王正峰，李志峰

(1.中國(guó)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(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

直升機(jī)旋翼槳葉提供了直升機(jī)主要的升力和操縱力，尾槳具有平衡旋翼反扭矩，實(shí)現(xiàn)直升機(jī)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(jìn)步，作為直升機(jī)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?yàn)橐圆ＡЮw維、碳纖維和卡夫拉纖維為增強(qiáng)材料的復(fù)合材料。但縱觀世界各大主要直升機(jī)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(jì)在較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)這種現(xiàn)狀不會(huì)改變。本文在對(duì)復(fù)合材料槳葉前緣包鐵環(huán)境使用需求進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對(duì)前緣包鐵設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、使用維護(hù)等方面的現(xiàn)狀進(jìn)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(jī)使用范圍已覆蓋了世界的各個(gè)角落，直升機(jī)經(jīng)受住了各種惡劣地理環(huán)境和極端氣候條件的嚴(yán)酷挑戰(zhàn)。作為迎風(fēng)而上的槳葉，其抵抗各種使用環(huán)境的防護(hù)措施是必不可少的。幾十年、幾萬(wàn)架、上千萬(wàn)飛行小時(shí)的使用實(shí)踐表明，作為直升機(jī)槳葉最主要的防護(hù)措施的前緣包鐵的確承擔(dān)起了對(duì)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(jī)旋翼自身下洗流引起的砂石外，直升機(jī)在使用中經(jīng)常會(huì)遇到沙塵暴和揚(yáng)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(jī)的砂塵環(huán)境，按其濃度一般分為5級(jí)，復(fù)合材料槳葉一般應(yīng)滿足外場(chǎng)砂塵使用環(huán)境2級(jí)到3級(jí)的要求。

國(guó)外各大直升機(jī)公司對(duì)直升機(jī)防砂塵問題進(jìn)行了大量的研究工作，也進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。砂塵磨蝕主要出現(xiàn)在槳葉前緣，槳尖的磨損尤為嚴(yán)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(dòng)水平上升，最終影響直升機(jī)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(hù)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(hù)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(duì)地放電和云間放電。直升機(jī)在飛行包線范圍內(nèi)遇到的大部分是云間放電。國(guó)外研究表明，云對(duì)地放電的強(qiáng)度大于云間放電的強(qiáng)度。因此，用云對(duì)地放電的特性作為雷電防護(hù)的設(shè)計(jì)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(qiáng)度，具有在飛行載荷條件下返航的能力。依據(jù)飛機(jī)電搭接技術(shù)要求以及雷電防護(hù)的相關(guān)要求和搭接設(shè)計(jì)指南的相關(guān)內(nèi)容，復(fù)合材料槳葉在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jī)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(jī)的飛行高度范圍內(nèi)存在著過冷云和凍雨環(huán)境，直升機(jī)在這些環(huán)境中飛行時(shí)很有可能會(huì)出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象。槳葉結(jié)冰將會(huì)改變其氣動(dòng)、平衡和動(dòng)力學(xué)特性，嚴(yán)重時(shí)可能危及直升機(jī)的飛行安全。

槳葉防除冰設(shè)計(jì)方法主要有氣動(dòng)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(diǎn)，已被眾多型號(hào)直升機(jī)采用。其實(shí)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(jì)情況

2.1 選材設(shè)計(jì)

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(qiáng)度和疲勞性能指標(biāo)；防腐性能方面除考慮常規(guī)“三防”要求外，針對(duì)經(jīng)常在海洋環(huán)境使用的包鐵還可適當(dāng)考慮酸性大氣的影響；另外也需同時(shí)兼顧生產(chǎn)制造的工藝性要求和槳葉成本控制的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。

根據(jù)直升機(jī)手冊(cè)[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(jī)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(jī)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(jì)

從防砂塵和防雷擊的角度考慮，槳葉整個(gè)展向長(zhǎng)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(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)制造工藝性不好和槳葉揮舞變形較大對(duì)包鐵粘接強(qiáng)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(hù)范圍計(jì)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(jī)主槳葉前緣包鐵的展向布置情況。

2.3 弦向尺寸設(shè)計(jì)

根據(jù)各大直升機(jī)公司槳葉的工程研制經(jīng)驗(yàn)，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(shí)兼顧其自身工藝制造和與槳葉本體粘接工藝實(shí)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(jī)主槳葉前緣包鐵的弦向布置情況。

表2 部分直升機(jī)主槳葉前緣包鐵展向布置情況

表3 部分直升機(jī)主槳葉前緣包鐵弦向布置情況

2.4 厚度設(shè)計(jì)

前緣包鐵厚度主要從防砂塵方面考慮，同時(shí)兼顧生產(chǎn)制造的工藝性。根據(jù)已知數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，典型直升機(jī)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(qiáng)度分析

重點(diǎn)分析前緣包鐵與槳葉本體的粘接強(qiáng)度。文獻(xiàn)[2]提到，通過標(biāo)準(zhǔn)小試樣試驗(yàn)獲得前緣包鐵的靜強(qiáng)度極限和疲勞極限，依據(jù)飛行載荷進(jìn)行粘接剪切動(dòng)應(yīng)力分析，采用S-N曲線進(jìn)行疲勞分析驗(yàn)證。

小樣件靜強(qiáng)度和疲勞試驗(yàn)在MTS試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用拉拉載荷加載獲得剪切應(yīng)力。靜強(qiáng)度試驗(yàn)載荷一直拉伸到破壞，疲勞試驗(yàn)以調(diào)整載荷在大約100萬(wàn)次破壞為宜，并完成約6個(gè)有效試驗(yàn)件。通過試驗(yàn)后分析可得到包鐵粘接的靜強(qiáng)度極限和疲勞極限。

采用飛行載荷進(jìn)行包鐵與蒙皮粘接層間的剪切應(yīng)力分析，動(dòng)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(yàn)得到的靜強(qiáng)度極限，結(jié)合飛行最大應(yīng)力，進(jìn)行靜強(qiáng)度驗(yàn)證。根據(jù)疲勞極限試驗(yàn)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(jìn)行疲勞分析驗(yàn)證。

3 生產(chǎn)制造情況

3.1 機(jī)械沖壓成型

機(jī)械沖壓成型方式適用于外形相對(duì)簡(jiǎn)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(jī)械沖壓成型，為進(jìn)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(jī)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(jìn)行精確的外形檢驗(yàn)，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(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，槳葉氣動(dòng)精細(xì)化設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn)，越來越多的異形槳尖不斷涌現(xiàn)，同時(shí)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(dòng)環(huán)境復(fù)雜，相對(duì)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(jìn)行電鑄。確定電鑄鎳工藝參數(shù)時(shí)，主要根據(jù)溶液PH值對(duì)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(duì)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(duì)電流效率的影響

圖4 PH值對(duì)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(duì)零件變形的影響，普遍采用機(jī)械切邊方式代替手工切邊，并在打磨、修整機(jī)械切邊后(圖8)用專用檢驗(yàn)?zāi)＞邫z驗(yàn)。

圖5 溫度對(duì)電鑄應(yīng)力的影響

圖6 電流密度對(duì)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(hù)情況

復(fù)合材料槳葉前緣包鐵全壽命周期內(nèi)的維護(hù)工作主要包括視情清洗、定期目視檢查、無損檢測(cè)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(diǎn)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(cè)主要是人工敲擊檢查或采用無損檢測(cè)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(chǎng)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(hù)手冊(cè)針對(duì)上述故障的大小、深度、面積和檢查間隔期內(nèi)的擴(kuò)展情況，分門別類地給出了詳細(xì)而具體的處理措施，用戶嚴(yán)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(duì)出現(xiàn)超出用戶手冊(cè)規(guī)定的故障，用戶需征求生產(chǎn)部門的意見，嚴(yán)重時(shí)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(jì)、制造和使用維護(hù)方面都占有重要地位，工程師可以適時(shí)開展如下幾方面的工作：針對(duì)海洋環(huán)境，加大前緣包鐵腐蝕防護(hù)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(cè)技術(shù)方面，探索前緣包鐵故障的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)功能；針對(duì)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(xiàn)：

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

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

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