直9直升機

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第二十八屆（2012）全國直升機年會論文

直升機機體材料的應(yīng)用與發(fā)展

王遇波1姜瀟英1郝文堯2

（1.陸軍航空兵學(xué)院機械工程系，北京，101123；2.77120部隊，成都，610081）

摘要：直升機雖然不像飛機那樣飛得高、飛得快，但也受其特殊環(huán)境和使用條件的制約，對材料提出了

嚴格的要求。本文主要介紹了直升機機體常用的材料，即輕合金與復(fù)合材料，介紹了它們的基本特點、應(yīng)

用及發(fā)展方向，最后簡單介紹了兩種功能材料在直升機上的應(yīng)用及發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：直升機機體;輕合金;復(fù)合材料;功能材料;應(yīng)用;發(fā)展

1引言

新材料的應(yīng)用是飛行器性能提高、更新?lián)Q代的重要標(biāo)志之一，正所謂一代材料一代飛行器。直

升機的發(fā)展歷程也是如此，每次新材料的推出都引領(lǐng)著直升機的更新?lián)Q代。伴隨著直升機的更新?lián)Q

代，直升機機體材料的發(fā)展應(yīng)用特點如下：

早期直升機機體采用木、布結(jié)構(gòu)，隨后出現(xiàn)了鋁合金和鋼的機體材料，再后在機體材料中增加

了鈦合金，目前復(fù)合材料已大量使用于機身結(jié)構(gòu)中，隨著新材料技術(shù)的快速發(fā)展，可以預(yù)見今后除

高性能復(fù)合材料和高損傷容限性能金屬結(jié)構(gòu)材料外，嶄露頭角的功能材料在直升機上也會大有作為。

2輕合金及超高強度鋼

輕合金和超高強度鋼都是航空航天器的主要結(jié)構(gòu)材料，他們的主要特點是比強度高，綜合性能

好，不同材料又各具特點，因此在直升機機體中的應(yīng)用部位也不盡相同。

2.1鋁合金

鋁合金的比強度和比剛度與鋼相似，但由于其密度小、延性好、耐腐蝕、易加工、價格便宜，

長期以來，鋁合金一直被大量用于直升機機體結(jié)構(gòu)，為機體主要結(jié)構(gòu)材料。鋁合金目前在民用飛機

結(jié)構(gòu)上用量約為70%~80%，在軍用飛機結(jié)構(gòu)上用量約為40%~60%。例如卡-50、卡-52機體主結(jié)構(gòu)

是鋁合金抗扭盒型梁；AH-2A機身主要結(jié)構(gòu)是工字梁硬殼式鋁合金抗墜毀結(jié)構(gòu)；卡-27、卡-29機體

為半硬殼式結(jié)構(gòu)，隔框、桁條、蒙皮由鋁合金制成，尾翼構(gòu)架是鋁合金結(jié)構(gòu)等等。

歐美國家航空鋁合金經(jīng)歷了靜強度鋁合金、耐腐蝕鋁合金、高純鋁合金及耐損傷鋁合金四代的

發(fā)展過程。在第四代鋁合金技術(shù)發(fā)展的同時，鋁—鋰合金在大型民用飛機A380上大量采用，使之

成為空客新一代飛機的一大特色。

含鋰鋁合金是鋁合金的一種，其成分是在鋁中加入鋰元素。鋰元素的加入，不但可以更大的降

低材料的密度，此外，其較高的比強度還可改善鋁合金強度差強人意的缺陷。含鋰鋁合金的另一個

優(yōu)點是彈性模量高，其比鋼度超過傳統(tǒng)鋁合金的比剛度。合金中每加入1%鋰，約降低密度3%，提

高彈性模量5%，所以航空航天工業(yè)對含鋰鋁合金有極大興趣。鋁鋰合金在直升機上主要用于機身框

架、垂直安定面、整流罩、進氣道唇口、艙門、燃油箱等部位。英、意合作生產(chǎn)的EH101直升機，

其機身框架、蒙皮和內(nèi)部結(jié)構(gòu)使用了相當(dāng)多的Al－Li合金板材和鍛件，使每架機質(zhì)量減輕200kg，

而據(jù)估計，直升機在整個服役期間每減輕1kg增加經(jīng)濟效益高達3000英鎊。但是鋁鋰合金由于技術(shù)

和價格等因素限制，目前應(yīng)用還不是很廣泛。

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我國在鋁合金領(lǐng)域始終在跟蹤國際先進技術(shù)，至今已走過幾個發(fā)展階段，但關(guān)鍵技術(shù)的突破以

及品種、規(guī)格的系列化發(fā)展和工程應(yīng)用水平距離國外還有較大差距，亟待建立第三、四代鋁合金完

善的材料體系。

2.2鈦合金

由于鋁合金所能承受的溫度載荷有限，致使鈦合金航空材料在20世紀70年代出現(xiàn)。鈦合金具

有比強度高、耐腐蝕性好和耐高溫等一系列優(yōu)點，能夠進行各種方式的零件成形、焊接和機械加工，

因而在先進飛機及發(fā)動機上獲得了廣泛應(yīng)用。當(dāng)今，鈦合金用量占飛機結(jié)構(gòu)重量的百分比已成為衡

量飛機用材先進程度的重要標(biāo)志之一。

鈦合金在新型戰(zhàn)斗機機體結(jié)構(gòu)上的用量已經(jīng)超過鋁合金，在F-22新型戰(zhàn)斗機中鈦合金用量已占

整機結(jié)構(gòu)重量的41%。在直升機上由于其費用昂貴，不能進行全機身應(yīng)用，只能在部分部件進行應(yīng)

用。例如米-8、米-17直升機的中機身，其頂棚即是由上部的隔框、桁條及鈦合金蒙皮鉚接而成，另

外，發(fā)動機防火隔板也采用了鈦合金；卡-31、卡-32機身為傳統(tǒng)的半硬殼式結(jié)構(gòu)，主結(jié)構(gòu)廣泛采用

鈦合金；EC-665“虎”式直升機機體結(jié)構(gòu)中鈦合金約占6%，發(fā)動機防火地板既可采用鈦合金材料，也

可用復(fù)合材料地板代替。

擴大鈦合金應(yīng)用領(lǐng)域的一個重要因素是把鈦與復(fù)合材料結(jié)合起來使用。例如用鈦螺栓鉚釘狀的

無沖擊緊固件代替?zhèn)鹘y(tǒng)上與薄釷板(箔材)結(jié)合的材料來強化復(fù)合材料的非調(diào)節(jié)區(qū)，可以制造卡-62直

升機機身組合成型時用的金屬復(fù)合接頭。另外以鈦合金為基體的復(fù)合材料，通過添加顆粒、晶須及

纖維等來強化，近幾年有相當(dāng)發(fā)展，并已開展發(fā)動機方面的研究。由于一般鈦合金只能在一定條件

下燃燒，阻燃鈦合金的研究也有相當(dāng)程度的開展。

2.3超高強度鋼

超高強度鋼具有極高的比強度和良好的韌性，是航空航天的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料，用于航空航天結(jié)構(gòu)

的主要承力件，如米-2采用普通的短艙尾梁半硬殼式結(jié)構(gòu)，主要承載接頭用合金鋼制成；米-8、米

-17直升機尾部結(jié)構(gòu)部分采用了高強度鋼。

超高合金鋼可以按照合金元素含量分為三類：低合金超高強度鋼（合金元素含量<5%），中合金

超高強度鋼（合金元素含量5%~10%），高合金超高強度鋼（合金元素含量>10%）。隨著結(jié)構(gòu)鋼的發(fā)

展，成為超高強度鋼的強度級別會逐步提高。但隨著材料技術(shù)的發(fā)展，許多承力件也逐漸由復(fù)合材

料代替，不過目前由于價格、技術(shù)等原因，還做不到完全替代，所以超高強度鋼在主要承力件中還

發(fā)揮著不可替代的作用。

3復(fù)合材料

3.1基本特點及應(yīng)用

復(fù)合材料是由兩種以上的材料通過某種方法結(jié)合而成的新材料，其中各組成材料一般仍保持其

原有特征，但它們彼此“取長補短”、”大力協(xié)同”，使新材料的性能比各單獨組分材料更優(yōu)異。復(fù)合

材料有很好的可設(shè)計性、耐腐蝕性、高比強度、高比剛度、疲勞壽命長、耐彈擊損傷等突出優(yōu)點，

成為當(dāng)今航空有效減重、改善飛行器性能的一種必不可少的材料。

目前復(fù)合材料在直升機上的應(yīng)用遠超出了固定翼的范圍，而且被廣泛應(yīng)用于直升機機體結(jié)構(gòu)和

升力系統(tǒng)上。復(fù)合材料在機身結(jié)構(gòu)上首先用于尾梁、垂尾和平尾等構(gòu)件上，一是為了減重，二是這

些部位外形曲面復(fù)雜，但結(jié)構(gòu)受載并不是很大，適合采用復(fù)合材料加工成形，以提高結(jié)構(gòu)損傷容限，

使用安全可靠。另外，直升機耐墜吸能結(jié)構(gòu)、隱身結(jié)構(gòu)的設(shè)計也有采用復(fù)合材料的需求。

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隨著復(fù)合材料的發(fā)展，目前已出現(xiàn)多種全復(fù)合材料的直升機。據(jù)報道，S-75，D292，波音360，

RAH-66，V-22，NH-90和BK-117等直升機均屬全復(fù)合材料機體。歐洲“虎”式武裝直升機復(fù)合材料

用量達到80%；NH-90戰(zhàn)術(shù)運輸機復(fù)合材料用量達95%，僅動力艙平臺、隔板仍采用金屬件，其余

部分均采用復(fù)合材料。另據(jù)1994年取得適航證的MD-900直升機，其主要結(jié)構(gòu)的重要部分全用復(fù)合

材料，在美國民用直升機上是首次。國外幾種直升機采用復(fù)合材料比重見圖1。

圖1幾種直升機復(fù)合材料占結(jié)構(gòu)比重

3.2復(fù)合材料在機體結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用特點

當(dāng)前直升機機體結(jié)構(gòu)根據(jù)結(jié)構(gòu)件的承載大小和使用環(huán)境，復(fù)合材料的使用具有以下特點：

1.主承力結(jié)構(gòu)，如龍骨大梁、主承力框等，由碳纖維（或石墨纖維）制成，并采用180℃高溫

固化，如RAH-66選用高溫固化的IM7/8552。

2.對于地板下部結(jié)構(gòu)，考慮到直升機墜地時要吸收能量，為保護乘員安全，通常選用芳綸纖維

（或與碳纖維混雜）和高韌性樹脂體系制造。

3.平尾、垂尾面板主要選用芳綸或碳纖維材料，梁選用碳纖維材料。

4.對于整流罩、艙門和次承力結(jié)構(gòu)等，采用芳綸纖維和芳綸紙蜂窩的夾層結(jié)構(gòu)，常用高溫固化。

如果重量允許，面板也可采用玻璃纖維制造。

5.動力艙平臺和防火隔板，通常仍采用鈦合金面板制造，但隨著耐高溫阻燃復(fù)合材料的技術(shù)成

熟，必將被其取代。

3.3復(fù)合材料在我國直升機上的應(yīng)用

我國在復(fù)合材料的研究與應(yīng)用方面雖然比世界先進水平有差距，但是現(xiàn)已取得長足進步，在直

升機設(shè)計上正從非承力件、次承力件的使用到承力件上使用，并將用到主承力件結(jié)構(gòu)上。

20世紀80年代生產(chǎn)的直8和90年代生產(chǎn)的直11等直升機用的復(fù)合材料較少，主要用在非承

力件的整流罩、口蓋等，用的材料主要以玻璃纖維為主。與國外合作的S-92直升機，在尾斜梁的整

流罩用了碳纖維結(jié)構(gòu)；EC-120直升機，駕駛艙骨架和頂棚用了碳纖維結(jié)構(gòu)，但這些都屬非主承力

件。而20世紀80年代，我國引進生產(chǎn)的直9直升機，其復(fù)合材料用量超過50%，廣泛應(yīng)用在升力

系統(tǒng)的旋翼、尾槳、槳轂和機體結(jié)構(gòu)的涵道垂尾、平尾、側(cè)垂尾、整流罩、口蓋等處，這為我國直

升機大面積使用復(fù)合材料打下了良好基礎(chǔ)。

4功能材料

在工程材料中，具有特殊物理性能、化學(xué)性能和生物性能的一類材料稱為功能材料。功能材料

是航空航天關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)，也是力量倍增（用最小的人力物力達到最大的戰(zhàn)績與戰(zhàn)果）的關(guān)鍵。航

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空航天工程中有許多功能性材料，這里主要介紹與直升機機體有關(guān)的隱身材料和智能材料。

4.1隱身材料

為適應(yīng)21世紀復(fù)雜電磁的戰(zhàn)場環(huán)境，許多直升機都不同程度的采取了隱身手段。在眾多隱身手

段中，除了相應(yīng)的機體設(shè)計外，另一個有效方式就是隱身材料的應(yīng)用。例如卡-60直升機機身蒙皮為

復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)，外面涂有能吸收雷達波的涂層，可減少被雷達探測的概率；EC-665“虎”式直升

機采用低反射性涂料和雷達波吸收涂層。大家所熟知的RAH-66“科曼奇”是世界上第一種具有隱身能

力的直升機，RAH-66除采用B-2和F-117的隱身技術(shù)外，還采用了專門為該機研究的隱身技術(shù)。其

隱身技術(shù)之一就是廣泛使用復(fù)合材料，其雷達反射面積是目前其他直升機的1%。

目前，隱身材料除滿足工作帶寬、厚度薄、質(zhì)量輕、隱身效果好的基本要求外，還在向著智能

化方向發(fā)展。所謂智能化就是可以彌補普通隱身材料目標(biāo)單一，只能被動地抑制目標(biāo)特征信號的缺

陷，而能夠在背景是十分復(fù)雜并且不斷變化的情況下，減小目標(biāo)和背景的可探測性的差別。20世紀

80年代，美國首先提出了智能隱身材料的概念。美國空軍于1985年，首先提出了光纖智能蒙皮的

概念和計劃，這種光纖智能蒙皮內(nèi)嵌入保型雷達、導(dǎo)航設(shè)備、目標(biāo)搜索和各種傳感器元件，使光纖

數(shù)字電路遍布飛機機翼內(nèi)，不僅可以隱身而且靈敏度高、易操縱，并可自動校正飛行。美國空軍懷

特實驗室，研究了一種聚苯胺基復(fù)合材料，可用于調(diào)節(jié)飛機蒙皮的亮度和顏色。智能化視覺隱身，

將使武裝直升機成為一條“變色龍”而難以被敵方發(fā)現(xiàn)、跟蹤和攻擊，大大提升了自身的戰(zhàn)場生存能

力。

4.2智能結(jié)構(gòu)材料

近年來，一些機敏材料如形狀記憶合金、壓電陶瓷等加上控制功能即可構(gòu)成一個智能系統(tǒng)。這

種系統(tǒng)能夠?qū)ν饨绛h(huán)境變化做出適時、靈敏和恰當(dāng)響應(yīng)，其本身具有傳感器、控制及驅(qū)動三種功能，

類似于生物的自適應(yīng)性，因此常稱之為智能材料。

智能材料在設(shè)計上有很大應(yīng)用潛力，它的研究、發(fā)展與應(yīng)用必將對直升機的發(fā)展產(chǎn)生深遠影響。

智能材料在直升機上應(yīng)用范圍很廣，從旋翼、發(fā)動機到機身、蒙皮，它都可以大顯身手。此處的智

能蒙皮與上述所講不同，此處智能蒙皮就是將傳感元件、驅(qū)動元件及微處理控制系統(tǒng)集成在一起植

入蒙皮的結(jié)構(gòu)材料中，用以改善機身氣動效果以及實現(xiàn)偵察、隱身、通信、識別、干擾等多種功能。

此外，對于結(jié)構(gòu)件來說，智能蒙皮還能判斷材料損傷、裂縫并進行自診斷、自修復(fù)、自適應(yīng)以及抑

制噪聲和振動。如果將這項技術(shù)應(yīng)用于未來直升機上，必將大幅提高直升機戰(zhàn)場生存能力。

目前，智能材料結(jié)構(gòu)尚處于試驗研究階段，離實際應(yīng)用還有一段距離，如智能旋翼、智能蒙皮、

減振降噪、損傷評估等技術(shù)大部分是實驗室研究項目或僅僅是一種想法。但這絲毫不會影響到智能

材料在直升機制造業(yè)中的應(yīng)用前景，可以相信，隨著人們對智能材料廣泛而深入的了解，智能材料

在直升機上甚至是航空航天各個領(lǐng)域中的應(yīng)用會越來越廣泛。

5結(jié)束語

直升機的設(shè)計準(zhǔn)則已經(jīng)從開始的靜強度設(shè)計發(fā)展到今天的損傷容限設(shè)計，設(shè)計選材時的重要決

定因素是壽命期成本、強度重量比、疲勞壽命、斷裂韌性、存儲期及可靠性、可維修性等。機體所

用材料也在向著高性能、高功能及多功能、復(fù)合化、智能化、低成本、高環(huán)境相容性的方向發(fā)展，

相信在不遠的將來更多的新材料將運用到直升機上，推動直升機性能的不斷改進與提高。

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TheApplicationandDevelopmentofTheHelicopter’s

AirframeMaterial

WangYu-bo1JiangXiao-ying1HaoWen-yao2

（iationInstituteofPLA,Beijing,101123,China;.77120PLA,Chengdu,610081）

Abstract:Thoughthehelicopterisn’tflyinghigherandfasterasotheraircraft,butfortherestrictionbyspecial

environmentandconditionofusing,perbrieflyintroducesthe

helicopter’sairframematerialsincommonu,suchasveralkindsoflightalloyandcompositematerialthat

theirbasicchaytwofunctional

materials’theapplicationanddevelopmenttrendonthehelicopterareintroducedinthispaper.

Keywords:Helicopter’sAirframe;LightAlloy;CompositeMaterials;FunctionalMaterials;Application;

Development