直升機(jī)旋翼槳葉防護(hù)材料耐砂蝕評(píng)價(jià)技術(shù)研究進(jìn)展

龔情，范金娟，黃遙，鄭林峰

(1.中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 300001；2.北京航空材料研究院，北京 100095)

0 前言

現(xiàn)代高科技戰(zhàn)爭(zhēng)中，軍用直升機(jī)在復(fù)雜環(huán)境下服役的可靠性是影響其戰(zhàn)斗力的關(guān)鍵因素。直升機(jī)與固定翼飛機(jī)相比，其飛行高度一般在6000m以下，甚至在超低空15～30m之間，巡航速度約為280 km/h，是一種中低空、低速飛行器，常服役于濕/熱、干/寒、沙塵/雨淋及海水等惡劣環(huán)境條件，且頻繁服役于低空、重雨水場(chǎng)和未鋪砌路面跑道(帶沙塵云環(huán)境)。砂石、雨水拍打在其復(fù)合材料表面，易導(dǎo)致復(fù)合材料中的纖維斷裂或界面分層，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)提前失效[1-10]。

先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料具有優(yōu)異的疲勞強(qiáng)度、多路傳載、緩慢的裂紋擴(kuò)展特性和簡(jiǎn)便易操作的模壓成型工藝等顯著優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)使其逐步替代了傳統(tǒng)的鋁合金、不銹鋼等材料在直升機(jī)旋翼槳葉上的應(yīng)用。直升機(jī)旋翼槳葉復(fù)合材料的應(yīng)用發(fā)展如圖2所示。20世紀(jì)70年代后期以來，新研制的直升機(jī)幾乎都采用了復(fù)合材料槳葉[11-14]。但因纖維增強(qiáng)復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度低、層間剪切強(qiáng)度低等缺點(diǎn)，復(fù)合材料在服役過程中槳葉易受到砂石的擊打而導(dǎo)致部件提前失效。復(fù)合材料旋翼槳葉耐砂塵等固體顆粒沖刷腐蝕防護(hù)逐漸成為是型號(hào)設(shè)計(jì)中重點(diǎn)研究的問題之一。國(guó)內(nèi)外采取了多種方式進(jìn)行直升機(jī)槳葉耐砂蝕的防護(hù)，如在槳葉前緣包覆鐵合金、鈦合金、鎳合金等金屬材料以及采用聚氨酯、聚碳酸酯等非金屬材料進(jìn)行防護(hù)，或在槳葉上直接噴涂防護(hù)涂料進(jìn)行砂蝕防護(hù)[15-18]。為了進(jìn)一步提高防護(hù)效率，減少維護(hù)和更換成本，國(guó)內(nèi)外一直致力于各類材料的耐砂蝕試驗(yàn)研究，國(guó)外已建立了完備試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)并開發(fā)出了一些試驗(yàn)設(shè)備。本文主要介紹一些國(guó)內(nèi)外旋翼槳葉砂蝕防護(hù)材料評(píng)價(jià)技術(shù)方法。

圖2 直升機(jī)旋翼槳葉復(fù)合材料應(yīng)用發(fā)展(20世紀(jì)及以后)

1 砂蝕評(píng)價(jià)技術(shù)發(fā)展

軍用直升機(jī)所處的砂塵環(huán)境一般兼具自然砂塵土環(huán)境及誘發(fā)砂塵環(huán)境，其中自然砂塵環(huán)境是自然因素影響而造成在空氣中有一定的砂塵含量，誘發(fā)塵土環(huán)境是由于旋翼氣流的作用，地面砂塵卷揚(yáng)而起，在直升機(jī)周圍形成的砂塵環(huán)境[19]。砂塵顆粒作用于旋翼槳葉或保護(hù)帶表面，與其發(fā)生撞擊，易引起旋翼槳葉表面材料產(chǎn)生凹坑、分裂、分層等缺陷，如圖3所示，沖蝕的嚴(yán)重程度與沖蝕作用時(shí)間、撞擊速度、撞擊角度、砂粒類型、單位時(shí)間作用在被沖刷物體的表面的砂子質(zhì)量均有關(guān)系[20-22]。

圖3 砂粒沖蝕到物體表面相互作用示意圖

20世紀(jì)六七十年代，各國(guó)在研制直升機(jī)時(shí)忽略了塵土、砂粒、濕度、高溫等影響，在此期間直升機(jī)槳葉未采用額外的材料進(jìn)行防護(hù)，僅對(duì)直升機(jī)旋翼槳葉在砂石、塵土等環(huán)境中存在腐蝕問題進(jìn)行了外場(chǎng)調(diào)研及外場(chǎng)加速試驗(yàn)，逐漸發(fā)現(xiàn)直升機(jī)旋翼槳葉曝露于塵土、砂粒、濕度、高溫環(huán)境會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的侵蝕現(xiàn)象[19]，嚴(yán)重加劇直升機(jī)在外場(chǎng)的維護(hù)成本。20世紀(jì)60年代，在東南亞戰(zhàn)場(chǎng)上，這些因素使美國(guó)的直升機(jī)大量的零部件過早失效，備件的消耗量大增；在中南半島一架直升機(jī)使用三年期間的備件價(jià)值，實(shí)際上已等于該直升機(jī)的初始采購(gòu)費(fèi)。隨后1991年海灣戰(zhàn)爭(zhēng)期間，美國(guó)的直升機(jī)作戰(zhàn)損失很輕微，但是因伊拉克高溫、砂塵暴等惡劣環(huán)境導(dǎo)致非戰(zhàn)斗的使用損傷高[8]。其中旋翼槳葉被砂粒侵蝕嚴(yán)重，美國(guó)開始逐漸重視旋翼槳葉防砂蝕設(shè)計(jì)并進(jìn)行了大量的砂蝕試驗(yàn)研究。直升機(jī)旋翼槳葉防護(hù)材料砂蝕試驗(yàn)研究情況見表1。

表1 直升機(jī)旋翼槳葉防護(hù)材料砂蝕研究情況[4,18,23-28]

2 國(guó)內(nèi)外砂蝕試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

各國(guó)都開展并制定了可用于評(píng)價(jià)旋翼槳葉防護(hù)材料耐砂蝕性能的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。主要有兩類：一類是裝備環(huán)境適應(yīng)性標(biāo)準(zhǔn)，一類是涂層防護(hù)材料耐磨試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。第一類標(biāo)準(zhǔn)主要以GJB 150.12A—2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法 第12部分：砂塵試驗(yàn)》以及MIL-STD-810G航空航天及地面設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法》為典型，適用于地面停放或靜止?fàn)顟B(tài)工作時(shí)裝備的砂塵試驗(yàn)，不適用于確定機(jī)載設(shè)備在飛行中的磨蝕問題。第二類標(biāo)準(zhǔn)以GB/T 23988—2009《涂料耐磨性測(cè)定 落砂法》和ASTM G76《噴氣法測(cè)定固體顆粒腐蝕試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》為典型，可用于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)量不同材料耐固體顆粒侵蝕的篩選試驗(yàn)[29-31]。

2010年美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室最終推出了直升機(jī)槳葉前緣材料耐顆粒/砂磨蝕試驗(yàn)方面專用試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-3033《旋翼槳葉防護(hù)材料耐顆粒物/砂塵試驗(yàn)》。該標(biāo)準(zhǔn)于2010年7月獲得批準(zhǔn)，2010年9月發(fā)布。該標(biāo)準(zhǔn)適用于各類直升機(jī)耐磨蝕防護(hù)層在飛行中的磨蝕試驗(yàn)，沖擊速度可達(dá)224 m/s，且沖擊角度可調(diào)，現(xiàn)已應(yīng)用于美軍三軍及海岸警衛(wèi)隊(duì)，具體情況見表2[32-34]。國(guó)內(nèi)外砂蝕試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表2 MIL-STD-3033適用情況

表3 國(guó)內(nèi)外砂蝕試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

3 旋翼槳葉砂蝕試驗(yàn)考核新發(fā)展

研究者們一直致力于尋求更加高速、有效的驗(yàn)證方式，主要可分為仿真試驗(yàn)及積木式考核(分級(jí))驗(yàn)證，通過仿真試驗(yàn)可極大節(jié)約研究試驗(yàn)的試驗(yàn)件及試驗(yàn)設(shè)備的投入成本，通過積木式分級(jí)驗(yàn)證(平面件級(jí)、小尺寸件級(jí)、全尺寸件級(jí))，可節(jié)約大量平行試驗(yàn)的試驗(yàn)成本，同時(shí)可更加精準(zhǔn)模擬旋翼槳葉防護(hù)材料的實(shí)際工作狀態(tài)，獲得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，指導(dǎo)前期設(shè)計(jì)工作并進(jìn)行合理壽命預(yù)測(cè)[18,27-35]。

3.1 仿真試驗(yàn)

仿真試驗(yàn)通過輸入大量的參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，每個(gè)變量都單獨(dú)可控，可準(zhǔn)確分離出單個(gè)變量對(duì)砂蝕試驗(yàn)結(jié)果的影響規(guī)律，指導(dǎo)槳葉防護(hù)設(shè)計(jì)。2010年德克農(nóng)州立大學(xué)進(jìn)行了砂蝕仿真試驗(yàn)研究， 利用前人的試驗(yàn)研究基礎(chǔ)，輸入更加全面的砂粒參數(shù)(砂粒尺寸、砂粒大小、砂粒形態(tài))進(jìn)行模擬試驗(yàn)研究，并輸入不同材料參數(shù)模擬不同的防護(hù)材料發(fā)生侵蝕的過程，極大地節(jié)約了研究試驗(yàn)投入成本[28]。

3.2 積木式考核試驗(yàn)

實(shí)際直升機(jī)旋翼槳葉段的相對(duì)入流條件高度依賴于旋翼幾何條件和旋翼運(yùn)行條件。2016年美國(guó)航空應(yīng)用理事會(huì)發(fā)起了旋翼槳葉耐久性試驗(yàn)項(xiàng)目，在該項(xiàng)目中區(qū)別于純平面件考核，分三個(gè)階段進(jìn)行了砂蝕考核試驗(yàn)，三個(gè)階段對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)件為：平面件、縮比小尺寸件、全尺寸件(圖4)。該項(xiàng)目為了設(shè)計(jì)出具備1 000飛行小時(shí)侵蝕壽命、自適應(yīng)除冰等多項(xiàng)優(yōu)異性能的槳葉，選取大量不同種類的防護(hù)材料，依次進(jìn)行平面件試驗(yàn)、縮比件試驗(yàn)及全尺寸件試驗(yàn)，逐級(jí)篩選及淘汰，最終選出滿足要求的防護(hù)材料，獲得更貼近實(shí)際服役狀態(tài)的試驗(yàn)結(jié)果[18]。

圖4 積木式考核試驗(yàn)件圖

4 結(jié)束語

目前，我國(guó)采用前緣包鐵及聚氨酯保護(hù)膠帶等作為直升機(jī)旋翼槳葉的防護(hù)材料，而對(duì)其砂蝕磨損的研究幾乎為零。而我國(guó)現(xiàn)有的砂蝕試驗(yàn)裝置和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也不能對(duì)直升機(jī)旋翼槳葉的防護(hù)材料進(jìn)行有效的考核與評(píng)價(jià)。其中，我國(guó)砂蝕試驗(yàn)設(shè)備及標(biāo)準(zhǔn)中的撞擊速度、撞擊強(qiáng)度等主要技術(shù)參數(shù)，與直升機(jī)關(guān)鍵部件，如槳葉等在誘發(fā)環(huán)境條件下的實(shí)際撞擊情況相比有較大的差距，不能準(zhǔn)確地模擬直升機(jī)旋翼槳葉等關(guān)鍵構(gòu)件在砂塵環(huán)境下的飛行狀態(tài)，存在較大局限性，尚未制定出類似美國(guó)MIL-STD-3033專用直升機(jī)旋翼槳葉防護(hù)材料耐砂蝕試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。希望通過科研工作者的努力，早日制定適用于評(píng)定各類直升機(jī)在飛行狀態(tài)下旋翼槳葉防護(hù)材料耐磨蝕能力的標(biāo)準(zhǔn)，用于評(píng)估各類防護(hù)材料的性能及預(yù)測(cè)防護(hù)材料在外場(chǎng)的使用壽命，從而達(dá)到較少維護(hù)和更換成本的目的。