旋翼機(jī)最重要的部件就是旋翼，不同于直升機(jī)的旋翼，其不與發(fā)動(dòng)機(jī)相連，由前方氣流吹動(dòng)其自旋轉(zhuǎn)從而提供升力。旋翼設(shè)計(jì)及制造的好壞將直接影響旋翼機(jī)的性能，如果旋翼機(jī)旋翼出現(xiàn)故障斷裂，后果不堪設(shè)想。
早期旋翼機(jī)旋翼選材上多使用鋁合金等金屬材料。隨著材料學(xué)的不斷進(jìn)步，先進(jìn)復(fù)合材料因其可靠性更高、經(jīng)濟(jì)性更好、使用壽命更長(zhǎng)、旋翼性能更優(yōu)越等優(yōu)勢(shì)，逐漸成為旋翼制造材料的首選。相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，復(fù)合材料必將能在全機(jī)使用。
復(fù)合材料旋翼槳葉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
旋翼槳葉是細(xì)長(zhǎng)式旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)（彈性梁），為了產(chǎn)生升力必須高速旋轉(zhuǎn)（槳尖速度多在200m/s 以上），因此要承受很大的離心力載荷；同時(shí)又要考慮很大的交變氣動(dòng)載荷作用，槳葉的受力情況十分復(fù)雜。出于氣彈響應(yīng)及穩(wěn)定性的考慮，一般要求槳葉的整體有效重心在約25% 的弦長(zhǎng)前。因此，槳葉的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其剖面構(gòu)造形式多為前緣實(shí)而重、后緣薄而輕的非對(duì)稱(chēng)閉合載荷梁。
1 旋翼槳葉大梁選材
從航空航天領(lǐng)域發(fā)展的趨勢(shì)看，纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料逐漸成為制造航空航天飛行器結(jié)構(gòu)件材料的主流。在旋翼槳葉選材設(shè)計(jì)中，目前使用較多的是玻璃纖維或碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料。通過(guò)表1 的對(duì)比，從比強(qiáng)度、比剛度、比疲勞強(qiáng)度來(lái)說(shuō)，碳纖維也是很優(yōu)秀的材料，但是它更脆一些。而玻璃纖維復(fù)合材料因?yàn)槠鋬?yōu)異的縱向拉伸強(qiáng)度，輕質(zhì)、較高強(qiáng)度、較高模量以及穩(wěn)定的化學(xué)性能等特點(diǎn)，成為了制造旋翼機(jī)旋翼槳葉大梁材料的首選。
2旋翼槳葉剖面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
旋翼機(jī)旋翼翼型的選擇可以參考直升機(jī)翼型。在直升機(jī)翼型中，按照大梁的構(gòu)造劃分，比較常見(jiàn)的有C 形梁、D 形梁以及多管梁結(jié)構(gòu)。按照剖面分隔或封閉區(qū)間的劃分有單閉腔、雙閉腔和多閉腔等。依據(jù)表2 的對(duì)比結(jié)果，以及旋翼機(jī)旋翼因其特殊的自旋轉(zhuǎn)方式，不必考慮槳葉的扭轉(zhuǎn)力矩的特點(diǎn)，復(fù)合材料旋翼槳葉一般采用C 形結(jié)構(gòu)，這樣既能充分發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)，又能有效地節(jié)省成本，是旋翼機(jī)翼型的首選。
3槳尖結(jié)構(gòu)和槳根段結(jié)構(gòu)
傳統(tǒng)的直升機(jī)復(fù)合材料槳尖結(jié)構(gòu)，除蒙皮、大梁外，要求預(yù)制的零件多，相對(duì)復(fù)雜。而旋翼機(jī)旋翼就簡(jiǎn)單得多，在旋翼槳尖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，主要采用整流罩封閉槳葉尖端就可以了。相應(yīng)的槳尖配重也可以在整流罩中填加金屬塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。至于槳尖形狀，考慮到制造成本，仍采用傳統(tǒng)的矩形槳尖即可。當(dāng)然，隨著旋翼機(jī)的發(fā)展和功能的強(qiáng)大，以后的旋翼機(jī)槳尖形狀也將如直升機(jī)一般，開(kāi)始嘗試由單純的矩形槳尖到尖削槳尖、尖削后掠槳尖、拋物形槳尖等變化。
同理，考慮到旋翼機(jī)多采用的旋翼蹺蹺板式結(jié)構(gòu)，以及為了避免旋翼根部處應(yīng)力載荷過(guò)大，造成旋翼根部疲勞斷裂，和保證傳力、受力狀態(tài)良好，旋翼槳葉與旋翼轂的連接多為如圖1 所示結(jié)構(gòu)，采用加強(qiáng)板螺栓連接形式。故而在旋翼槳葉根部處設(shè)計(jì)時(shí)，亦可設(shè)計(jì)成整流罩或者切斷面直接封閉形式。此種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易。
4 蒙皮鋪設(shè)
旋翼槳葉蒙皮提供槳葉的主要升力面和扭轉(zhuǎn)剛度，承受部分離心力和彎矩，是槳葉的外部維形件也是重要的次承力件。蒙皮的鋪設(shè)一般選用織物，通常采用玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料或玻璃纖維與碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料混合鋪層。蒙皮內(nèi)表面與大梁相貼，外表面有時(shí)需要增加一層薄的預(yù)浸平紋玻璃布，保護(hù)碳布蒙皮因損傷帶來(lái)的表面應(yīng)力集中問(wèn)題，可獲得較高的表面粗糙度。主要以±45°對(duì)稱(chēng)鋪層為主，輔助以少量的0°/90°鋪層。
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