■ 王帥 梁福東 魯雄/中國(guó)航發(fā)動(dòng)研所

復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比模量高、抗疲勞性能好的特點(diǎn)。根據(jù)直升機(jī)尾傳動(dòng)軸、動(dòng)力傳動(dòng)軸、旋翼軸以及機(jī)匣的受力情況，利用復(fù)合材料各向異性的特點(diǎn)，可將復(fù)合材料應(yīng)用于直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的各個(gè)部件。

先進(jìn)復(fù)合材料的研發(fā)，源于對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)效率的提高和性能改善的需求，并在飛機(jī)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用上取得了顯著的效果。在飛行器中，復(fù)合材料的用量已占到結(jié)構(gòu)質(zhì)量的24%～30%。一些先進(jìn)直升機(jī)，如RAH-66、“虎”、NH-90、EH101等，機(jī)體結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的用量已達(dá)到結(jié)構(gòu)質(zhì)量的50%左右，甚至更高。同時(shí)，復(fù)合材料已逐步應(yīng)用于轉(zhuǎn)動(dòng)件、承力件。

圖1 UH-60M復(fù)合材料尾傳動(dòng)軸

圖2 復(fù)合材料尾傳動(dòng)軸端口結(jié)構(gòu)

復(fù)合材料在直升機(jī)尾傳動(dòng)軸的應(yīng)用

在直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中，尾傳動(dòng)軸部件相對(duì)于其他部件而言受力單一、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，故復(fù)合材料在尾傳動(dòng)軸部件的應(yīng)用比較廣泛。

西科斯基直升機(jī)公司在UH-60中采用的是鋁合金亞臨界軸，為了提高尾傳動(dòng)軸的強(qiáng)度、抗腐蝕能力，在UH-60M上換裝了復(fù)合材料尾傳動(dòng)軸（見(jiàn)圖1和圖2），并進(jìn)行了有限元分析、靜力試驗(yàn)及疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證，證明了方案的可行性。

貝爾直升機(jī)公司的427輕型雙發(fā)直升機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)尾傳動(dòng)軸由2段鋼軸和5段亞臨界鋁軸組成，而貝爾429的傳動(dòng)系統(tǒng)尾傳動(dòng)軸將后面5段亞臨界鋁軸改成了2段超臨界復(fù)合材料尾傳動(dòng)軸。貝爾429和貝爾427的轉(zhuǎn)速相同，但貝爾429的尾傳動(dòng)軸連續(xù)功率提升了40%，且尾傳動(dòng)軸的零件數(shù)量減少，質(zhì)量減輕11%。

復(fù)合材料在直升機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)軸的應(yīng)用

直升機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速高，傳扭大。利用復(fù)合材料比強(qiáng)度高、比模量高、抗疲勞性能好的特點(diǎn)，可將動(dòng)力傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)成復(fù)合材料軸和聯(lián)軸節(jié)一體化結(jié)構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)中，軸管與膜盤聯(lián)軸器采用復(fù)合材料樹(shù)脂傳遞模塑法成形，其內(nèi)表面覆有干纖維編織布，采用編織法加工工藝以提高其抗彈擊能力；金屬花鍵鉚接在與發(fā)動(dòng)機(jī)連接端的復(fù)合材料軸管上。一體化動(dòng)力傳動(dòng)軸可以在全生命周期外場(chǎng)使用中始終保持原始平衡狀態(tài)，不致于因?yàn)榱慵乃蓜?dòng)或更換影響平衡。動(dòng)力傳動(dòng)軸適應(yīng)角向偏斜的能力及其臨界轉(zhuǎn)速可以通過(guò)改變材料的剛度來(lái)提升。一體化復(fù)合材料軸與聯(lián)軸節(jié)足以承擔(dān)扭矩及角向偏斜，其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 一體化復(fù)合材料軸和聯(lián)軸節(jié)結(jié)構(gòu)

圖4 XV-15鋼旋翼軸

圖5 復(fù)合材料/鋼旋翼軸

復(fù)合材料在直升機(jī)旋翼軸的應(yīng)用

西科斯基公司在先進(jìn)旋翼傳動(dòng)系統(tǒng)研究（ART）項(xiàng)目中，主減速器旋翼軸采用動(dòng)靜旋翼軸構(gòu)型，并以支架代替靜軸傳遞旋翼載荷，通過(guò)6個(gè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)支架安裝在機(jī)體上，支架為截面尺寸均勻變化的矩形管，復(fù)合材料構(gòu)件采用樹(shù)脂傳遞模塑，組合固化。

貝爾公司針對(duì)XV-15鋼制旋翼軸（見(jiàn)圖4），設(shè)計(jì)了承載能力相同的復(fù)合材料/鋼旋翼軸（見(jiàn)圖5）。復(fù)合材料/鋼旋翼軸與XV-15鋼旋翼軸外徑相同，外輪廓不變，內(nèi)徑做了修改，減小了壁厚（將薄壁厚區(qū)域減小到原壁厚的1/2左右），孔內(nèi)熱固化安裝碳纖維復(fù)合材料套筒。復(fù)合材料套筒共計(jì)鋪設(shè)12層，每層的纖維方向相同，主要由±45°交替鋪層構(gòu)成，此外還用了幾層15°方向的預(yù)浸帶以提高軸向剛度。

經(jīng)分析，鋼旋翼軸與復(fù)合材料／鋼旋翼軸的鋼軸部分的應(yīng)力分布、靜強(qiáng)度與疲勞強(qiáng)度基本相同，兩軸的扭轉(zhuǎn)剛度相同。復(fù)合材料／鋼旋翼軸的復(fù)合材料套筒部分的應(yīng)力相對(duì)較低，最大纖維應(yīng)變小于0.2%。由于復(fù)合材料的固化溫度為176.67°C，以及鋼的熱膨脹系數(shù)高于復(fù)合材料，復(fù)合材料與鋼之間總是處于壓縮狀態(tài)，排除了復(fù)合材料與鋼分離的可能。復(fù)合材料／鋼旋翼軸的鋼軸部分出現(xiàn)故障時(shí)，復(fù)合材料纖維承受應(yīng)力，有足夠的安全裕度。若復(fù)合材料套筒出現(xiàn)故障時(shí)，鋼軸仍能承受最大載荷繼續(xù)使用30min。其中，XV-15鋼旋翼軸質(zhì)量為9.9kg，復(fù)合材料/鋼旋翼軸質(zhì)量為8.5kg，減輕14%。

復(fù)合材料在傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)驅(qū)動(dòng)軸的應(yīng)用

復(fù)合材料不僅應(yīng)用于直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)，在傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)等先進(jìn)飛行器中也有應(yīng)用。AW609是由萊奧納多公司和貝爾直升機(jī)公司聯(lián)合生產(chǎn)的輕型、雙發(fā)多用途傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)。該旋翼機(jī)中的軸、聯(lián)軸器統(tǒng)稱為互聯(lián)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)將動(dòng)力傳遞給互聯(lián)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，從而帶動(dòng)安裝在傾斜軸變速箱和中間機(jī)翼變速箱上的附件運(yùn)動(dòng)，此時(shí)互聯(lián)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上轉(zhuǎn)子之間的轉(zhuǎn)矩瞬變連續(xù)不斷地進(jìn)行。除了傳遞軸動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)部件作為飛機(jī)上的組成部分，將轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的力轉(zhuǎn)移到機(jī)體，也為飛行控制制動(dòng)器和軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組件提供前發(fā)動(dòng)機(jī)架和安裝座。AW609互聯(lián)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由2根主軸（見(jiàn)圖6）、6根側(cè)軸（見(jiàn)圖7）組成，均由復(fù)合材料軸管和花鍵接頭/端齒盤組成。

圖6 驅(qū)動(dòng)軸主軸

圖7 驅(qū)動(dòng)軸側(cè)軸

圖8 ART復(fù)合材料機(jī)匣

復(fù)合材料在直升機(jī)機(jī)匣的應(yīng)用

減速器機(jī)匣的形狀和受載復(fù)雜，要求耐疲勞、耐高溫、耐油等，主要由高強(qiáng)度鎂鋁合金材料精鑄而成，質(zhì)量大且加工難度高，目前廣泛應(yīng)用于貝爾、波音、萊奧納多和空客等公司的直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)匣中。而復(fù)合材料具有很好的可設(shè)計(jì)性和耐腐蝕性，疲勞壽命長(zhǎng)，耐彈擊損傷等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于減速器殼體，不僅可以有效減重，還可提高殼體性能，相比鋁鎂合金，具有很大優(yōu)勢(shì)。

CH-47直升機(jī)曾用復(fù)合材料纖維纏繞法進(jìn)行了設(shè)計(jì)制造研究，取得了很大進(jìn)展。利用復(fù)合材料力學(xué)理論，通過(guò)材料力學(xué)設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮纖維拉伸強(qiáng)度高的特性，可承受內(nèi)／外壓、彎曲、扭轉(zhuǎn)及軸向載荷，具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕、成本低、質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，生產(chǎn)效率高。

普惠公司在樹(shù)脂基復(fù)合材料風(fēng)扇機(jī)匣技術(shù)方面已有較為成熟的技術(shù)。F119和F135發(fā)動(dòng)機(jī)采用了樹(shù)脂基復(fù)合材料外涵機(jī)匣，質(zhì)量減輕和成本降低的效果比較明顯。F119發(fā)動(dòng)機(jī)外涵道機(jī)匣采用碳纖維增強(qiáng)聚酰亞胺基復(fù)合材料，其工藝采用Dow-UT公司研發(fā)的先進(jìn)樹(shù)脂傳遞膜塑技術(shù)制造，工作溫度為316℃，質(zhì)量減輕了15%～20%，成本降低了30%～35%。這種制造技術(shù)可以制造形狀復(fù)雜的進(jìn)氣機(jī)匣，其所有外部氣流通道的表面粗糙度、最終尺寸精度可與經(jīng)機(jī)械加工的鈦合金進(jìn)氣機(jī)匣相媲美，并可減少進(jìn)氣機(jī)匣的零件數(shù)和取消一些勞動(dòng)密集型的裝配工序，從而大幅度減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量和降低成本。

在ART項(xiàng)目中，傳動(dòng)系統(tǒng)采用碳纖維復(fù)合材料機(jī)匣，如圖8所示。復(fù)合材料機(jī)匣質(zhì)量輕、耐腐蝕，可以解決鎂合金機(jī)匣普遍存在的腐蝕問(wèn)題。所選用的材料可在潤(rùn)滑油環(huán)境、機(jī)匣溫度高的條件下工作。與具有高的耐腐蝕性、能在較高溫度下工作的WE43鎂合金相比，復(fù)合材料具有輕量化的優(yōu)勢(shì)。ART機(jī)匣采用樹(shù)脂傳遞模塑法成形，軸承及其他機(jī)加工表面采用短纖維及熱彈性樹(shù)脂注射成形（如PEEK）。

結(jié)束語(yǔ)

先進(jìn)直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)為了追求高疲勞性能、輕量化、高耐腐蝕性，充分利用復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性、低密度、高強(qiáng)度、高模量的特點(diǎn)，將其廣泛應(yīng)用于直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的各部件。結(jié)合當(dāng)前實(shí)際，分析直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中各部件的受力情況，開(kāi)展復(fù)合材料關(guān)鍵技術(shù)研究和創(chuàng)新，推進(jìn)復(fù)合材料的工程化應(yīng)用，符合未來(lái)直升機(jī)輕量化、長(zhǎng)壽命、可靠性高、高效能的發(fā)展趨勢(shì)。