼技术始于对苏联米-4直升机的国产化。随着国内直升机工业的发展，旋翼技术也经历了从测绘仿制、参考样机设计、国际合作，逐步过渡到自研设计，锻造出中国的“飞旋铁翼”。

米-4多用途直升机

二、将国产直升机托向蓝天，每一片桨叶都在努力
在整个旋翼系统中，主桨叶是升力的重要来源。除了升力之外，前飞的直升机旋翼叶片也会受到周期性的阻力影响，产生严重的交变应力问题，使翼根疲劳断裂。这就需要抗疲劳、抗拉伸的桨叶材料。
（一）“天然原材”到“科技狠活”的变迁。
最早仿制生产的直5采用的桨叶为木质材料制成；不久又升级为全金属桨叶，使用寿命与维护性明显提升。但随着国产直升机起飞重量与飞行速度不断提高，金属桨叶的性能愈发捉襟见肘：直升机基本上是依靠增加桨叶长度、数量来实现提升升力的目标。
随着长度增加，桨叶在停放时会自然下垂、影响起降安全，飞行时桨叶外端因承受的升力更大而上翘、反而损失升力，若要避免这种情况需要增加桨叶刚度，这会让叶片重量节节攀升同时牺牲桨叶寿命。因而从80年代中期开始，我国旋翼桨叶材料踏上了一条全新又陌生的道路：复合材料桨叶。

直升机复材桨叶示意图图源：航空工业

（二）从“玻纤”到“碳纤”，复材桨叶新演绎。
相比其他材质，复合材料桨叶的疲劳性能、抗腐蚀性更强，维护保养便利、使用寿命更佳；且复合材料的设计性很高，更轻巧，可根据翼型和受力需求设计复合材料旋翼的承载方式，对结构受力形式进行优化，使之更能做大做强。
我国最早应用复合材料桨叶的直-9直升机，采用玻璃纤维材料/树脂层压材料桨叶，其寿命已经超过3000飞行小时，远高于同期金属桨叶800小时水平；换装复合材料桨叶的直8F，单片桨叶重量由原来的109kg减轻到约50kg。而在AC-313、直20等新一代直升机所采用碳纤维材料为代表的新一代复合材料桨叶，更具有高比强度、高比模量、耐腐蚀、耐疲劳等优良的特性。

直-10复材桨叶切皮结构图源：央视频《军工科技》

（三）如何用匠心织就新一代“铁翼”
由于碳纤维复合材料具有一定脆性，本身抗冲击性较差，在受到冲击后会产生微小的裂纹并不断扩展，增加损伤程度从而产生不同的破坏机制、影响桨叶寿命甚至飞行安全。而桨叶制造历经原材料供应、零组件制造、定位装配、桨叶模压成型、桨叶加工及检测，工序多达30道，每一环节都需严格控制桨叶制造精度、性能指标。为此，我国在试制中重点攻关了模具定位、油道布置以及深加工和热膨胀系统不一致的技术难题，专门设计制造了大型桨叶模压系统，成功实现了开合模、桨叶铺覆和模压成型等全部工艺过程操作和控制。

国产复合材料旋翼生产现场图自：复材应用技术网

新材料与工艺的运用使国内新一代复合材料桨叶寿命提高到6000飞行小时；桨叶尺度也大幅提升——在本世纪初国内仅能生产最长约8米的复合材料桨叶，到2019年国内已成功试制出约14米的复合材料桨叶，在填补超大型旋翼桨叶研制技术空白的同时，为后续更大的国产直升机研制奠定技术基础。
三、如何打造撑起桨叶的牢靠“关节”
除桨叶外，连接起发动机转动轴和桨叶的桨毂也是旋翼的主要组件。在上世纪90年代前，我国直升机采用的铰接式桨毂结构，其构造复杂、维护工作量大、疲劳寿命低。到上世纪90年代国内在无铰式柔性桨毂上取得突破，因取消挥舞铰、摆振铰，带之以一个粘弹弹性轴承，实现桨叶挥舞、摆振、扭转等三个功能。这使得旋翼结构更加简单，使用寿命、可靠性更高。

与米-17（左）相比，我国自研直升机（右）的的桨毂性能提升

无铰桨毂取消了铰接结构，桨毂中央件须承受旋翼系统主要载荷，飞行中承力达桨叶十数倍，因此桨毂中央件的结构及选材设计尤为重要。早期直-9等中轻型直升机采用热压成型的玻璃钢制成，工艺较金属机加工件简单。
随着直20、AC-313等通用/重型直升机的研发推进，玻璃钢材质的桨毂已无法撑起国产直升机成倍提升的起飞重量与旋翼尺寸。为了保证桨毂较轻的重量及高寿命与强度要求，AC-313、直20等使用的无铰链桨毂中央件采用国内新研高强高韧的TB6钛合金材,配合金属 /橡胶叠层结构的弹性轴承，让桨毂在结构重量减轻的同时使用寿命更高。

珠海航展中展示AC313直升机钛合金桨毂图源：看航空

由于此前我国从未有此尺寸的一体式钛合金加工经验，为克服钛合金化学性能活泼、磨削温度高以及强度高、韧性好导致切屑变形系数大等问题，国内通过大量材料疲劳试验，不断优化桨毂钛合金中央件的细节设计，严格控制零件加工和运转过程，并运用用了钛合金喷丸强化技术，”从而明显提高国产钛合金桨毂的疲劳寿命。
四、高原高寒，如何给国产旋翼“破冰吹雪”
我国直升机的活动区域有相当地域多高山、高原、盆地，多属于高寒气候。旋翼在面临西北部高寒地区、冻雨等环境温度低于-10℃条件下飞行条件等等，前缘很可能出现结冰现象。这会改变旋翼的质量分布，影响其表面的光滑程度，使旋翼周围的附面层紊流化，直接影响直升机飞行安全。
因此，国际国内都应用各种旋翼防/除冰装置。如直到本世纪初，我国直升机桨叶防/除冰措施就是利用在桨叶表面喷洒大量的酒精。但液体防冰作用时间短，一般为30~40分钟，且只能防冰而无法除冰；大量防冰液还增加了直升机的重量、增加能耗。上世纪80年代后国外研制了电热式防/除冰系统，具有更轻的重量与更高的除冰效率。面对新型直升机全域飞行的高效除冰需求，以及西方国家的技术垄断局面，国内自本世纪初期开始自研电热式防/冰系统。

在雪域高原中作业的国产直升机图源：央视频截图

旋翼除冰技术的关键是通过对复合材料内埋加热组件的热功率密度进行精准控制。此外，加热组件埋在桨叶中，如何在桨叶高速旋转下保证组件的寿命和可靠性，涉及的技术问题非常复杂。但是我国技术人员经过努力，通过1500小时的不间断试验，验证了集流环电源核心部件电刷、导电环材料稳定性等，最终攻克了这项先进的旋翼除冰技术。在2014年，完成某型直升机地面旋翼冰雾喷洒试验验证，并在此后装备多型国产直升机，让其得以在包括皑皑白雪青藏高原的在内的寒区上空自由翱翔。

正在地面结冰模拟实验的国产直升机桨叶图源：中国航空报

结语
在国内研发团队的不懈努力下，其创新研发的新一代旋翼成功撑起共和国低空的脊梁，不断创造出国产直升机最大起飞重量、最大飞行高度等新的记录。随着直升机技术发展日新月异，我国又相继开展了具备自适应控制的智能旋翼等第五代旋翼研发工作，不断推动国内旋翼领域新技术的发展。
参考文献
[1] 西北工业大学：《大风起兮云飞扬——记中航工业直升机所副所长邓景辉》[EB/OL].https://npuinternationalcollege.nwpu.edu.cn/info/1101/2612.htm
[2] 中国航空新闻网：中航工业昌飞成功研制亚洲最大的复合材料桨叶.[EB/OL].http://www.cannews.com.cn/2014/0619/97533.shtml
[3] 孟庆华.直升机复合材料桨叶厂房工艺设计浅析[J].建筑工程技术与设计.2015.11
[4] 金坤健，李孝松，李满福，程景涛.某型机钛合金桨毂中央件设计改进及试验评估[J].直升机技术.2010.2
[5]兵工科技公众号：《你知道吗？直-20上高原攻克的这项关键技术，世界上掌握它的国家数量比能研制氢弹的还少》

蔠夜 · 发表于 2023-4-21 16:48:51

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