详解碳纤维在直升机系统结构中的应用

 摘 要 

本公众号在前期文章中相继介绍了碳纤维及其复合材料在波音787、空客A380等民机，美国F-22猛禽第五代战斗机、B-2隐形战略轰炸机等军用战斗机上应用。事实上，目前碳纤维复合材料应用比例最高的为直升机领域。

在前期《简述碳纤维在直升机领域中的应用》中简要介绍了碳纤维复合材料在直升机领域应用，而在本期文章中介绍碳纤维在主要结构件中应用，并介绍了碳纤维在不同型号直升机中的应用实例。

在直升机结构设计中，复合材料的高比强度对于实现结构有效载荷最大化至关重要。上世纪50年代，美国波音公司首先将复合材料用于旋翼飞机整流罩，并在1970年代为CH-47直升机制造了第一批复合旋翼叶片。

经过60年发展，目前所有直升机都使用复合材料桨叶，因为它们具有优异的抗疲劳性能和多功能设计的潜力，尤其是碳纤维复合材料应用最为广泛。

转子叶片和转子叶片头是复合材料在直升机结构系统中的典型应用实例，在图1中将传统的旋翼桨片与高度优化的复合材料旋翼对比，零件的减少和系统的集成有效降低组装和维护成本，并提高了可靠性。

图1 复合材料旋翼与传统旋翼对比

用于直升机机身的复材主要为碳纤维复合材料和玻璃纤维复合材料，主要应用结构部位如图2所示，包括如下：

※ 转子叶片：碳纤维/玻璃纤维预浸料，蜂窝，Redux®粘合剂；

※ 转子轮毂：碳纤维/环氧树脂预浸料；

※ 发动机/整流罩/检修面板：玻璃纤维，碳纤维和芳纶预浸料与环氧树脂和BMI树脂；

※ 机身：碳纤维和玻璃纤维预浸料，蜂窝状；

※ 主门和货舱门：碳纤维和玻璃纤维环氧预浸料，蜂窝和Redux®粘合剂；

※ 水平平衡器：玻璃纤维，碳纤维和芳纶预浸料。

图2 复合材料在直升机结构中的应用

在美国陆军的先进复合材料机身计划（ACAP）和美国空军资助的DMLCC-BW计划（旋翼用低成本复合材料的设计和制造）支持下，美国V-22旋翼机研制技术方面取得了重大进展。

由于其重量敏感性，复合材料在V-22旋翼机的开发中轻量化起着至关重要的作用。V-22旋翼机中的机舱，机翼，机身蒙皮，尾翼，整流罩和门等大量采用了碳纤维/玻璃纤维复合材料，用量约为机身重量的50％，如图3所示。

图3 美国V-22旋翼机外形及应用材料剖视图

DMLCC-BW项目为V-22提供了粘合组装技术。粘接组件消除了机械紧固，并允许将结构附件集成到组件中。ACAP计划则提供了先进的制造技术，以降低复合材料组件的成本。采用的自动化铺带技术，V-22尾部机身蒙皮可以制成一体，因此节省了53％的成本。

在美国RAH-66科曼奇武装直升机（图4）中，复合材料主要应用部位包括尾旋翼护罩，主旋翼和尾旋翼叶片，排气门，下部尾锥，穹顶以及垂直和水平稳定器。

图4 美国RAH-66科曼奇武装直升机

英国阿古斯塔·韦斯特兰公司生产的“超级山猫300”(Super Lynx 300)多用途直升机则使用了带有整体加热系统的复合材料发动机进气管。由于进气道的空气动力学形状非常复杂，横截面从矩形过渡到环形，并且很难用金属制造。复合材料风道可以整体制造，从而节省了重量和装配成本。

欧洲直升机公司Eurocopter生产的EC135直升机中复合材料应用情况如图5所示。

图5 复合材料在欧洲Eurocopter EC 135直升机中应用

欧洲直升机公司生产的Tiger虎式直升机中具有碳纤维/玻璃混合预浸料发动机整流罩，玻璃预浸料叶片，碳纤维复合材料机身、驾驶舱及尾梁等。

图6 复合材料在欧洲虎式直升机中应用

下期精彩文章内容提要

钢筋混凝土是建筑工业最重要材料，但是由于钢筋耐腐蚀性较差，因此在一些特殊应用领域如涉水桥梁等存在易于腐蚀失效等现象，对于建筑修复和加固，上世纪六七十年代出现了纤维复合材料钢筋（FRP筋）。

FRP筋最初材料选用玻璃纤维，但是玻璃纤维对应力腐蚀也极其敏感，因此目前FRP筋大多选用了芳纶纤维和碳纤维，在下期文章中将对针对国外几种不同材质FRP筋性能等进行简要概述。

下期文章更精彩，明晚22:00，敬请期待……

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