直升機槳葉耐顆粒物/砂磨蝕標準分析

潘煥友，楊 天

(中國航空綜合技術研究所，北京 100028)

0 引言

超低空低速飛行、懸停或起降時，直升機的機體及結構件等將受到顆粒物/砂的嚴重磨蝕作用，旋翼槳葉損耗嚴重，影響任務的完成。以美軍為例，2003年陸軍的一份研究報告顯示，包括“伊拉克行動”在內的12個月，AH －64、CH －47、UH －60等直升機的槳葉費用總額竟然高達18，900萬美元，其中很大一部分是因為顆粒/砂磨蝕導致的槳葉更換所造成的，每架直升機因換新槳葉而發生的費用平均為50萬美元。在整個西南亞地區，處于風險中的旋翼槳葉總體價值約為 32，800 萬美元［1］。

更為重要的是，槳葉耐磨蝕防護若不能真正起到防護作用，將產生重大影響。當顆粒/砂磨蝕防護作用喪失時，顆粒/砂將侵襲失去防護的槳葉金屬基體，從而打出火花，產生“光暈”或“電暈”，亦即科普－埃切爾斯效應(如圖1所示)，這對夜間行動極為不利;同時，耐磨蝕防護喪失后，槳葉的氣動外形及結構發生變化，將使旋翼的氣動性能及槳葉的承載能力等受到影響。無論上述哪種情況出現，都將影響人員的生存及任務的完成，甚至導致災難性的后果。

圖1 科普－埃切爾斯效應

為了防止顆粒物/砂磨蝕帶來的不利影響，各國都開展了標準研究并制定了各層次的標準用于指導裝備研制等工作。但目前國內GJB 1171—1991及環境適應性標準GJB 150.12A—2009等中規定的撞擊速度、磨蝕撞擊強度等主要影響磨蝕效果的技術參數不能反映真實誘發環境下的磨蝕模式，與直升機關鍵部件如槳葉等在誘發環境條件下的實際撞擊情況相比有較大的差距，這對于未來直升機在嚴酷砂塵環境下作業是一個較大的安全隱患。國內外相關標準的分析研究對國內標準的制定及裝備工作的開展具有明顯的指導、借鑒作用。

1 槳葉耐顆粒物/砂磨蝕標準技術要素分析

1.1 槳葉顆粒物/砂磨蝕產生的機理

1.1.1 自然環境顆粒物/砂磨蝕

在砂塵環境中，顆粒物/砂在自然風作用下撞擊到槳葉上，產生磨蝕等作用。

直升機停放狀態下，自然風吹起的顆粒物/砂對槳葉有磨蝕作用，撞擊的速度為自然風速，最大速度為 29m/s(約 10 級風)［2］、［3］，撞擊的部位主要由直升機相對于風的停放方位決定，部位相對分散，旋翼槳葉主要集中在下表面及槳尖、前后緣，尾槳槳葉則可為任何部位。顆粒物/砂，特別是尖銳、硬度較大的顆粒物/砂對槳葉的不斷撞擊，將使槳葉結構材料逐漸流失，產生磨蝕效應。

1.1.2 誘發環境顆粒物/砂磨蝕

1)誘發環境分析

直升機在砂塵環境中懸停或低高度慢速飛行時，旋翼槳葉的下洗氣流將地面的顆粒物/砂卷起，撞擊于高速旋轉的槳葉上，對槳葉產生磨蝕作用，如圖2所示。

圖2 下洗氣流誘發環境

2)撞擊發生的時機分析

當直升機的相對高度較高時，旋翼下洗氣流作用不到地面，大氣中大尺寸顆粒物/砂存在的可能性很小，不會發生槳葉與顆粒物/砂之間的磨蝕作用;當直升機的相對高度較低，但前飛速度較大時，誘發砂塵環境的嚴重程度大大降低，顆粒物/砂對槳葉的磨蝕作用顯著降低;當直升機的相對高度較低且速度較慢時，下洗氣流將卷起地面的顆粒物/砂從而產生較嚴重的砂塵環境。

3)撞擊部位分析

旋翼槳葉產生的下洗氣流卷起地面的顆粒物/砂，但同時下洗氣流在地面到槳盤平面這一區域逐步吹散旋翼槳葉正下方的顆粒物/砂，所以，顆粒物/砂與槳葉撞擊的部位主要為前緣和槳尖;假設卷起的顆粒物/砂垂直向上運動，由于槳葉翼型特殊的結構，尾槳槳葉與顆粒物/砂的撞擊部位也主要為前緣和槳尖。

1.2 顆粒物/砂磨蝕標準技術要素分析

與誘發環境條件下槳葉受顆粒物/砂磨蝕作用相比，自然環境條件下槳葉受顆粒物/砂磨蝕的撞擊速度、磨蝕強度等主要因素要小得多，所以以下只分析誘發環境下槳葉顆粒物/砂磨蝕標準的技術要素。

1.2.1 撞擊速度分析

撞擊時顆粒物/砂相對于槳葉的速度為顆粒物/砂上揚速度與槳葉速度的矢量和。誘發環境主要發生在小高度懸停、起飛、著陸狀態，這些典型狀態下槳葉速度近似等于槳葉旋轉的線速度，而槳葉附近顆粒物/砂上揚速度較小，相對于槳葉旋轉的線速度為小量級，所以顆粒物/砂與槳葉的撞擊速度近似等于撞擊部位槳葉的旋轉線速度，如圖3所示。

圖3 顆粒物/砂撞擊速度

在直升機起飛、著陸、低空懸停、低空低速飛行等狀態下，顆粒物/砂相對于槳葉的速度近似等于撞擊部位的槳葉線速度。槳尖部位的線速度最大，傳統直升機旋翼槳尖的速度為180 m/s～220m/s［4］，再疊加直升機其它方向的速度分量(風速、小量值的各方向運動速度分量等)，實際撞擊速度值為230m/s左右。

1.2.2 磨蝕介質

1)組成

國內研究分析收集到的顆粒物/砂以及標準中規定的磨蝕介質的成份主要為二氧化硅，另外還有一定比例的氧化鐵、氧化鋁、氧化鈣、氧化鎂、氧化鉀、碳酸鈣［2、3］等。其他國家標準及有關研究的資料顯示，世界各地砂塵的主要成份也是二氧化硅［1、5、6］。磨蝕作用主要發生在前緣包片破損以前。顆粒物/砂對槳葉的侵蝕作用主要為磨蝕，所以應重點關注的是介質的物理特征，而不是化學成份，結合國內外的研究，磨蝕介質可選擇石英砂。

2)粒度分布

誘發環境下磨蝕介質的粒度分布取決于下洗氣流產生的流場條件及地理環境，對于顆粒尺寸連續分布的砂塵環境，太小的顆粒易被下洗氣流吹散，磨蝕作用也有限，可不列入考慮的范圍，或不作為主要的考慮對象;而過大的顆粒則不易被下洗氣流卷起與槳葉發生碰撞。下洗氣流對地面發生作用的速度范圍為0～30 m/s左右，在這一速度范圍內可卷起并可與旋翼槳葉發生撞擊產生磨蝕的顆粒物/砂的尺寸應分布于一定范圍，所以，撞擊顆粒物/砂的粒度應連續分布在某一尺寸范圍內。

3)加工方式與重復使用

與槳葉發生碰撞的顆粒物/砂要么嵌入到槳葉的基體材料中，要么在發生撞擊后被下洗氣流吹散，所以，實際過程中同一顆粒物/砂與槳葉發生重復撞擊磨蝕的可能性是比較小的。

顆粒物/砂與槳葉撞擊使槳葉磨蝕的同時，其銳度也會減小，切削能力降低，重復使用會降低砂子的磨蝕效果，同時，重復使用還存在污染等問題，所以試驗中不應重復使用磨蝕介質。

試驗考核是為了驗證最為嚴酷狀態下的磨蝕效果。美國的研究表明，只有高爾夫球場砂坑中的砂子，以及經由輾制或軋制而成的石英砂才具有西南亞地區砂子的磨蝕效果。從最嚴酷磨蝕效果的目的以及直升機任務區域不確定性出發，應采納到目前為止最具磨蝕效果的介質，即輾制或軋制而成的石英砂或高爾夫球場的坑砂。

1.2.3 顆粒物/砂強度

顆粒物/砂強度的表示方法主要有兩種:一種是濃度(單位體積中顆粒物/砂的重量)，這一概念側重于描述自然狀態下砂塵的強度;另一種是質量載荷(沖擊到試件上的單位暴露表面顆粒物/砂的重量)，側重于顆粒物/砂對被撞擊物的作用強弱。二者之間的關系如下:

質量載荷=濃度×撞擊速度×時間

濃度較好地復現真實的自然環境，但需要模擬的試驗模式多，試驗過程長，試驗裝置復雜，成本高;質量載荷較真實地反映被撞擊面受顆粒物/砂作用的強弱，復現真實模式的效果差，但試驗實現簡單，過程受控，模式典型，試驗裝置相對簡單，成本較低。試驗的目的是考查磨蝕的效果，為了提高試驗的效率，對于本試驗，復現真實的工作狀態宜作為輔助或必要的佐證手段，作為主要手段則太過復雜。應使用質量載荷進行試驗。

1.2.4 撞擊角度

實際撞擊方向基本為槳葉線速度的反方向，各個部位撞擊角度隨槳葉前緣結構不同而不同。美國的研究表明，在其他條件相同的情況下，不同的撞擊角度，對同一材料的磨蝕效果是不同的。雖然國外有一定的參考數據，但這方面的具體數值有待結合國內試驗設備及試驗條件的實際，使用國內材料和典型結構，由試驗獲得。撞擊角度也可在材料試驗中獲取相關的數據。

1.2.5 試驗件

用于試驗的對象或試驗物通常為實物、比例模型及試樣。實物模擬實際工作狀態試驗的結果最具代表性，但實現困難、費用高、效率低;比例模型具有較好的代表性，可有效節約經費，提高效率;試樣的關鍵在于其合理性、代表性及有效性必須得到充分的保證。

該試驗關鍵在于考核耐磨蝕能力，在論證充分及驗證確實可行的情況下宜采用試樣試驗。

2 耐顆粒物/砂磨蝕標準介紹

2.1 美國標準

因為耐顆粒物/砂磨蝕相關標準對于武器裝備的研制具有重要意義，所以美國從20世紀60年代就開始制定相關標準。美國耐顆粒物/砂相關的標準主要有三類:第一類是環境適應性試驗方法標準;第二類是裝備試驗方法標準;第三類是材料標準。

2.1.1 環境適應性標準

環境適應性標準主要為MIL－STD－810，該標準于1962年6月14日首次發布，名稱為《航空航天及地面設備環境試驗方法》，先后已完成8次修訂，最后一次修訂于2008年10月完成并更名為《環境工程要求與實驗室試驗》。我國環境適應性方面的標準GJB 150.12主要就是參照MIL－STD－810制定的。

2.1.2 裝備標準

裝備專用試驗方法標準為MIL－STD－3033《旋翼槳葉防護材料耐顆粒物/砂塵試驗》。

在歷次西南亞沖突中，美國陸軍航空兵因槳葉的顆粒物/砂磨蝕付出了巨大的代價，僅2002到2003年度，包括在伊拉克的行動在內，AH－64、CH－47、UH－60的槳葉費用總額竟然高達近2億美元。有鑒于此，陸軍航空兵工程部要求陸軍研究實驗室開展相關課題的研究，制定直升機槳葉前緣材料耐顆粒/砂磨蝕試驗方面的標準。

該課題組由陸軍領導，另外3個相關單位參與。課題的最終目的是使人們能夠比較各種新興的涂鍍層和防護系統對槳葉基材的防護能力，找出一些備選方案，從而減少砂塵腐蝕維修工時，延長槳葉服役壽命。經過對試驗協議的反復研判評價，分析試驗結果，課題組起草了標準。

蠟熟末期是小麥的最佳收獲期[6]。如果到了完熟期收獲，不僅不能增產，相反還可能減少一定的產量。所謂蠟熟末期就是麥穗上的麥粒還沒有完全變黃變硬，質地很像蠟質，用指甲能掐斷。此時麥田外觀總體已經變黃，但莖稈仍有彈性，不易折斷，穗子及穗下莖變黃，最上一個節及附近葉鞘仍微帶綠色。80%～90%的籽粒變為黃色，胚乳蠟質狀，稍硬，還有10%～20%的籽粒腹溝呈黃綠色，此時麥粒的含水量為25%～35%。

標準化辦公室(單位代號:Army－MR)負責與企業和政府代表協調標準草案，征求他們的意見。標準草案數易其稿，方定稿報批。課題組成員分頭向國防部旋翼機腐蝕工作組和飛機老化聯合研究會介紹這項標準。對收集到的意見，課題組一一作了多角度的研究審查，做出處理。最終推出的是標準MIL－STD－3033《旋翼槳葉防護材料耐顆粒物/砂塵試驗》。該標準2010年7月28日獲得批準，2010年9月30日發布。

該標準適用于美軍三軍及海岸警衛隊，具體情況見表1。

表1 MIL－STD－3033適用情況

由于解決了急需，并具有巨大的軍事與經濟效益，該標準最終成為2010年美國防部標準化局標準化工作七個獲獎項目之一，而這一獎項只授予那些通過在標準化方面的努力，顯著地提高了裝備技術性能、操作性、安全性，或顯著降低了費用等的項目團隊或個人。

2.1.3 材料標準

材料標準主要為協會標準，如ASTM標準等。

2.2 俄羅斯及IEC標準

俄羅斯耐顆粒物/砂相關標準為 ГОСТ Р52560－2006《機器、設備和其它技術產品對外部氣候因素作用穩定性試驗方法 砂(塵)試驗》(Методы испытаний на стойкость к климатическим внешним воздействующим факторам шашин，приборов и других технических изделий ИСПЫТАНИЯ НА ВОЗДЕЙСТВИЕ ПЫЛИ(ПЕСКА))。該標準由俄羅斯標準化技術委員會TC341“外部影響”組織編寫，TC341主要制定環境方面的標準，ГОСТ Р52560－2006為其制定的“機器、設備和其它技術產品對外部氣候因素作用穩定性試驗方法”系列標準中的一項。ГОСТ Р52560－2006以下列IEC標準為基礎制定:

IEC 60068－2－68:1994《外部因素影響試驗方法第2部分試驗試驗L砂塵》;

IEC 60529:1989《防護等級 保護殼防護(代號IP)》。

IEC 60068－2－68:1994和IEC 60529:1989是電子產品標準，而以此為基礎制定的ГОСТ Р52560－2006是適用于所有種類技術產品的標準。ГОСТ Р52560－2006的適用范圍中唯一的例外是對于航空發動機提出的，ГОСТ Р52560－2006規定:“對于航空發動機的驗證可以規定與 ГОСТ Р 52560－2006不一致的參數和狀態”。

2.3 中國標準

國內標準中與耐顆粒物/砂磨蝕相關的標準主要為:GJB 1171—1991《軍用直升機防砂塵要求》，GJB 150.12—1986《軍用設備環境試驗方法 砂塵試驗》，GJB 150.12A—2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法第12部分:砂塵試驗》。

GJB 1171－1991是在以原南京航空學院為主開展的實驗室研究，以及以陸航為主開展的部隊使用研究基礎制定的;GJB 150.12是中國航空綜合技術研究所等單位在分析研究MIL－STD－810的基礎上，結合我國實際制定的。

3 耐顆粒物/砂磨蝕標準分析

國內外耐顆粒物/砂磨蝕相關標準的標準要素(磨蝕介質、介質粒度分布，撞擊速度、撞擊強度、撞擊角度等)對比見表2。具體分析如下:

1)在磨蝕介質方面，所有標準的要求都為石英砂，但MIL－STD－3033對加工方式或選取途徑進行了詳細的規定，增加了嚴苛程度，也便于操作。

2)在粒度分布方面，除GJB 1171—1991的分布過寬以外，其他標準基本上都要求粒度相對集中地分布在200μm～600μm的范圍內，與2.2中的分析比較吻合。

表 2 主要耐粒物/砂磨蝕標準對比［2、5－8］

3)在撞擊速度方面，MIL－STD －3033、ГОСТ Р52560—2006都規定了較大的速度數值，ГОСТ Р52560—2006的要求雖然沒有達到實際撞擊速度，但指出了航空產品應規定特定要求，而其他標準的數值與槳葉－顆粒物/砂的撞擊速度相差較大。

4)在磨蝕撞擊強度方面，其他標準的數值較一致，但遠小于MIL－STD－3033的規定值。

5)從圖1中可以觀察到，在磨蝕撞擊過程中存在明顯的靜電荷聚積效應效果，但國內外標準均沒有給出靜電積聚效應驗證的相關內容。另外，由于槳葉結構的特殊性，耐顆粒物/砂磨蝕還應與防雷擊、防除冰、雨砂混合撞擊等綜合考慮，這一點所有標準也均未涉及。

4 結論及建議

4.1 結論

通過本文分析可以得出如下結論:

1)自然環境條件與誘發環境條件下顆粒物/砂磨蝕作用的嚴酷程度相差非常明顯，標準引用，特別是裝備研制過程中應嚴格區分自然環境條件與誘發環境條件，避免欠標準化與過標準化問題發生;

2)不管是國外的MIL－STD－3033，還是國內的GJB 1171—1991，在槳葉耐顆粒物/砂磨蝕方面的內容還有不完善的地方，需要不斷開展研究以促進旋翼槳葉耐磨蝕標準，乃至槳葉技術的發展提高。

4.2 建議

國外相關標準是在作戰使用經驗的基礎上，經過研究、試驗后制定的，我國直升機將在國防及國民經濟建設等活動中獲得越來越多的應用，基于國內直升機產業未來發展及現有標準體系現狀，建議:

1)裝備研制等相關工作應首先借鑒采用國外先進標準的內容，并盡快開展耐磨蝕相關標準的研究、制定工作;

2)研究工作可參照MIL－STD－3033等標準的內容，結合我國直升機任務環境剖面及環境特點，綜合考慮顆粒物/砂磨蝕、防雷擊、防除冰、雨砂混合撞擊等因素。

［1］直升機旋翼槳葉磨蝕防護材料試驗新標準［S］.北京，2011，4/6:9 －15.

［2］吳彥靈，陳明，劉智良.GJB 150.12A－2009軍用裝備實驗室環境試驗方法第12部分:砂塵試驗［S］.北京，2009.

［3］張金根，徐國瑞.GJB 150.12－1986軍用設備環境試驗方法 砂塵試驗［S］.北京，1986.

［4］林其昌，張興波，董惠茹.直升飛機空氣動力學［M］.河南信陽:空軍一航院，1990:80.

［5］MIL－STD－810G環境工程要求和實驗室試驗(ENVIRONMENTALENGINEERING CONSIDERATIONS AND LABORATORY TESTS)［S］.美國，2008.

［6］MIL－STD－3033旋翼槳葉防護材料顆粒/砂磨蝕試驗(PARTICLE/SAND EROSION TESTING OF ROTOR BLADE PROTECTIVE MATERIALS)［S］.美國，2010.

［7］ГОСТ Р52560－2006機器、設備和其他技術產品對外部環境因素作用穩定性試驗方法 塵(砂)作用試驗(Методы испытаний на стойкость к климатическим воздействующим факторам машин，приборов и других технических изделий ИСПЫТАНИЯ НА ВОЗДЕЙСТВИЕ ПЫЛИ (ПЕСКА)) ［S］.俄 羅斯，2006.

［8］呂繼淮，劉守慎，尹萬力，等.GJB 1171－1991軍用直升機防砂塵要求［S］.北京，1991.