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【技术干货】一文详解碳纤维在直升机结构中应用

复合材料在直升机中应用发展

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材料旋翼叶片。

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。

纤维增强复合材料在直升机领域应用发展如下图1所示,经过数十年发展,相比较于民用直升机中CFRP含量不足70%,目前CFRP在军用直升机结构材料中用量已经超过80%。

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图1 复合材料在直升机结构中的应用发展

碳纤维复合材料在直升机中典型应用

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,下图2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。

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图2 复合材料在直升机转子叶片结构中典型应用

用于直升机机身的复合材料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下图3所示,包括如下:

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图3 碳纤维复合材料在直升机结构中详细应用

※ 叶片:采用碳纤维编织物预浸料加工;

※ 转子轮毂:编织碳纤维/环氧树脂预浸料;

※ 引擎/机身整流罩/检修面板:玻璃纤维、碳纤维和芳纶编织物与环氧树脂、BMI树脂预浸料;

※ 机身:碳纤维和玻璃纤维编织预浸料,蜂窝状;

※ 主门和货舱门:编织碳纤维和玻璃纤维环氧树脂预浸料;

※ 水平平衡器:编织玻璃纤维、碳纤维和芳纶/环氧树脂预浸料;

※ 动臂和尾部:编织碳纤维环氧或碳纤维/玻纤混编预浸料;

※ 玻璃条:编织碳纤维环氧预浸料和玻纤预浸料。

碳纤维复材在欧美直升机中应用实例

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。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4所示。

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图4 复合材料在欧洲Eurocopter EC 135直升机中应用

在欧洲作战和多用途直升机中,碳纤维复合材料除了在机身和动态结构中实现应用以外,在光学系统、传感器等电子系统中也有一定的应用,详细应用情况如下表1所示。

表1 碳纤维复合材料在欧洲直升机中的应用

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表2显示了碳纤维复合材料在欧洲直升机系统中每年的需求量预测,估计用于武装直升机、多功能直升机每年碳纤维复合材料总需求为250吨。

表2 碳纤维复合材料在欧洲直升机中的需求估算

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除了欧洲直升机系统大量采用碳纤维复合材料以外,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5所示。

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图5 美国V-22旋翼机外形及应用材料体系

在美国RAH-66科曼奇武装直升机(图6)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。

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图6 美国RAH-66科曼奇武装直升机



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