黄东平 耿博涵 李国如
陆军航空兵学院
摘要：复合材料在直升机上的用法和应用部位已成为评估飞机是否先进的主要指标之一。随着化学技术的不断发展，复合材料在直升机上得到了进一步的应用。
关键词：复合材料 新型直升机
随着新材料的不断应用，飞机设计及其性能也得到提高，先进的复合材料具有重量轻、强度高、可设计性高、抗疲劳、结构易于实现的优点。先进的复合材料已近成为飞机的重要结构材料之一，复合材料的用量已成为飞机先进性的重要标志。
现代直升机通常以西科斯基直升机在1939年9月14日首飞为发展标志，现在已经研发有70余年。从20世纪60年代开始，复合材料部件开始应用于直升机。复合材料零件具有结构简单、重量轻、无需润滑、使用维护方便、可靠性能高等优点，直升机在重量效率（有效载荷/起始重量）有了突破性的进展。
一 复合材料的应用
在上世纪60年代，复合材料在直升机上的应用取得了突破性进展。纤维增强复合材料直升机的研制成功，如德意志联邦共和国的BO-105、法国Gazelle航空公司的SA341、俄罗斯Kamov公司的ka-26等，证明了这种复合材料的巨大价值。例如，这种材料有独特的优点。优异的疲劳强度，多冲程载荷，裂纹扩展慢，成本低和简便易操作的模压成形工艺，这在旋翼上得到了充分的发挥。和纤维符合材料低的层间移动立和性能对环境因素的敏感等并没有产生不利影响。金属材料叶片的使用寿命一般小于2000小时，而复合材料叶片的使用寿命可达6000小时以上，甚至可以达到无限寿命，并能够实现“视情维修”。这不仅更好的提高了直升机的安全性，而且显著降低了桨叶在整个寿命周期内的使用成本。带来了显著的经济效益。简单易用的复合材料能有效地改善和优化转子的气动外形和动力学特性。自20世纪70年代以来，许多新型翼状直升机出现在高性能飞机的研究中。新型翼的特点是，从对称翼变为全弯曲、非对称翼， 最大升力系数和临界马赫数大大增加，阻力牵引系数减小，动量系数变化不大。旋翼桨形状的改变，从矩形改为后掠、尖削桨尖、抛物线后掠下反桨尖到先进的薄后掠桨尖极大的提高了桨叶的气动载荷、转子涡流干扰、振动和噪声性能的改善，提高了旋翼的效率，设计人员还进行了转子叶片空气动力学和结构动力学的多学科综合测试，将复合材料优化设计与旋翼优化设计相结合，实现优化叶片性能、减振降噪的设计目标。因此，70年代末出现了一个直升机的新时代，几乎所有的直升机桨叶都是由复合材料制成的，使用老式的金属桨叶的飞机将用复合材料叶片进行了更换和改进，并取得了十分明显的效果。
二 复合机体结构
复合材料用于直升机结构，主要考虑的是直升机外形复杂，但由于结构的承载力不是很大，因此采用复合材料来提高结构的质量和损伤容限，使用复合材料提高安全可靠性，无论是运输用直升机还是武装直升机，都对机身结构提出了需要使用复合材料来减轻重量、提高对耐坠吸收的能力和提高隐身性的重要需求。为此，1979年，美国陆军航空应用技术研究所制定了“复合材料先进技术计划” 20世纪80年代西科斯基s—75、D292贝尔、波音360、欧洲MBB的bk-117等复合材料计生的飞机相继开始试飞试验。与原来的铝合金标准飞机相比，直升机重量、可靠性和生产成本方面有更好的可观效益。达到了ACAP 计划的标准要求，如表1所示。据此，有专家认为，用复合材料机体结构取代铝合金机体结构的意义与20世纪 40 年代用金属结构取代木材帆布结构相当。
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三 研发计划支持
“轻量化、寿命高、可靠性能高，隐身性能好、成本低”这是让飞机先进性的追求的目标。先进复合材料用作飞机结构建设是实现这一目标的重要途径。
以美国为代表的发达国家大力推广复合材料在飞机结构中的广泛应用。自20世纪70年代以来，连续提出几项重大计划，复合材料在飞机结构中的应用每提高一步都是与预先系统的基础研究和应用技术有着紧密联系的。
在开始最初阶段,美国首先执行了ACEE和著名的ACT计划，计划的主要目的就是要就减轻结构重量，提高飞机上复合材料的用量。但 是F一2 2 等主要飞机机型的实践验证表明，飞机制造成本下不来，复合材料的用量上不去。鉴于此证明，美国又在第二阶段陆续推出了低成本复合材料研究计划。如CAI计划（1996-2007年）DML-CC计划和LCCO（低成本复合材料工艺计划）等，其主要核心就是研究低成本制造和设计复合材料技术，以达到降低成本的制造和设计技术，达到减少复合材料的质量成本。与此同时,欧洲国家联合执行了 TANGO计划,以3A80作为试验背景,选择了四种不同的验证平台,通过选择不同的技术手段进行验证,其本质上也是欧洲的为低成本复合材料开展的计划。
在飞机设计验证方法方面，美国和欧洲广泛采用“积木式方法”在分析验证过程中，采用该方法逐步增加样本的复杂度，逐步增加分析验证样本的大小和范围，进行分析和验证，以保证项目的研发质量，降低成本。目前，积木式验证试验的方法正朝着利用计算机模拟的实验方向发展。以达到降低成本，缩短验证试验周期。在我国，设计理论和方法还比较落后。虽然也在逐步采用“积木式”的设计方法，但是在材料设计值上缺乏科学性，安全范围过大，这意味着复合材料的减重不明显，使用效益不理想。因此，必须加强基础设计理论、前沿设计技术、标准化研究试验水平。要对复合材料的发展进行不断的探索，和研究新的结构技术。
四 未来的发展方向
飞机结构用复合材料的发展趋势概括起来可归纳为以下几个方向
（1）高性能化
高性能化可以从复合材料角度方面主要体现在三个方面，一是提高力学性能，二是提高飞机耐受服役地区的环境性能，三是提高复合材料的耐受高温能力。
（2）低成本化
高成本仍然是复合材料在飞机结构中应用的主要障碍，低成本仍然是复合材料发展的关键技术。低成本化着重考虑制造技术低成本化、设计方法低成本化。
（3）智能化
智能化对提高结构的效率和可靠性起着重要作用，是飞机结构设计的发展方向。飞机结构复合材料自检测、自诊断和自适应智能技术的发展，可以实现飞机结构的抑制噪声、控制震动、主动变形和健康监测等功能。
（4）设计与制造的一体化
针对设计阶段的制造与装配问题，加快产品开发的发展，提高质量，降低成本，以新的设计理念和手段将设计与制造结合起来，是复合材料发展的另一个重要趋势。
参考文献：
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