國產直升機「大翅膀」究竟包含了多少核心機密？

國產AC313直升機仿製法國「超黃蜂」？錯，旋翼系自主研究！

出品| 網易新聞學院

作者| 許小山、林志剛，中國直升機設計研究所

　　飛行基本原理不同，決定了直升機高飛比噴氣式飛機困難得多。從8000米到9000米，飛越珠穆朗瑪峰，國產大型直升機近年來不斷刷新飛行高度新記錄。對於直升機而言，旋翼如同飛鳥的翅膀，決定著直升機的命脈，是各直升機強國的核心秘密。

　　上世紀60年代到80年代，中國直升機技術還很薄弱，旋翼更是瓶頸。當時，中國直升機的主要機型都還是採用常規的全鉸接式旋翼的直-5、直-6、直-8等老型號，國外已經在發展應用星形柔性、球柔性和無軸承旋翼技術。而早期的全鉸接式旋翼也已無法滿足國內對大型直升機的任務需求。新一代旋翼的研發成為當時中國直升機行業發展迫在眉睫的問題。

（一）從仿製到自主研發

　　圖1. 典型全鉸接式旋翼直升機（直8）

第一代旋翼：鉸接式鋼木混合結構

　　當年，國內直升機旋翼技術的發展經歷了從測繪仿製、參考樣機設計、國際合作，逐步過渡到了自主設計的階段。旋翼技術的起步從20世紀50年代引進米4直升機（直5）開始，採用的是第一代鉸接式鋼木混合結構旋翼。

第二代旋翼：金屬鉸接式

　　後來，技術人員「摸著石頭過河」，完成了直5金屬旋翼仿製，並開始了直6、直7、直8等第二代金屬鉸接式旋翼的測繪仿製，初步形成了中國旋翼技術基礎。

　　80年代初國內引進法國「海豚」直升機生產專利，複合材料星形柔性構型的旋翼讓國內直升機看到了差距。

　　圖2.典型星形柔性旋翼直升機（AS350）

第三代旋翼：球柔性構型

　　球柔性旋翼是在每個槳轂（gǔ）支臂上採用一個粘彈彈性軸承，實現槳葉的揮舞、擺振、扭轉等三個鉸的功能，相當於萬向鉸，與具有獨立的揮舞、擺振、扭轉鉸的鉸接式旋翼相比，這個軸承大大簡化了結構，減輕了槳轂重量，可靠性高，維護簡單，研製費用自然而然也就降低了。

　　法國在20世紀80年代中期開始，先是在超美洲豹直升機旋翼和尾槳上成功應用了球柔性構型，而後又用於90年代研製EC120、EC155、EC225、NH90等直升機。英國和義大利研製的EH101、義大利和美國貝爾聯合研製的AB139等直升機也都採用了這種旋翼。

　　中法聯合研製的國內5.5噸級某直升機，也採用了與EC155相近的五支臂球柔性旋翼構型，其中粘彈阻尼器採用葉間連接。目前這種構型已成為直升機旋翼構型發展的主流之一。

　　不過，當時國內球柔性旋翼技術儲備的大量空白，為了充分發揮直-8直升機大型平台的優勢，國家提出要自主研發大型球柔性旋翼，國產直升機旋翼系統才邁出了從第二代到第三代的跨越。

（二）「打造」球柔性旋翼的「強心臟」，需要5年

　　球柔性旋翼有個核心的關鍵部件——彈性元件，它主要是通過彈性軸承的金屬橡膠疊層的彈性變形實現主槳葉的揮舞、擺振和變距運動，並傳遞主槳葉的載荷。彈性元件的研製成敗性可以說決定了整個球柔性旋翼系統的成敗。

　　這其中，金屬橡膠疊層設計、硫化模具設計、抗疲勞膠料、配套膠粘劑、熱硫化成型和彈性軸承性能測試等各個方面的技術要求都很高，技術難度大，影響因素複雜，而且我們一直面臨著國外的技術封鎖。

　　圖4. 典型彈性軸承示意圖，黑色部分為金屬橡膠疊層。

1、金屬橡膠疊層粘接性能要靠譜

　　彈性軸承也有個核心部分——金屬橡膠疊層，它是由多層球型金屬隔片與橡膠材料經粘接複合形成的，粘接面積非常大，在動態應力的作用下，粘接層受到很大剪切應力，粘接的性能和可靠性將直接決定彈性軸承的的性能和可靠性。

　　所以，旋翼攻關團隊通過對膠層參數反覆迭代修正，選擇一個最優的參數組合，完成了金屬橡膠疊層膠層參數設計，還研製出了滿足大型彈性軸承性能和成型工藝要求的粘接材料及粘接工藝。

2、硫化成型還要攻克粘接性差、隔片脫落難題

　　硫化成型是彈性軸承研製成功的最後一個關鍵環節，成型最怕兩大難題莫過於注膠過程中的粘接性差和隔片易脫落。當然，研製團隊經過像愛迪生試驗燈絲一樣的艱辛歷程，最終研製出了粘性性能好，外觀還滿足要求的彈性軸承，並在國內首次實現批量交付。

　　整個研製過程持續了近5年。設計團隊不僅完成了型號研製任務，還攻克了彈性軸承結構設計、硫化模具設計、抗疲勞膠料的配方和工藝、金屬與橡膠粘接技術、精密成型工藝技術等5大關鍵技術，為後續的機型彈性軸承研製奠定了技術基礎。

（三）關鍵性材料出現設計失誤

　　「強心臟」之外，球柔性旋翼研製中還有個關鍵件——鈦合金槳轂中央件，它能傳遞與平衡槳葉的離心載荷、傳遞槳葉的升力、操縱力矩和發動機的扭矩，作用也是至關重要的。

　　圖5典型鈦合金槳轂中央件示意圖

　　鈦合金是國外先進球柔性旋翼槳轂中央件的首選材料，國內那是剛起步。

　　NFH的螺旋槳鈦合金槳轂

　　當時，首件鈦合金中央件疲勞試驗件在試驗中就出現了提前破壞，壽命不夠的現象。

　　「怎麼辦？是設計問題？材料問題？試驗問題還是工藝問題？」一連串的問號誰都無法解答。

　　後來，研發團隊在耳片剛度匹配性設計、關鍵部位抗疲勞細節設計、關鍵部位表面處理等進行了改進之後，最終完成了疲勞試驗，確保了樣機研究的質量和進度。

（四）主槳葉太沉 設計人員一點點「摳」重量

　　主槳葉作為直升機的升力來源，是整個旋翼系統重要組成部分。當時，金屬結構的直-8主槳葉已經不能滿足新的性能要求，就需要研製更先進的複合材料主槳葉。但重量控制、工藝製造、試驗驗證等諸多關鍵技術的難關又成了橫跨在研發人員面前的「大山」。

　　圖6. 典型槳葉示意圖

選擇什麼翼型是個首要解決的問題。一開始，對於該旋翼系統氣動性能目標要求是選用具有當代國際先進水平的翼型，並且旋翼最大懸停效率再提高一個水平。攻關人員對各種翼型的氣動參數進行了對比分析，綜合考慮懸停狀態和前飛狀態對槳葉參數的不同要求，最終確定了槳葉的氣動外形。同時，形成了一套高性能槳葉氣動設計方法。

重量控制是重中之重。太重了可不行，確切的說，研發人員是一點一點的在「摳」重量。經過槳葉細節設計以及對重量、轉動慣量的全面分析，研發人員發現槳葉根部是潛在的可挖掘減重部位。在對比分析多個方案和保證足夠擠壓強度的前提下，確定採用輕質材料的減重方案。這項自主創新的減重技術在複合材料槳葉設計上還是首次嘗試。最終，整副旋翼槳葉減重達到9千克。

　　AC313在5200米珠峰大本營

結語

　　在搭載新型球柔性旋翼系統的AC313首飛那一天，很多人感慨：國產直升機終於有了自己的「大翅膀」！

　　2011年9月2日，搭載新研球柔性旋翼系統的民用大型直升機AC313成功飛越了海拔8472米高度，創造了國產直升機新的飛行記錄。正是有了這副旋翼，中國航空直升機工業不斷創造出國產直升機最大起飛重量、最大飛行高度、最大起降高度和高原最長飛行距離等多項記錄，填補了行業的大量空白。

作為世界上認知度最高的標籤，中國製造（Made in China）正尋求戰略升級。「了不起的中國製造」專欄，力邀行業權威、資深玩家，呈現他們眼中的中國創新之路。

投稿請聯繫newsresearch_ntes@163.com，稿件一經刊用，將提供千字800元的稿酬。

——————————————

歡迎關注《了不起的中國製造》官方微博

歡迎關注《了不起的中國製造》網易號

編輯| 於冉帝