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发布时间:2017-11-24 15:05:15 作者:肖市生 王海涛 来源:景德镇在线

作为直升机标志性部件,旋翼如同飞鸟的翅膀,决定着直升机的命脉,是各直升机强国的核心秘密。在20世纪60~80年代,我国直升机的主要机型都还是采用常规的全铰接式旋翼,而当时国外已经在发展应用星形柔性、球柔性和无轴承旋翼技术了。因此,创新研发新一代旋翼,成为当时我国直升机行业发展迫在眉睫的问题。

为了充分发挥直8直升机大型平台的优势,国家提出要自主研发大型球柔性旋翼。回首过往,正是这次重点研究项目,开启了国产直升机旋翼系统从第二代到第三代跨越的历史大门。

“没技术,我们可以攻关”

国外对直升机旋翼系统用弹性元件技术一直进行封锁,而弹性元件作为球柔性旋翼的核心关键部件,其研发的成败决定了整个球柔性旋翼系统的研制成败与否。这其中,金属橡胶叠层设计、硫化模具设计、抗疲劳胶料、配套胶粘剂、热硫化成型和弹性轴承性能测试等各个方面的技术要求都很高,技术难度大,影响因素复杂,是弹性轴承研制的技术关键。面对没有蓝图的空白领域,“没技术,我们可以攻关”,便成了当时研发人员的口号。

金属橡胶叠层是弹性轴承的核心部分,由多层球型金属隔片与橡胶材料经粘接复合而成,粘接面积非常大,在动态应力的作用下,粘接层受到很大剪切应力,粘接的性能和可靠性将直接决定弹性轴承的性能和可靠性。旋翼攻关团队通过对胶层参数进行反复迭代修正,最终选定了一个综合性能较优的结构参数组合,完成了金属橡胶叠层胶层参数设计,还研制出了满足大型弹性轴承性能和成型工艺要求的粘接材料及粘接工艺。

硫化成型是弹性轴承研制成功的最后一个关键环节,其中注胶过程中的粘接性差和隔片易脱落是造成弹性轴承硫化成型失败两个必须解决的技术难题。研制团队经过多个工艺件的硫化试制,反复摸索试制过程中的温度、压力、预热时间等参数对成型效果的影响,克服了硫化过程中曾经出现的粘接性差、隔片易脱落等问题,如同研制灯泡而试验上万种灯丝的爱迪生,他们终于研制出了粘接性能和外观满足要求的弹性轴承。

经过近5年艰苦攻关,这款弹性轴承各项性能满足设计要求,完成了设计鉴定,国内首次实现了弹性轴承批量交付,不仅完成了型号研制任务,而且攻克了弹性轴承结构设计、硫化模具设计、抗疲劳胶料的配方和工艺、金属与橡胶粘接技术、精密成型工艺技术等5大关键技术,为后续的机型弹性轴承研制奠定了扎实的技术基础。

“自我否定是需要勇气的”

钛合金桨毂中央件也是球柔性旋翼研制中的关键件,其作用不言而喻。钛合金是国外先进球柔性旋翼桨毂中央件的首选材料,但当时国内并没有与之相当的锻件规格和技术水平,这成了主桨毂中央件研制的技术难点。

作为该旋翼地面鉴定试验、鉴定试飞和设计定型的第一技术负责人,时任直升机所旋翼传动技术室桨毂组组长李满福最担心的问题还是发生了,首件钛合金中央件疲劳试验件在试验中出现提前破坏、寿命不够的现象。

怎么办?是设计问题?材料问题?试验问题还是工艺问题?一连串的问号谁都无法解答。

“之前从未进行过如此大尺寸的钛合金锻件生产,在锻件毛坯生产过程中出现了锻件性能超差的问题,大家苦思冥想了很久还是没招。在紧张的进度要求下,设计员既当工艺员,又当检验员,对中央件的设计细节、制造工艺进行审视和质疑。在确认各个环节均满足设计状态的情况下,率先进行自我否定,承认设计失误。在紧迫的时间限制中,自我否定是需要勇气的,空气中似乎都带着窒息感。”对李满福来说,当初的场景仿佛历历在目。

研发团队随后成立了攻关小组,通过邀请国内专家进行专项研讨、研制团队内部头脑风暴,从材料、设计、工艺及试验等方面全面查找提前破坏原因,提出耳片刚度匹配性设计改进、关键部位抗疲劳细节设计改进、关键部位表面处理改进等改进意见,先进行典型试样验证再进行真实结构局部验证,最后进行中央件疲劳试验。经过考核验证,钛合金中央件疲劳寿命达到设计指标要求,确保了样机研究的质量和进度。

“每一点自主创新,都是我们的小幸运”

当时,金属结构的直8主桨叶升阻比小、悬停效率低、寿命短、难维护,已经不能满足新的性能要求,因此研制一套大尺寸的先进复合材料主桨叶便被提上议事日程,但重量控制、工艺制造、试验验证等诸多关键技术的难关又成了横跨在研发人员面前的大山。

重量控制是重中之重,确切地说是一点一点地在抠重量。该主桨叶的较大尺寸决定了其重量也相对较大,研发人员经过桨叶细节设计以及对重量、转动惯量的全面分析,发现桨叶根部是潜在的可挖掘减重部位。在对比分析多个方案和在保证足够挤压强度的前提下,确定了采用轻质材料的减重方案,这项自主创新的减重技术在复合材料桨叶设计上还是首次尝试。最终,整副旋翼桨叶减重达到9千克。

为了解决大型复合材料桨叶模压参数控制、桨叶模压质量控制和模压工艺的稳定性问题,设计员与工艺员一起做了大量的工艺摸索和方法创新,经过大量的实验,实现了大尺寸主桨叶的成功制造,完全掌握了复合材料桨叶成型技术。通过联合技术攻关,特别是通过模型桨叶的试制,摸索工艺特性,为产品试制打下基础。通过模拟件的制造调整和完善工艺参数,形成一套成型固化工艺参数与成型工艺方法;为保证主桨叶前缘包片与蒙皮的粘接强度,工艺部门通过大量工艺摸索试验,与设计人员首次尝试前缘包片特殊表面处理的工艺方案;由于主桨叶为多闭腔结构型式,工艺成型困难,且主桨叶加强肋容易弯曲变形,工艺人员自主创新研制了新型桨叶成型工装,拥有自主知识产权。

“每一点自主创新,都是我们的小幸运。”这是全体参研人员的心声。在不懈努力下,研发团队还一连串攻克了高性能桨叶气动设计、旋翼折叠技术、抗疲劳和试验验证技术难题,完成了主桨叶的气动设计、结构设计、动力学设计、强度设计、生产试制、试验和试飞等各阶段的工作,实现了主桨叶的成功研制,正是这一个个艰难的突破,才使得第三代旋翼的完全自主研制得以实现。

在搭载新型球柔性旋翼系统的AC313首飞那一天,很多研发人员百感交集、喜极而泣,国产直升机终于有了自己的“大翅膀”!搭载新研球柔性旋翼系统的民用大型直升机AC313成功飞越了海拔8472米高度,创造了国产直升机新的飞行纪录,再次震惊了世人。正是有了这副旋翼,中国航空直升机工业不断创造出国产直升机最大起飞重量、最大飞行高度、最大起降高度和高原最长飞行距离等多项纪录,填补了行业的大量空白。由此,中国的直升机才飞得更高、更快、更远。(航空工业直升机所 许小山 林志刚)来源:中国航空新闻网

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