崔德剛，昝丙合，張睿，李兵

(1.中國航空工業(yè)集團(tuán)公司科學(xué)技術(shù)委員會，北京 100012；2.航空工業(yè)惠陽航空螺旋槳有限責(zé)任公司，保定 071052；3.中國航空研究院，北京 100012)

0 引言

螺旋槳飛機(jī)具有效率高、經(jīng)濟(jì)性好、起降距離短等優(yōu)點。因此我國中型運(yùn)輸機(jī)、支線飛機(jī)、特種飛機(jī)和通用飛機(jī)，廣泛采用渦輪螺旋槳作為動力裝置。

中大型飛機(jī)螺旋槳是當(dāng)代運(yùn)輸機(jī)和支線飛機(jī)的主要空氣動力部件，是直接關(guān)系到飛機(jī)的飛行性能和飛行安全的重要部件。螺旋槳設(shè)計，除了提供螺旋槳的空氣動力外形，確保其在起飛著陸狀態(tài)和主要飛行工作狀態(tài)均能達(dá)到預(yù)期指標(biāo)以外，還要求結(jié)構(gòu)有足夠的靜、動強(qiáng)度。同時，輕量化設(shè)計、惡劣環(huán)境下的結(jié)構(gòu)安全、數(shù)萬小時的飛行壽命、外場良好的維護(hù)性能、單槳葉替換等全生命周期等更高的要求，給螺旋槳設(shè)計帶來了新的更大挑戰(zhàn)。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，新一代中大型飛機(jī)螺旋槳（下文簡稱新螺旋槳）整體發(fā)展趨勢是輕量化設(shè)計和精確操控性。主要體現(xiàn)在：將原有的金屬（鋁合金）槳葉和合金鋼槳轂結(jié)構(gòu)替換成全新的高性能復(fù)合材料槳葉和鋁合金槳轂；更高效的螺旋槳空氣動力外形；更輕的新螺旋槳的結(jié)構(gòu)重量。新螺旋槳的控制由原來的機(jī)械式槳矩調(diào)整機(jī)構(gòu)發(fā)展成螺旋槳電子控制器（PEC），并與發(fā)動機(jī)全權(quán)限數(shù)字控制系統(tǒng)（FADEC）集成，實現(xiàn)了精確的實時控制功能?？傮w上實現(xiàn)了與國際螺旋槳性能同步。

先進(jìn)螺旋槳面臨國外產(chǎn)品壟斷和技術(shù)封鎖。我國依靠自力更生，克服了大量的困難，開始了新一代新螺旋槳的研制，這是我國螺旋槳飛機(jī)縮小與國際先進(jìn)水平差距的重要工程。新螺旋槳在空氣動力布局和外形上要求更加復(fù)雜和精準(zhǔn)，對于結(jié)構(gòu)設(shè)計必須在傳統(tǒng)的研制方法基礎(chǔ)上，尋求更完整和科學(xué)的飛機(jī)結(jié)構(gòu)研制規(guī)范和方法，以確保新螺旋槳的成功研制。在新螺旋槳研制過程中，2012 年適逢國軍標(biāo)《軍用飛機(jī)結(jié)構(gòu)完整性大綱》[1]（GJB 775A—2012，以下簡稱《大綱》）頒布，為飛機(jī)結(jié)構(gòu)全生命周期提出了一套完整的設(shè)計、制造、試驗、試飛、審定、用戶使用規(guī)范、實施方法的路線圖。

《大綱》在頒布后成為當(dāng)下結(jié)構(gòu)設(shè)計的較新標(biāo)準(zhǔn)[2]。螺旋槳設(shè)計在延續(xù)傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的基礎(chǔ)上，較其他部件更早地開展了貫徹《大綱》要求和實施方法[3-5]的嘗試，在這個過程中不斷地提升了新螺旋槳的結(jié)構(gòu)設(shè)計水平，也提升了結(jié)構(gòu)的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。新螺旋槳（設(shè)計方法）經(jīng)適航局審定，得到了民用航空CCAR-35 部的適航認(rèn)證。

本文介紹了我國新螺旋槳結(jié)構(gòu)設(shè)計遵照《軍用飛機(jī)結(jié)構(gòu)完整性大綱》的要求和實施方法，歷時20 年所進(jìn)行的新螺旋槳結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。通過對《大綱》的貫徹，螺旋槳結(jié)構(gòu)設(shè)計不斷改進(jìn)和完善，成功實現(xiàn)了用戶提出的空氣動力和結(jié)構(gòu)設(shè)計目標(biāo)。

1 在新螺旋槳研制全生命周期貫徹《大綱》

為滿足螺旋槳的功能和性能（特別是空氣動力性能）需求，新螺旋槳結(jié)構(gòu)設(shè)計面臨巨大困難和挑戰(zhàn)，亟需尋找一套能保證產(chǎn)品全生命周期、高質(zhì)量、一次成功的設(shè)計方法?！盾娪蔑w機(jī)結(jié)構(gòu)完整性大綱》（aircraft structural integrity program,ASIP）的公布，為新螺旋槳的研制給出了設(shè)計、驗證規(guī)范和實施方法，保障了避免設(shè)計缺陷、實現(xiàn)結(jié)構(gòu)健壯性，以減少結(jié)構(gòu)故障和制造中的返工，并可在保證飛機(jī)安全性的前提下進(jìn)一步優(yōu)化產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性和飛機(jī)的實用性[6-7]?！洞缶V》提出了一套完整的飛機(jī)全生命周期的記錄可追蹤性的要求，使得每一個產(chǎn)品的全生命周期過程可追溯，由此既可以找到問題的根源，又可以為今后的螺旋槳研制提供完整的數(shù)據(jù)依據(jù)?！洞缶V》是非常寶貴的指導(dǎo)性文件，也是新螺旋槳研制需要遵照的指南。

1.1 貫徹《大綱》的主要要求

《大綱》提出了滿足使用安全性、適用性和戰(zhàn)斗力結(jié)構(gòu)完整性的要求，確定、評估、驗證和審定分析飛機(jī)的方法，應(yīng)用維護(hù)數(shù)據(jù)產(chǎn)生服役階段的飛機(jī)結(jié)構(gòu)完整性評價，可為用戶結(jié)構(gòu)制訂維護(hù)計劃、風(fēng)險管理、壽命管理和成本等提供定量數(shù)據(jù)，并為改進(jìn)飛機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、評估與驗證方法提供依據(jù)。

螺旋槳結(jié)構(gòu)研制的全生命周期中逐漸貫徹了上述《大綱》的要求。

1.2 新螺旋槳研制貫徹《大綱》的重要意義

傳統(tǒng)的飛機(jī)螺旋槳結(jié)構(gòu)設(shè)計分為設(shè)計、制造、試驗試飛和使用階段。傳統(tǒng)的飛機(jī)螺旋槳結(jié)構(gòu)設(shè)計方法在新螺旋槳研制的各階段中主要考慮的是滿足氣動力、強(qiáng)度、氣動彈性和壽命的要求，而對于新螺旋槳設(shè)計中的制造、使用維護(hù)的全生命周期等考慮不足。因為沒有一套完整的全生命周期的總體設(shè)計規(guī)劃，造成研制過程中出現(xiàn)問題和返工情況比較多。本文將通過介紹一個新螺旋槳研制中的經(jīng)歷，來體現(xiàn)貫徹《大綱》的重要性。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)完整性是在原飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上，突出強(qiáng)調(diào)對飛機(jī)研制全生命周期的“過程控制”，確保在任何批次的飛機(jī)都能夠保證高質(zhì)量研發(fā)和服役。螺旋槳結(jié)構(gòu)設(shè)計階段和制造階段暴露出的問題遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于使用階段出現(xiàn)的問題，螺旋槳滿足用戶需求主要是依靠使用階段的問題跟蹤與反饋，使得產(chǎn)品不斷成熟和滿足飛機(jī)壽命要求。新螺旋槳的研制過程也證明了執(zhí)行《大綱》的必要性。

圖1 給出了螺旋槳研制各階段與《軍用飛機(jī)結(jié)構(gòu)完整性大綱》主計劃任務(wù)的對應(yīng)關(guān)系示意圖。

2 新螺旋槳方案設(shè)計階段《大綱》對結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求

方案設(shè)計階段的主要任務(wù)是，根據(jù)飛機(jī)新螺旋槳設(shè)計要求，采用分析手段和結(jié)構(gòu)研制的工程經(jīng)驗，開展新螺旋槳選材和結(jié)構(gòu)設(shè)計?！洞缶V》提出的要求是：確定新螺旋槳結(jié)構(gòu)設(shè)計準(zhǔn)則，明確用戶對螺旋槳結(jié)構(gòu)研制的需求，形成結(jié)構(gòu)方案，并在新螺旋槳全生命周期的各個階段陸續(xù)完成。

2.1 新螺旋槳研制的需求和任務(wù)

由于型號的發(fā)展，用戶對新螺旋槳研制提出了更高的任務(wù)指標(biāo)：更高的空氣動力設(shè)計指標(biāo)和更低的螺旋槳噪聲要求，使發(fā)動機(jī)具備更高效的動力；增加槳葉數(shù)并有效地減輕螺旋槳結(jié)構(gòu)重量和結(jié)構(gòu)耐久性，滿足產(chǎn)品的維修性和壽命要求；提升螺旋槳的控制精度和可靠性，實現(xiàn)螺旋槳的電調(diào)操縱。

2.2 新螺旋槳研制的技術(shù)要求

飛機(jī)總體設(shè)計對螺旋槳的具體技術(shù)要求包括：

1）功能要求。包括在地面和飛行包線內(nèi)向飛機(jī)提供所需的拉力和地面反槳功能；槳葉具有除冰保護(hù)功能；具備防雷擊、防電磁輻射、防靜電功能；新螺旋槳能承受發(fā)動機(jī)嚴(yán)重情況的氣動力和慣性力載荷；具有失效安全保護(hù)功能；外場實現(xiàn)單片槳葉更換功能。

2）總體性能要求。使用包線（包括高度、速度）要求，拉力、反推力需求及工作姿態(tài)等；各種飛行狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速、空氣動力效率；工作環(huán)境條件（包括溫度、濕度、高度及振動環(huán)境等）；防冰系統(tǒng)要求；外廓尺寸和重量要求。

3）適航要求。新螺旋槳應(yīng)參照CCAR-35 部《螺旋槳適航標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的壽命、首翻期、翻修間隔期及貯存期要求。

4）通用質(zhì)量特性要求。包括可靠性、維修性、安全性及環(huán)境適應(yīng)性等。

需要綜合上述研制技術(shù)要求，將其轉(zhuǎn)換成螺旋槳設(shè)計的具體要求和準(zhǔn)則。

螺旋槳結(jié)構(gòu)設(shè)計的復(fù)雜性在于既要承受旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的空氣動力拉力和反推力，又要承受旋轉(zhuǎn)帶來的巨大離心力載荷。螺旋槳結(jié)構(gòu)設(shè)計必須考慮同時承受這兩個幾乎呈90°方向的載荷。

螺旋槳槳葉采用全新的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計，類似于一個小翼面結(jié)構(gòu)。新螺旋槳設(shè)計與原來金屬結(jié)構(gòu)螺旋槳設(shè)計有著巨大的差異，必須遵照FAACompositeAircraftStructure（《復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)》，AC20-107B）[8]的研制要求實施。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計準(zhǔn)則

按照《大綱》的規(guī)范，需要確定復(fù)合材料槳葉和輕合金槳轂的結(jié)構(gòu)設(shè)計準(zhǔn)則。螺旋槳作為旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，螺旋槳上的載荷比飛機(jī)結(jié)構(gòu)的載荷更為復(fù)雜。此外，新螺旋槳由于槳葉和槳轂材料體系的更新，其強(qiáng)度設(shè)計準(zhǔn)則需要重點確定。本小節(jié)根據(jù)螺旋槳的特點，按照《大綱》的準(zhǔn)則要求，重點介紹新螺旋槳設(shè)計中應(yīng)遵守的幾個主要準(zhǔn)則。

2.3.1 載荷準(zhǔn)則

載荷準(zhǔn)則用于確定所有嚴(yán)重限制載荷。這些限制載荷涵蓋飛機(jī)飛行過程中、地面使用和維護(hù)中產(chǎn)生的各種載荷，其中包括螺旋槳的空氣動力載荷與離心力載荷等。單個槳葉上的離心力載荷可達(dá)到空氣動力載荷的40 倍，這對于槳?dú)ず蜆O(shè)計是嚴(yán)重載荷。而對于螺旋槳槳葉設(shè)計，空氣動力載荷和離心力載荷均是嚴(yán)重設(shè)計載荷。

2.3.2 復(fù)合材料槳葉強(qiáng)度設(shè)計準(zhǔn)則

由于新螺旋槳采用的是復(fù)合材料，在槳葉設(shè)計中采用的是與金屬槳葉完全不同的設(shè)計準(zhǔn)則，這一點在設(shè)計之初必須予以明確。例如：金屬槳葉的強(qiáng)度許用值是直接從材料強(qiáng)度許用值轉(zhuǎn)換過來，而復(fù)合材料強(qiáng)度除與纖維、樹脂強(qiáng)度有關(guān)，還與材料鋪層、工藝過程、多種破壞模式有關(guān)，所以要根據(jù)具體的槳葉碳纖維、樹脂、制造工藝得到的鋪層的試驗數(shù)據(jù)，來得到基于概率的強(qiáng)度許用值，稱為材料鋪層的“設(shè)計值”[9]。

新螺旋槳復(fù)合材料槳葉采用和遵照AC20-107B[8]的要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。特別是在復(fù)合材料鋪層的“設(shè)計值”、“損傷容限評定”和“持續(xù)適航”等方面，AC20-107B 提出了全新的復(fù)合材料設(shè)計要求和方法。

《大綱》提出了更高的靜強(qiáng)度準(zhǔn)則，即“在設(shè)計使用環(huán)境下，飛機(jī)結(jié)構(gòu)在115%限制載荷下不出現(xiàn)有害變形和損傷（原準(zhǔn)則為100%），在極限載荷下不發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞”。此外，按照AC20-107B 對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度要求，要考慮濕熱等環(huán)境的影響，需要在不確定系數(shù)（1.5）上增加附加環(huán)境因子（1.15～1.18）。復(fù)合材料鋪層設(shè)計值要求通過大量試驗并基于概率來確定鋪層的A/B 基準(zhǔn)許用值。泡沫芯按照剪切和壓縮強(qiáng)度采用試驗確定A/B 基準(zhǔn)許用值[10]。

最終需要滿足“新螺旋槳系統(tǒng)設(shè)計總壽命不小于數(shù)萬小時”的要求。

2.3.3 輕合金槳轂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計準(zhǔn)則

由于槳轂結(jié)構(gòu)是整體金屬機(jī)械加工件，遵照《大綱》的損傷容限準(zhǔn)則要求，在使用中，一旦出現(xiàn)裂紋，即會快速斷裂破壞，不能采用“破損安全準(zhǔn)則”和“緩慢裂紋擴(kuò)展準(zhǔn)則”。槳轂將按照損傷容限準(zhǔn)則的“特殊應(yīng)用準(zhǔn)則”（即疲勞斷裂準(zhǔn)則）進(jìn)行設(shè)計。

2.3.4 無損檢測準(zhǔn)則

由于采用復(fù)合材料，新螺旋槳槳葉結(jié)構(gòu)需要按照“無損檢測準(zhǔn)則”檢測。具體按照AC20-107B 的要求檢測和處理各類損傷。

3 新螺旋槳的設(shè)計分析和研制試驗

貫徹《大綱》的新螺旋槳結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，不僅要通過精確的有限元計算等進(jìn)行分析，而且要通過相應(yīng)的試驗進(jìn)行驗證。采用全新的“積木式”試驗，確定新螺旋槳結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足強(qiáng)度、剛度、耐久性和損傷容限的要求。

3.1 結(jié)構(gòu)布局、設(shè)計和選材

根據(jù)用戶的需求和技術(shù)的發(fā)展，新螺旋槳采用復(fù)合材料槳葉代替原金屬（鋁合金）槳葉。根據(jù)空氣動力性能提升和降噪的要求，新螺旋槳槳葉數(shù)量由原來的4 葉改進(jìn)成直徑更小、效率更高的6 葉。

另一方面，由于采用了復(fù)合材料的螺旋槳槳葉和鋁合金槳轂，新螺旋槳實現(xiàn)了減重，并且螺旋槳噪聲減少了3 dB，實現(xiàn)了性能的重大升級換代。

基于設(shè)計要求的改變，復(fù)合材料新螺旋槳葉的結(jié)構(gòu)設(shè)計與工藝方法也產(chǎn)生了巨大的變化。復(fù)合材料槳葉的設(shè)計遵照《大綱》提出的“靜強(qiáng)度準(zhǔn)則”的要求和AC20-107B 對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的要求，選用了新結(jié)構(gòu)形式，由復(fù)合材料大梁+泡沫夾心+復(fù)合材料編制外套來組成槳葉。這里特別指出：復(fù)合材料的選材，采用了滿足強(qiáng)度的T300 材料大梁、T700 材料編織套；泡沫芯滿足抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度要求；采用全新的RTM 工藝方法。槳葉質(zhì)量的減輕，也減少了新螺旋槳的離心載荷。

槳轂選用鋁合金槳轂代替原來的合金鋼槳轂，有效地降低了槳轂結(jié)構(gòu)重量的8%。遵照《大綱》的要求，對槳轂進(jìn)行了靜強(qiáng)度設(shè)計和損傷容限設(shè)計，使其滿足準(zhǔn)則的要求。密封和運(yùn)動機(jī)構(gòu)也重新進(jìn)行了設(shè)計。

3.2 新螺旋槳的制造工藝選擇

槳葉制造需保證每一槳葉靜質(zhì)量、動質(zhì)量和慣性力一致，工藝上需做到高制造精度和質(zhì)量控制。經(jīng)歷了多次摸索，用專用自動化RTM 設(shè)備代替了初始的半自動化設(shè)備。通過零組件分別成型、逐級控制等工藝方式，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，滿足了在外場單片“槳葉互換”的設(shè)計要求，解決了過去單片槳葉故障就需要整套螺旋槳系統(tǒng)返廠修理的問題。

3.3 設(shè)計分析

這一階段的設(shè)計分析任務(wù)是滿足《大綱》的結(jié)構(gòu)設(shè)計分析工作和設(shè)計需要的驗證試驗。對于全新設(shè)計的新螺旋槳，在設(shè)計階段要開展大量的分析和試驗研究，包括《大綱》要求的槳葉和槳轂的靜力、動強(qiáng)度、壽命等試驗。

3.3.1 載荷分析

首先，根據(jù)規(guī)范和CFD 數(shù)據(jù)，對計算載荷進(jìn)行修正等，得到初步的螺旋槳理論載荷。然后，根據(jù)風(fēng)洞試驗結(jié)果，由設(shè)計單位載荷組對理論載荷進(jìn)行修正后，確定新螺旋槳的設(shè)計載荷和嚴(yán)重載荷。其中既需要考慮正常飛行工況，又需要考慮故障起飛（例如短距起飛、單發(fā)失效）等嚴(yán)重載荷工況。

根據(jù)載荷設(shè)計準(zhǔn)則，每片槳葉上的空氣動力分解成向前的拉力（或向后的推力），與發(fā)動機(jī)提供的扭力產(chǎn)生分力平衡。螺旋槳的各槳葉拉力匯總成發(fā)動機(jī)拉動飛機(jī)的動力。螺旋槳槳葉載荷如圖2 所示。

圖2 螺旋槳槳葉載荷示意圖Fig.2 Schematic diagram of the propeller blade load

參照原有的螺旋槳載荷譜和新的使用要求，根據(jù)飛行任務(wù)和風(fēng)洞試驗結(jié)果，建立飛行包線內(nèi)各種飛行狀態(tài)的載荷包線，從中選擇最嚴(yán)重情況形成設(shè)計階段的載荷譜，其中包括靜強(qiáng)度載荷、疲勞損傷容限循環(huán)載荷譜等。

槳葉的離心力載荷往往是加載在新螺旋槳的最大載荷，是新螺旋槳根部和槳轂設(shè)計需要考慮的主要載荷。發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的扭矩、空氣動力產(chǎn)生的拉力和阻力載荷，是新螺旋槳槳葉結(jié)構(gòu)彎曲設(shè)計需要考慮的主要載荷[11]。

3.3.2 復(fù)合材料槳葉設(shè)計分析

由于螺旋槳的離心載荷是空氣動力載荷的40倍，早期槳葉設(shè)計中一般主要考慮最大離心力載荷，對于槳葉空氣動力產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)載荷的重視度不足。

有的設(shè)計人員認(rèn)為槳葉的泡沫芯不承受空氣動力產(chǎn)生的剪力，選用的泡沫芯剪切強(qiáng)度低于載荷造成的剪切載荷。根據(jù)初步結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果和嚴(yán)重載荷工況，強(qiáng)度分析人員采用有限元方法對新螺旋槳槳葉和槳轂分別進(jìn)行了強(qiáng)度分析。第一輪分析結(jié)果表明，大梁和槳根結(jié)構(gòu)能夠滿足各種設(shè)計載荷下的應(yīng)力許用值要求，但是一些部位泡沫芯材料的剪切強(qiáng)度低于空氣動力載荷作用產(chǎn)生的剪切力。但當(dāng)時的強(qiáng)度分析結(jié)果沒有得到設(shè)計人員足夠的重視，槳葉地面強(qiáng)度試驗只針對承受最大離心力的根部結(jié)構(gòu)進(jìn)行，沒有進(jìn)行槳葉外部的空氣動力載荷試驗驗證，造成了飛行試驗中泡沫芯出現(xiàn)了較大面積的破碎。經(jīng)長期的討論后，設(shè)計人員選用了滿足剪切強(qiáng)度要求的泡沫芯，解決了該故障問題。

這一問題的產(chǎn)生和處理過程，說明了新螺旋槳設(shè)計需要嚴(yán)格按照《大綱》的載荷準(zhǔn)則實施，在全面落實螺旋槳上大的離心力載荷設(shè)計要求的同時，也不能放松較小的空氣動力載荷的設(shè)計要求。

3.3.3 鋁合金槳轂設(shè)計

輕合金槳轂結(jié)構(gòu)設(shè)計要求采用疲勞斷裂設(shè)計準(zhǔn)則，選材的抗疲勞特性非常重要。

在鋁合金槳轂的選材設(shè)計中，最初選用的是手冊中強(qiáng)度和疲勞性能都優(yōu)于20 系列鋁合金的70 系列鋁合金，并投入試生產(chǎn)。后有專家建議輕合金槳轂采用20 系列鋁合金。專家指出：材料的疲勞性能與結(jié)構(gòu)的表面粗糙度關(guān)系密切；手冊中給出的疲勞性能是基于表面粗糙度為0.4試片，而實際鋁合金槳轂的表面粗糙度為6.3，并且使用過程的磨損將進(jìn)一步降低表面粗糙度；在6.3表面粗糙度情況下，70 系列材料的疲勞性能將低于20 系列鋁合金。后經(jīng)多批次不同粗糙度的材料試樣進(jìn)行疲勞試驗對比驗證，證明了雖然70 系列鋁合金的強(qiáng)度高于20 系列，但在低表面粗糙度的情況下20 系列鋁合金的疲勞性能更好（圖3）。最終決定采用20 系列鋁合金進(jìn)行重新設(shè)計。

圖3 不同表面粗糙度下7075 與2024 兩種材料的疲勞特性Fig.3 Fatigue characteristics of 7075 and 2024 materials with different surface roughness

3.3.4 相應(yīng)的分析試驗

根據(jù)《大綱》要求，新螺旋槳的復(fù)合材料槳葉需要完成相應(yīng)試驗。

首先進(jìn)行了復(fù)合材料層合板的“許用值”試驗，得到了對應(yīng)的材料、工藝方法、基于“概率”的A/B 基準(zhǔn)的層合板結(jié)構(gòu)設(shè)計許用值，作為設(shè)計的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。由于新螺旋槳采用了全新的設(shè)計和全新的結(jié)構(gòu)形式，在研制階段按照AC20-107B 的要求，還進(jìn)行了一系列“積木式試驗（圖4）”。需要考慮到所有關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的所有臨界載荷情況，以及使用期間可能出現(xiàn)的損傷及復(fù)合材料退化等其他問題。試驗包括：

圖4 結(jié)構(gòu)積木式試驗要求Fig.4 Structural block type test requirements

1）試樣級試驗。重點為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計“許用值”試驗和結(jié)構(gòu)的環(huán)境試驗。研究進(jìn)行了4 個批次，使用試驗件數(shù)百件。確定了碳大梁和泡沫芯采用的強(qiáng)度B 基準(zhǔn)“許用值”。

2）元件級試驗。選取槳葉根部的強(qiáng)度試驗和槳轂的疲勞試驗。試驗中使用復(fù)合材料大梁的根部與鋁合金金屬套結(jié)構(gòu)共同進(jìn)行試驗。在疲勞試驗結(jié)束后，進(jìn)行了槳葉根部的剩余強(qiáng)度試驗，注意這一階段的試驗條件需包含濕熱環(huán)境下的測試。

3）次部件級試驗。槳葉的元件級和次部件級試驗包括靜力、疲勞損傷容限、振動、高低溫和濕熱環(huán)境試驗。對于復(fù)合材料槳葉的帶損傷試驗，根據(jù)AC20-107B 的要求，可以把各種損傷分為所述的5 個類別、損傷危害性1～4 級，按照規(guī)范的要求進(jìn)行積木式試驗和評定。對槳轂進(jìn)行靜強(qiáng)度和疲勞損傷容限試驗。

4）風(fēng)洞試驗。根據(jù)風(fēng)洞試驗驗證對應(yīng)的各個飛行狀態(tài)的螺旋槳計算性能數(shù)據(jù)，建立相應(yīng)的飛行狀態(tài)的新螺旋槳性能特性曲線。

5）根據(jù)飛行特性要求，和由空氣動力數(shù)據(jù)建立的螺旋槳電子控制器（PEC）的控制率對槳葉和槳轂的結(jié)構(gòu)設(shè)計強(qiáng)度提出的要求，需進(jìn)行相應(yīng)的試驗驗證。

6）復(fù)合材料基本性能試驗。針對每種材料鋪層單個環(huán)境下的單個性能值，共需完成3 個批次、54 件試驗件的試驗。然后通過概率分析，給出設(shè)計許用值。泡沫材料則需完成不同溫度的壓縮、剪切強(qiáng)度試驗。

7）工藝試驗。為驗證溫度曲線、壓力曲線及注膠時間等工藝參數(shù)，需進(jìn)行碳纖維鋪層、粘接試驗、泡沫芯成形試驗。還需進(jìn)行RTM 槳葉制作工藝試驗。

8）復(fù)合材料槳葉的靜力、剛度、動態(tài)特性、疲勞壽命試驗（3～6 件等），以及槳轂離心載荷試驗、疲勞試驗。

槳葉靜力特性試驗中，將槳葉與固定裝置連接在一起，使其承受最大兩倍的新螺旋槳運(yùn)行中最大額定轉(zhuǎn)速情況下所產(chǎn)生的離心載荷，試驗時間為1 h。

剛度、動態(tài)特性試驗（圖5）主要檢驗槳葉質(zhì)量及其一致性，判斷內(nèi)部可能存在的缺陷，修正動態(tài)模型，評估槳葉的振動特性。

圖5 槳葉（扭轉(zhuǎn)）剛度試驗示意圖Fig.5 Schematic diagram of the blade (torsion) stiffness test

槳葉疲勞壽命試驗（圖6）主要考核槳葉的疲勞性能。試驗中的載荷主要考慮離心力、揮舞力。對于擺振和扭轉(zhuǎn)載荷，應(yīng)通過計算分析或測試，確定其對槳葉受力的貢獻(xiàn)。

圖6 槳葉疲勞壽命試驗示意圖Fig.6 Schematic diagram of the blade fatigue test

槳轂離心載荷試驗（圖7）中，槳葉固定系統(tǒng)與平衡配重需能承受住最大兩倍的新螺旋槳運(yùn)行中最大額定轉(zhuǎn)速情況下所產(chǎn)生的離心載荷，試驗時間為1 h。

圖7 槳轂旋轉(zhuǎn)試驗示意圖Fig.7 Schematic diagram of the hub rotation test

鋁合金槳轂遵照《大綱》的“特殊應(yīng)用準(zhǔn)則”（即疲勞斷裂準(zhǔn)則）設(shè)計。在鋁合金槳轂的疲勞試驗（圖8）中，發(fā)現(xiàn)了局部結(jié)構(gòu)不滿足疲勞強(qiáng)度的要求，在有限元分析中也發(fā)現(xiàn)了同樣的問題。經(jīng)過對結(jié)構(gòu)形式和參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，解決了這一問題，最終通過了槳轂壽命試驗驗證。

圖8 槳轂疲勞試驗示意圖Fig.8 Schematic diagram of the hub fatigue test

為了保證新螺旋槳具有較好的環(huán)境適應(yīng)性，還應(yīng)通過高溫、低溫、濕熱、霉菌及鹽霧等試驗考核新螺旋槳的環(huán)境適應(yīng)性。

3.3.5 生產(chǎn)中無損檢測的評估

復(fù)合材料的液體成形或結(jié)構(gòu)液體成形技術(shù)RTM（resin transfer molding，樹脂傳遞模塑）制造的槳葉，需要通過無損檢測以確定其膠結(jié)質(zhì)量，其中包括：碳大梁與外面的編織套之間的共固化、碳大梁與泡沫芯的膠結(jié)質(zhì)量、碳大梁各層之間的膠結(jié)質(zhì)量，這些檢測都需要采用無損檢測方法。

無損檢測可以檢測出膠結(jié)脫粘或膠結(jié)質(zhì)量問題，但不能對膠結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行判斷。根據(jù)AC20-107B 的要求，通過無損檢測記錄的統(tǒng)計，結(jié)合疲勞試驗結(jié)果，確定復(fù)合材料新螺旋槳槳葉的出廠允許的無損檢測缺陷值、服役過程中的允許缺陷擴(kuò)展值。并通過敲擊監(jiān)控，對返廠典型缺陷進(jìn)行疲勞試驗考核，逐步完善監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)。

4 新螺旋槳全尺寸試驗研究

在新螺旋槳系統(tǒng)完成生產(chǎn)、組裝后，將進(jìn)行一系列的地面試驗和飛行試驗，來驗證新螺旋槳結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計的合理性。

新螺旋槳全尺寸試驗主要指六葉新螺旋槳的綜合地面試驗，其中包括地面試驗和飛行試驗。要求按照新螺旋槳的技術(shù)要求進(jìn)行檢驗。由于新螺旋槳是飛機(jī)動力裝置的一個部件，因此該階段的新螺旋槳全尺寸試驗只是全機(jī)的部件試驗，飛行試驗也是在全機(jī)的試飛過程中進(jìn)行相應(yīng)的飛行試驗。

4.1 全槳地面試驗

全槳地面試驗包括：1）新螺旋槳系統(tǒng)平衡試驗，對槳葉與螺旋槳的不平衡力矩進(jìn)行平衡，保證不平衡慣性力限制在規(guī)定范圍，實現(xiàn)槳葉的互換性；2）半物理試驗，針對全權(quán)限新螺旋槳數(shù)字控制系統(tǒng)，需要進(jìn)行新螺旋槳控制系統(tǒng)的功能試驗，發(fā)動機(jī)地面聯(lián)試后對新螺旋槳控制系統(tǒng)的功能進(jìn)行評估，完善新螺旋槳數(shù)學(xué)模型和控制規(guī)律，并對新螺旋槳電子控制器的故障模式進(jìn)行測試；3）防閃電驗證，考核新螺旋槳是否能經(jīng)受雷擊而不引起重大或危害性事故；4）鳥撞試驗，在臨界飛行條件運(yùn)行下典型安裝的新螺旋槳的關(guān)鍵部位與鳥相撞后不會產(chǎn)生重大或者危害性事故。

4.2 全槳飛行試驗

根據(jù)研制階段特點，試飛可以分為“他機(jī)試飛”與“載機(jī)試飛”。按任務(wù)制定試飛大綱，主要包括：1）檢測新螺旋槳的空氣動力效率試驗；2）根據(jù)疲勞試驗、有限元分析結(jié)果，在試飛階段對新螺旋槳槳葉及槳轂的飛行載荷進(jìn)行實測，包括新螺旋槳槳?dú)ず蜆~根部、葉身的動應(yīng)力；3）檢查新螺旋槳系統(tǒng)的工作特性、測量新螺旋槳的工作參數(shù)，主要包括新螺旋槳轉(zhuǎn)速、槳葉角度、與發(fā)動機(jī)工作參數(shù)的匹配性等；4）考核新螺旋槳大小油門的響應(yīng)特性，隨發(fā)動機(jī)完成部分風(fēng)險試飛科目；5）靜動強(qiáng)度考驗，包括使用環(huán)境中飛行新螺旋槳的靜強(qiáng)度測試、振動測試、槳葉的壽命測試、槳轂的靜強(qiáng)度和疲勞測試等；6）防冰試驗，包括在嚴(yán)重的結(jié)冰環(huán)境下的防冰測試；7）高低溫飛行環(huán)境、濕熱、淋雨條件強(qiáng)度和耐久性試驗；8）飛行噪聲測試試驗[12]；9）氣動伺服彈性試驗；等等。

在飛機(jī)試飛階段，還需同步進(jìn)行各種環(huán)境下的地面研制試驗，檢驗新螺旋槳能否滿足各項性能指標(biāo)的要求。根據(jù)飛行試驗結(jié)果，更改、完善部分不滿足要求的結(jié)構(gòu)設(shè)計，進(jìn)一步為確定新螺旋槳的維修周期提供依據(jù)。

通過試飛暴露了槳葉肩部泡沫鼓包、槳葉葉身鼓包等問題，進(jìn)一步根據(jù)故障模式，通過有限元分析、材料級試驗及現(xiàn)場勘查等方法，對問題進(jìn)行了原因定位。槳葉肩部泡沫鼓包是由于光照導(dǎo)致槳葉表面溫度遠(yuǎn)高于環(huán)境溫度，槳葉葉身鼓包是由于槳葉泡沫芯壓縮及剪切強(qiáng)度不足，導(dǎo)致泡沫裂紋進(jìn)而造成槳葉型面變形。根據(jù)原因定位，優(yōu)化材料指標(biāo)要求，制定針對性的故障復(fù)現(xiàn)試驗方案，最終故障得以解決。

5 新螺旋槳合格審定與用戶資料

適航當(dāng)局根據(jù)適航條例CCAR-35 部的要求，結(jié)合新螺旋槳的產(chǎn)品特點，確定了適航審定基礎(chǔ)及符合性驗證計劃，并按計劃完成了相關(guān)功能、性能試驗，對各項條款進(jìn)行了符合性驗證。新螺旋槳通過了試驗考核。適航當(dāng)局通過了相關(guān)文件的審定，并頒發(fā)型號合格證。

部分用戶根據(jù)產(chǎn)品研制的技術(shù)協(xié)議對新螺旋槳產(chǎn)品進(jìn)行了審定。除取證工作外，按國軍標(biāo)的規(guī)定，提供產(chǎn)品的同時應(yīng)為用戶提供安裝使用說明書、履歷本、機(jī)載設(shè)備維修手冊、隨機(jī)工具。其中機(jī)載設(shè)備維修手冊包括：新螺旋槳工作原理說明，運(yùn)行中常見的故障及排除方式，安裝、清潔、檢查、貯存及工具/設(shè)備/耗材等相關(guān)內(nèi)容。

工具/設(shè)備/耗材等隨機(jī)物品經(jīng)可靠性分析、維修性分析、保障性分析，得到隨機(jī)工具/設(shè)備/耗材的品種，通過梳理來確保隨機(jī)物品齊全。

這一階段的主要工作是：在完成新螺旋槳研制的基礎(chǔ)上，為批量交付用戶使用進(jìn)行合格審查，并完成應(yīng)交付用戶的相應(yīng)用戶使用資料、使用維護(hù)技術(shù)方法和持續(xù)適航要求等指導(dǎo)性文件；同時制定搜集新螺旋槳飛行載荷的要求和方法，為下一步精確測定新螺旋槳載荷譜積累數(shù)據(jù)。

5.1 合格審定和維護(hù)資料

合格審定分析是根據(jù)地面和飛行試驗結(jié)果，對設(shè)計分析進(jìn)行修正，以解決分析與試驗結(jié)果間的不一致問題。利用研制試驗、全尺寸試驗以及飛行試驗結(jié)果評估是合格審定工作的基礎(chǔ)。合格審定的批準(zhǔn)標(biāo)志著飛機(jī)新螺旋槳結(jié)構(gòu)合格審定的完成。產(chǎn)品合格審定，執(zhí)行或參照適航要求CCAR-35 部的要求。

為保證用戶能使用好新螺旋槳，在這一階段任務(wù)的執(zhí)行中，需要編寫相關(guān)提交給用戶的文件，如新螺旋槳安裝和使用維護(hù)手冊等；建立單機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，提供相應(yīng)的“使用維護(hù)數(shù)據(jù)庫”，進(jìn)行缺陷產(chǎn)生和擴(kuò)展監(jiān)控；外場定期用便攜式超聲波檢測儀檢測，建立外場修理準(zhǔn)則和方法等。

5.2 持續(xù)適航和飛行數(shù)據(jù)的技術(shù)管理

《大綱》提出需對載荷、環(huán)境譜進(jìn)行測量，以獲得20%機(jī)隊有效使用數(shù)據(jù)，對初始設(shè)計譜進(jìn)行更新或確認(rèn)，該數(shù)據(jù)將進(jìn)入“使用維護(hù)數(shù)據(jù)庫”。

《大綱》要求制定單機(jī)跟蹤大綱，預(yù)測每臺新螺旋槳結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位潛在的損傷擴(kuò)展情況，調(diào)整各單機(jī)的維修間隔，獲得新螺旋槳全生命周期內(nèi)不少于90%的有效飛行數(shù)據(jù)。

隨著新螺旋槳使用經(jīng)驗和使用單機(jī)監(jiān)控數(shù)據(jù)的豐富和可靠性增長，新螺旋槳的壽命和定檢周期將進(jìn)一步達(dá)到設(shè)計要求指標(biāo)。

6 新螺旋槳的用戶支援與管理

利用故障數(shù)據(jù)庫，記錄單臺新螺旋槳的監(jiān)控結(jié)果，并及時處理相應(yīng)的故障。

在新螺旋槳投入應(yīng)用的過程中，處理了大量的設(shè)計、工藝問題引起的故障，另外還處理了大量的在用戶使用過程中出現(xiàn)的其他各類故障。這些故障包括變距機(jī)構(gòu)掉齒、槳葉掉漆、密封膠條脫落等現(xiàn)象。對于此階段出現(xiàn)的問題利用雙五歸零的工具，對故障進(jìn)行閉環(huán)。技術(shù)歸零包括：問題描述、問題定位、故障機(jī)理、故障復(fù)現(xiàn)、驗證措施及舉一反三。管理歸零包括：過程情況、責(zé)任明確、落實措施、處理情況、完善規(guī)章及經(jīng)驗教訓(xùn)總結(jié)。由此逐步提高新螺旋槳的可靠性及使用壽命。

《大綱》規(guī)定了如何制定用戶支援管理對策，并規(guī)定主要由使用方負(fù)責(zé)。實施中建立的用戶使用管理程序和方法指出，應(yīng)根據(jù)單機(jī)監(jiān)控獲得的數(shù)據(jù)，對每架飛機(jī)新螺旋槳結(jié)構(gòu)維護(hù)計劃進(jìn)行及時調(diào)整，并應(yīng)定期更新新螺旋槳維護(hù)計劃，以保證有效地發(fā)現(xiàn)和避免結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，保障每架飛機(jī)在其全生命周期內(nèi)的結(jié)構(gòu)完整性。

7 總結(jié)

螺旋槳是飛機(jī)發(fā)動機(jī)的重要空氣動力部件，“麻雀雖小五臟俱全”。新螺旋槳的研制是按照飛機(jī)設(shè)計流程的各個階段進(jìn)行的。為確保新螺旋槳能實現(xiàn)預(yù)期的空氣動力特性和安全可靠的使用要求，新螺旋槳首次在各設(shè)計階段貫徹了《軍用飛機(jī)結(jié)構(gòu)完整性大綱》，明確了新螺旋槳設(shè)計每一個階段中的主要內(nèi)容和方法。目前新螺旋槳正在螺旋槳使用維護(hù)階段貫徹《大綱》的要求，并補(bǔ)充完善新螺旋槳全生命周期實施不足之處，使得新螺旋槳能夠全面滿足飛機(jī)提出的各項要求。

通過在新螺旋槳研制過程中貫徹《大綱》，使得設(shè)計單位、制造單位、使用單位對貫徹《大綱》的必要性有了進(jìn)一步的認(rèn)識和實踐，體會到貫徹結(jié)構(gòu)完整性大綱是保證新螺旋槳結(jié)構(gòu)可靠性、經(jīng)濟(jì)性和產(chǎn)品壽命的重要手段，是新螺旋槳發(fā)展的重要手段和規(guī)范。

目前新螺旋槳的氣動噪聲是影響螺旋槳設(shè)計的關(guān)鍵問題。下一步，各研制單位、高校、科研單位計劃開展螺旋槳降噪[12]、空氣動力特性[13-14]、結(jié)構(gòu)減重、氣動彈性特性[15-16]綜合研究，并利用多學(xué)科綜合優(yōu)化方法[17]，重點開展槳葉數(shù)量、槳葉形狀和結(jié)構(gòu)等參數(shù)的優(yōu)化，最終在保證和提升螺旋槳空氣動力效率前提下實現(xiàn)降低螺旋槳噪聲的目標(biāo)。