復(fù)合材料槳葉前緣包鐵研制及使用現(xiàn)狀

王正峰，李志峰

(1.中國人民解放軍駐景德鎮(zhèn)地區(qū)軍事代表室，江西 景德鎮(zhèn) 333002；2.中國直升機設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

直升機旋翼槳葉提供了直升機主要的升力和操縱力，尾槳具有平衡旋翼反扭矩，實現(xiàn)直升機航向操縱和增加航向穩(wěn)定性的作用。隨著材料技術(shù)的不斷發(fā)展進步，作為直升機主要承力結(jié)構(gòu)的大梁、蒙皮等皆已由早期的鋁合金、不銹鋼、鈦合金等金屬材料逐漸轉(zhuǎn)向為以玻璃纖維、碳纖維和卡夫拉纖維為增強材料的復(fù)合材料。但縱觀世界各大主要直升機公司已投入使用的復(fù)合材料槳葉，其前緣仍廣泛采用金屬材料制造的前緣包鐵，而且估計在較長的一段時間內(nèi)這種現(xiàn)狀不會改變。本文在對復(fù)合材料槳葉前緣包鐵環(huán)境使用需求進行分析的基礎(chǔ)上，對前緣包鐵設(shè)計、生產(chǎn)制造、使用維護等方面的現(xiàn)狀進行了闡述，最后提出了一些供探討的想法。

1 環(huán)境使用需求分析

直升機使用范圍已覆蓋了世界的各個角落，直升機經(jīng)受住了各種惡劣地理環(huán)境和極端氣候條件的嚴酷挑戰(zhàn)。作為迎風而上的槳葉，其抵抗各種使用環(huán)境的防護措施是必不可少的。幾十年、幾萬架、上千萬飛行小時的使用實踐表明，作為直升機槳葉最主要的防護措施的前緣包鐵的確承擔起了對砂塵環(huán)境、自然雷電環(huán)境、結(jié)冰環(huán)境的抵抗作用。

1.1 防砂塵

除在近地面由直升機旋翼自身下洗流引起的砂石外，直升機在使用中經(jīng)常會遇到沙塵暴和揚沙等砂塵環(huán)境。沙漠面積占地球總面積的20%左右，沙塵暴主要發(fā)生在沙漠地區(qū)。直升機的砂塵環(huán)境，按其濃度一般分為5級，復(fù)合材料槳葉一般應(yīng)滿足外場砂塵使用環(huán)境2級到3級的要求。

國外各大直升機公司對直升機防砂塵問題進行了大量的研究工作，也進行了試驗驗證。砂塵磨蝕主要出現(xiàn)在槳葉前緣，槳尖的磨損尤為嚴重。這些磨損將導(dǎo)致槳葉失速提前，變距力矩變化量增大，旋翼振動水平上升，最終影響直升機的飛行性能并且降低槳葉的疲勞壽命。目前，主要采用的防護措施是在槳葉翼型段前緣布置金屬包鐵，在槳葉根部前緣、槳葉尖部下表面布置聚氨酯保護帶。

1.2 防雷擊

自然界經(jīng)常發(fā)生兩種不同形式的放電，云對地放電和云間放電。直升機在飛行包線范圍內(nèi)遇到的大部分是云間放電。國外研究表明，云對地放電的強度大于云間放電的強度。因此，用云對地放電的特性作為雷電防護的設(shè)計依據(jù)。

FAR29適航條款要求，雷擊后的槳葉仍需具有抵抗限制載荷的殘余靜強度，具有在飛行載荷條件下返航的能力。依據(jù)飛機電搭接技術(shù)要求以及雷電防護的相關(guān)要求和搭接設(shè)計指南的相關(guān)內(nèi)容，復(fù)合材料槳葉在結(jié)構(gòu)設(shè)計上應(yīng)采取防雷擊措施。雷電在主槳葉槳尖銅網(wǎng)區(qū)(或直接從前緣包鐵)侵入后，經(jīng)金屬前緣包鐵，從槳葉根部搭鐵片(線)傳至機身。前緣包鐵是雷擊電流泄放和傳導(dǎo)的必經(jīng)渠道。

1.3 防除冰

直升機的飛行高度范圍內(nèi)存在著過冷云和凍雨環(huán)境，直升機在這些環(huán)境中飛行時很有可能會出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象。槳葉結(jié)冰將會改變其氣動、平衡和動力學(xué)特性，嚴重時可能危及直升機的飛行安全。

槳葉防除冰設(shè)計方法主要有氣動除冰、熱氣除冰、微波除冰、液體防冰及電加熱等，周期性電加熱方法因其具有技術(shù)成熟、安全可靠等諸多優(yōu)點，已被眾多型號直升機采用。其實現(xiàn)方式是在槳葉前緣布置加熱元件，通電加熱后，熱量傳至前緣包鐵并在包鐵范圍內(nèi)均勻分布，使與包鐵直接接觸的薄薄一層冰融化，其余未融化的冰塊在離心力作用下脫離主槳葉。前緣包鐵目前已成為槳葉防除冰加熱組件不可缺少的組成部分。尾槳葉前緣包鐵在尾槳葉加熱組件中的作用與主槳葉類似。

2 設(shè)計情況

2.1 選材設(shè)計

槳葉前緣包鐵的選材除考慮材料成熟度和供應(yīng)渠道是否暢通外，物理性能方面主要考慮硬度以滿足防砂石要求，考慮電阻率以滿足導(dǎo)電性要求，考慮導(dǎo)熱系數(shù)以滿足防除冰加熱組件導(dǎo)熱性能要求，考慮密度以匹配槳葉重量、靜距控制、弦向重心和展向重心要求；力學(xué)性能方面主要考慮拉伸模量、拉伸強度和疲勞性能指標；防腐性能方面除考慮常規(guī)“三防”要求外，針對經(jīng)常在海洋環(huán)境使用的包鐵還可適當考慮酸性大氣的影響；另外也需同時兼顧生產(chǎn)制造的工藝性要求和槳葉成本控制的經(jīng)濟性指標。

根據(jù)直升機手冊[1]記載，復(fù)合材料槳葉目前主要采用奧氏體不銹鋼材料，部分直升機槳葉采用鈦合金材料，主槳葉尖部異型槳尖和少數(shù)尾槳葉采用鎳包鐵。表1給出了部分直升機主槳葉前緣包鐵的選材情況。

表1 部分主槳葉前緣包鐵的選材情況

2.2 展向尺寸設(shè)計

從防砂塵和防雷擊的角度考慮，槳葉整個展向長度范圍內(nèi)的前緣都需布置包鐵，但由于槳葉根部過渡段外形變化較劇烈會導(dǎo)致生產(chǎn)制造工藝性不好和槳葉揮舞變形較大對包鐵粘接強度的影響較大，包鐵一般不適合在槳葉根部全部布置，其具體的根部起始位置可參考槳葉的展向除冰防護范圍計算結(jié)果確定。槳葉前緣包鐵沿展向可以是一塊完整的包鐵，也可以分成若干段，段與段之間可采用搭接或?qū)訝顟B(tài)。表2給出了部分直升機主槳葉前緣包鐵的展向布置情況。

2.3 弦向尺寸設(shè)計

根據(jù)各大直升機公司槳葉的工程研制經(jīng)驗，滿足防砂塵和防除冰要求的弦向尺寸一般都可滿足防雷擊的要求。因此，槳葉前緣包鐵弦向尺寸主要根據(jù)防砂塵和防除冰需求確定，同時兼顧其自身工藝制造和與槳葉本體粘接工藝實施的可行性。槳葉前緣包鐵沿弦向是完整的，一般不分段。表3 給出了部分直升機主槳葉前緣包鐵的弦向布置情況。

表2 部分直升機主槳葉前緣包鐵展向布置情況

表3 部分直升機主槳葉前緣包鐵弦向布置情況

2.4 厚度設(shè)計

前緣包鐵厚度主要從防砂塵方面考慮，同時兼顧生產(chǎn)制造的工藝性。根據(jù)已知數(shù)據(jù)統(tǒng)計，典型直升機槳葉前緣包鐵的厚度主要集中在0.3mm～0.6mm范圍內(nèi)，一般槳葉翼型段包鐵厚度稍薄，槳葉尖部區(qū)域包鐵厚度稍厚，沿槳葉展向呈階梯狀變化。

2.5 強度分析

重點分析前緣包鐵與槳葉本體的粘接強度。文獻[2]提到，通過標準小試樣試驗獲得前緣包鐵的靜強度極限和疲勞極限，依據(jù)飛行載荷進行粘接剪切動應(yīng)力分析，采用S-N曲線進行疲勞分析驗證。

小樣件靜強度和疲勞試驗在MTS試驗機上進行，采用拉拉載荷加載獲得剪切應(yīng)力。靜強度試驗載荷一直拉伸到破壞，疲勞試驗以調(diào)整載荷在大約100萬次破壞為宜，并完成約6個有效試驗件。通過試驗后分析可得到包鐵粘接的靜強度極限和疲勞極限。

采用飛行載荷進行包鐵與蒙皮粘接層間的剪切應(yīng)力分析，動載荷主要考慮水平轉(zhuǎn)彎大載荷工況并疊加超扭靜載和自轉(zhuǎn)下滑載荷工況。

根據(jù)試驗得到的靜強度極限，結(jié)合飛行最大應(yīng)力，進行靜強度驗證。根據(jù)疲勞極限試驗結(jié)果，結(jié)合飛行交變應(yīng)力分析，采用粘接疲勞S-N曲線，Miner疲勞損傷理論進行疲勞分析驗證。

3 生產(chǎn)制造情況

3.1 機械沖壓成型

機械沖壓成型方式適用于外形相對簡單和規(guī)整的薄壁產(chǎn)品。主、尾槳葉翼型段不銹鋼和鈦合金前緣包鐵主要采用機械沖壓成型，為進一步降低成型后包鐵內(nèi)的殘余應(yīng)力，一般采用一系列不同曲率的沖頭工裝按照一定順序多次分步?jīng)_壓(見圖1)完成。沖壓成型的主要工藝流程為：不銹鋼片滾壓平整→激光下料→沖壓成型。據(jù)了解，包括AC311、AC313直升機在內(nèi)的部分槳葉前緣包鐵還在平板狀態(tài)增加了吹砂工序，以提高粘接界面的粗糙度。一般應(yīng)根據(jù)包鐵規(guī)格尺寸、材料組織結(jié)構(gòu)、材料硬化曲線，確定包括成型溫度在內(nèi)的沖壓成型工藝參數(shù)。

沖壓成型后的包鐵(見圖2)需進行精確的外形檢驗，主要包括包鐵前緣平直度檢查、包鐵內(nèi)表面前緣R角尺寸檢查和包鐵張口量檢查。

圖1 不同工序狀態(tài)下的包鐵開口

圖2 不銹鋼前緣包鐵

3.2 電鑄方式成型

隨著計算機技術(shù)的進步，槳葉氣動精細化設(shè)計得以實現(xiàn)，越來越多的異形槳尖不斷涌現(xiàn)，同時也產(chǎn)生了許多形狀復(fù)雜的槳尖包鐵。另外，槳尖包鐵所在區(qū)域氣動環(huán)境復(fù)雜，相對線速度大且自身與槳葉本體粘接面積小，其包鐵內(nèi)應(yīng)力的不利影響更加突出。

電鑄[3]成型方式可以有效降低產(chǎn)品的內(nèi)應(yīng)力，尤其適用于形狀復(fù)雜的產(chǎn)品。氨基磺酸鎳溶液電鑄應(yīng)力比硫酸鎳溶液和氟硼酸鎳溶液的都低，所以槳葉鎳包鐵普遍采用氨基磺酸鎳溶液進行電鑄。確定電鑄鎳工藝參數(shù)時，主要根據(jù)溶液PH值對電流效率(見圖3)和電鑄應(yīng)力(見圖4)的影響曲線，溫度(見圖5)和電流密度(見圖6)對電鑄應(yīng)力的影響曲線，綜合考慮氨基磺酸液中各化學(xué)成分的比例，并選擇合適的溫度和電流密度。

圖3 PH值對電流效率的影響

圖4 PH值對電鑄應(yīng)力的影響

電鑄包鐵脫模后(圖7)，為了減少手工脫模對零件變形的影響，普遍采用機械切邊方式代替手工切邊，并在打磨、修整機械切邊后(圖8)用專用檢驗?zāi)＞邫z驗。

圖5 溫度對電鑄應(yīng)力的影響

圖6 電流密度對電鑄應(yīng)力的影響

圖7 電鑄包鐵修整前狀態(tài)

圖8 電鑄包鐵修整后狀態(tài)

4 使用維護情況

復(fù)合材料槳葉前緣包鐵全壽命周期內(nèi)的維護工作主要包括視情清洗、定期目視檢查、無損檢測和故障修理四方面。

視情清洗的內(nèi)容主要是用中性清洗液清潔包鐵表面油污、灰塵、昆蟲尸體和表面銹蝕；定期目視檢查的重點是發(fā)現(xiàn)包鐵的磕傷、腐蝕(見圖9)和裂紋(見圖10)等目視可見缺陷；無損檢測主要是人工敲擊檢查或采用無損檢測設(shè)備發(fā)現(xiàn)包鐵與槳葉本體的脫粘缺陷，并確定脫粘區(qū)域；故障修理的內(nèi)容主要是包鐵局部脫粘的現(xiàn)場快速修理。

圖9 前緣包鐵腐蝕故障

圖10 前緣包鐵裂紋故障

維護手冊針對上述故障的大小、深度、面積和檢查間隔期內(nèi)的擴展情況，分門別類地給出了詳細而具體的處理措施，用戶嚴格按要求和程序完成相關(guān)工作后，一般都可快速恢復(fù)使用。針對出現(xiàn)超出用戶手冊規(guī)定的故障，用戶需征求生產(chǎn)部門的意見，嚴重時可返回生產(chǎn)廠家處理。

5 建議

一直以來，復(fù)合材料槳葉前緣包鐵在槳葉設(shè)計、制造和使用維護方面都占有重要地位，工程師可以適時開展如下幾方面的工作：針對海洋環(huán)境，加大前緣包鐵腐蝕防護技術(shù)研究，減少或解決前緣包鐵腐蝕問題；從前緣包鐵新材料或故障檢測技術(shù)方面，探索前緣包鐵故障的實時在線監(jiān)測功能；針對前緣包鐵輔助槳葉防除冰作用方面，開展超疏水材料表面制備技術(shù)應(yīng)用于槳葉前緣包鐵的探索性研究。

參考文獻：

[1] 倪先平，著.直升機手冊[M].北京：航空工業(yè)出版社，2003.

[2] 余 洵，岳 巍，直升機復(fù)合材料槳葉前緣包鐵疲勞評定方法研究[J].直升機技術(shù),2009(3):35-38.

[3] 張忠誠.水溶液沉積技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.