鐵翼飛旋！托起國產直升機藍天夢

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導語：對于目前最有效的的可懸停飛行器——直升機，旋翼系統是它的升力擔當。從仿制到自研，數十年間，我國直升機的旋翼的結構與材料經歷怎樣的進化史；雪域高原上，新一代旋翼又是如何打破國外有關技術壟斷，托起國產新一代直升機到達新高度？

圖源：央視軍事

一、“鐵翼飛旋”如何讓直升機飛向天空
旋翼是直升機的重要部件。早在15世紀，人們便暢想用螺旋槳，達成人類實現垂直升空的目標。在經歷若干世紀的“螺旋上升式”后，旋翼及搭載它的飛行器——直升機在固定翼飛機誕生的30多年后成功飛行。

早在15世紀，達芬奇即繪制了第一個直升機旋翼設計圖

在直升機飛行過程中，旋翼與空氣作相對運動，產生升力和拉力雙重作用，旋翼的發展史在很大程度上可視為一部直升機發展史。我國的直升機旋翼技術始于對蘇聯米-4直升機的國產化。隨著國內直升機工業的發展，旋翼技術也經歷了從測繪仿制、參考樣機設計、國際合作，逐步過渡到自研設計，鍛造出中國的“飛旋鐵翼”。

米-4多用途直升機

二、將國產直升機托向藍天，每一片槳葉都在努力

在整個旋翼系統中，主槳葉是升力的重要來源。除了升力之外，前飛的直升機旋翼葉片也會受到周期性的阻力影響，產生嚴重的交變應力問題，使翼根疲勞斷裂。這就需要抗疲勞、抗拉伸的槳葉材料。

（一）“天然原材”到“科技狠活”的變遷。

最早仿制生產的直5采用的槳葉為木質材料制成；不久又升級為全金屬槳葉，使用壽命與維護性明顯提升。但隨著國產直升機起飛重量與飛行速度不斷提高，金屬槳葉的性能愈發捉襟見肘：直升機基本上是依靠增加槳葉長度、數量來實現提升升力的目標。

隨著長度增加，槳葉在停放時會自然下垂、影響起降安全，飛行時槳葉外端因承受的升力更大而上翹、反而損失升力，若要避免這種情況需要增加槳葉剛度，這會讓葉片重量節節攀升同時犧牲槳葉壽命。因而從80年代中期開始，我國旋翼槳葉材料踏上了一條全新又陌生的道路：復合材料槳葉。

直升機復材槳葉示意圖 圖源：航空工業

（二）從“玻纖”到“碳纖”，復材槳葉新演繹。

相比其他材質，復合材料槳葉的疲勞性能、抗腐蝕性更強，維護保養便利、使用壽命更佳；且復合材料的設計性很高，更輕巧，可根據翼型和受力需求設計復合材料旋翼的承載方式，對結構受力形式進行優化，使之更能做大做強。

我國最早應用復合材料槳葉的直-9直升機，采用玻璃纖維材料/樹脂層壓材料槳葉，其壽命已經超過3000飛行小時，遠高于同期金屬槳葉800小時水平；換裝復合材料槳葉的直8F，單片槳葉重量由原來的109kg減輕到約50kg。而在AC-313、直20等新一代直升機所采用碳纖維材料為代表的新一代復合材料槳葉，更具有高比強度、高比模量、耐腐蝕、耐疲勞等優良的特性。

直-10復材槳葉切皮結構 圖源：央視頻《軍工科技》

（三）如何用匠心織就新一代“鐵翼”

由于碳纖維復合材料具有一定脆性，本身抗沖擊性較差，在受到沖擊后會產生微小的裂紋并不斷擴展，增加損傷程度從而產生不同的破壞機制、影響槳葉壽命甚至飛行安全。而槳葉制造歷經原材料供應、零組件制造、定位裝配、槳葉模壓成型、槳葉加工及檢測，工序多達30道，每一環節都需嚴格控制槳葉制造精度、性能指標。為此，我國在試制中重點攻關了模具定位、油道布置以及深加工和熱膨脹系統不一致的技術難題，專門設計制造了大型槳葉模壓系統，成功實現了開合模、槳葉鋪覆和模壓成型等全部工藝過程操作和控制。

國產復合材料旋翼生產現場 圖自：復材應用技術網

新材料與工藝的運用使國內新一代復合材料槳葉壽命提高到6000飛行小時；槳葉尺度也大幅提升——在本世紀初國內僅能生產最長約8米的復合材料槳葉，到2019年國內已成功試制出約14米的復合材料槳葉，在填補超大型旋翼槳葉研制技術空白的同時，為后續更大的國產直升機研制奠定技術基礎。

三、如何打造撐起槳葉的牢靠“關節”

除槳葉外，連接起發動機轉動軸和槳葉的槳轂也是旋翼的主要組件。在上世紀90年代前，我國直升機采用的鉸接式槳轂結構，其構造復雜、維護工作量大、疲勞壽命低。到上世紀90年代國內在無鉸式柔性槳轂上取得突破，因取消揮舞鉸、擺振鉸，帶之以一個粘彈彈性軸承，實現槳葉揮舞、擺振、扭轉等三個功能。這使得旋翼結構更加簡單，使用壽命、可靠性更高。

與米-17（左）相比，我國自研直升機（右）的的槳轂性能提升

無鉸槳轂取消了鉸接結構，槳轂中央件須承受旋翼系統主要載荷，飛行中承力達槳葉十數倍，因此槳轂中央件的結構及選材設計尤為重要。早期直-9等中輕型直升機采用熱壓成型的玻璃鋼制成，工藝較金屬機加工件簡單。

隨著直20、AC-313等通用/重型直升機的研發推進，玻璃鋼材質的槳轂已無法撐起國產直升機成倍提升的起飛重量與旋翼尺寸。為了保證槳轂較輕的重量及高壽命與強度要求，AC-313、直20等使用的無鉸鏈槳轂中央件采用國內新研高強高韌的TB6鈦合金材,配合金屬 /橡膠疊層結構的彈性軸承，讓槳轂在結構重量減輕的同時使用壽命更高。

珠海航展中展示AC313直升機鈦合金槳轂 圖源：看航空

由于此前我國從未有此尺寸的一體式鈦合金加工經驗，為克服鈦合金化學性能活潑、磨削溫度高以及強度高、韌性好導致切屑變形系數大等問題，國內通過大量材料疲勞試驗，不斷優化槳轂鈦合金中央件的細節設計，嚴格控制零件加工和運轉過程，并運用用了鈦合金噴丸強化技術，”從而明顯提高國產鈦合金槳轂的疲勞壽命。

四、高原高寒，如何給國產旋翼“破冰吹雪”
我國直升機的活動區域有相當地域多高山、高原、盆地，多屬于高寒氣候。旋翼在面臨西北部高寒地區、凍雨等環境溫度低于-10℃條件下飛行條件等等，前緣很可能出現結冰現象。這會改變旋翼的質量分布，影響其表面的光滑程度，使旋翼周圍的附面層紊流化，直接影響直升機飛行安全。

因此，國際國內都應用各種旋翼防/除冰裝置。如直到本世紀初，我國直升機槳葉防/除冰措施就是利用在槳葉表面噴灑大量的酒精。但液體防冰作用時間短，一般為30~40分鐘，且只能防冰而無法除冰；大量防冰液還增加了直升機的重量、增加能耗。上世紀80年代后國外研制了電熱式防/除冰系統，具有更輕的重量與更高的除冰效率。面對新型直升機全域飛行的高效除冰需求，以及西方國家的技術壟斷局面，國內自本世紀初期開始自研電熱式防/冰系統。

在雪域高原中作業的國產直升機 圖源：央視頻截圖

旋翼除冰技術的關鍵是通過對復合材料內埋加熱組件的熱功率密度進行精準控制。此外，加熱組件埋在槳葉中，如何在槳葉高速旋轉下保證組件的壽命和可靠性，涉及的技術問題非常復雜。但是我國技術人員經過努力，通過1500小時的不間斷試驗，驗證了集流環電源核心部件電刷、導電環材料穩定性等，最終攻克了這項先進的旋翼除冰技術。在2014年，完成某型直升機地面旋翼冰霧噴灑試驗驗證，并在此后裝備多型國產直升機，讓其得以在包括皚皚白雪青藏高原的在內的寒區上空自由翱翔。

正在地面結冰模擬實驗的國產直升機槳葉 圖源：中國航空報

結語

在國內研發團隊的不懈努力下，其創新研發的新一代旋翼成功撐起共和國低空的脊梁，不斷創造出國產直升機最大起飛重量、最大飛行高度等新的記錄。隨著直升機技術發展日新月異，我國又相繼開展了具備自適應控制的智能旋翼等第五代旋翼研發工作，不斷推動國內旋翼領域新技術的發展。

參考文獻

[1] 西北工業大學：《大風起兮云飛揚——記中航工業直升機所副所長鄧景輝》[EB/OL].https://npuinternationalcollege.nwpu.edu.cn/info/1101/2612.htm

[2] 中國航空新聞網：中航工業昌飛成功研制亞洲最大的復合材料槳葉.[EB/OL].http://www.cannews.com.cn/2014/0619/97533.shtml

[3] 孟慶華.直升機復合材料槳葉廠房工藝設計淺析[J].建筑工程技術與設計.2015.11

[4] 金坤健，李孝松，李滿福，程景濤.某型機鈦合金槳轂中央件設計改進及試驗評估[J].直升機技術.2010.2
[5]兵工科技公眾號：《你知道嗎？直-20上高原攻克的這項關鍵技術，世界上掌握它的國家數量比能研制氫彈的還少》