國產(chǎn)直升機電加溫風(fēng)擋玻璃應(yīng)用進展

（中國直升機設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333000）

0 引言

直升機電加溫風(fēng)擋玻璃是直升機上的功能結(jié)構(gòu)件，主要應(yīng)用于起飛重量大于7,000磅的直升機。對于起飛重量小于7,000磅的直升機，出于對重量、電源功率和成本的考慮，一般選用單層亞克力作為直升機風(fēng)擋。

電加溫風(fēng)擋的材料要有良好的光學(xué)性能、足夠的強度剛度以及較長的使用壽命，同時具備電加溫能力，并滿足防鳥撞、電磁屏蔽等特殊要求，以保證直升機乘員的正常工作和安全飛行[1]。

1 直升機風(fēng)擋結(jié)構(gòu)特點

與固定翼飛機風(fēng)擋相比，因直升機無氣密要求，在設(shè)計時無需考慮氣密疲勞試驗。固定翼飛機風(fēng)擋為關(guān)鍵件，而直升機風(fēng)擋為一般功能件。

運輸類固定翼飛機在發(fā)展早期曾采用單層無機玻璃作為風(fēng)擋玻璃，但存在脆性大、抗沖擊性能差等缺陷。為提高飛機風(fēng)擋玻璃的抗鳥撞能力和使用安全性，風(fēng)擋玻璃選用層合結(jié)構(gòu)形式，其結(jié)構(gòu)形式由單層無機玻璃改為三層或多層無機玻璃/無機玻璃復(fù)合結(jié)構(gòu)形式。層合玻璃結(jié)構(gòu)形式目前在固定翼和直升機電加溫風(fēng)擋上應(yīng)用較為普遍。

由我國自主設(shè)計研制、上世紀(jì)90年代定型的直-8直升機為國內(nèi)設(shè)計的直升機中首次安裝電加溫風(fēng)擋的機型，風(fēng)擋典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。電加溫風(fēng)擋為夾層玻璃結(jié)構(gòu)，最內(nèi)層和最外層為無機玻璃，中間夾層為有機玻璃；電加溫風(fēng)擋中的加熱層為電阻絲；風(fēng)擋邊框材料為鋁合金，由內(nèi)外鋁合金框鉚接而成。此時的電加溫風(fēng)擋已具有良好的光學(xué)性能和電加溫能力，但在強度上不具備防鳥撞能力。

AC313直升機由航空工業(yè)602所設(shè)計，372廠制造，是世界上第一款獲得4500米海拔地區(qū)A類適航證的民用直升機。AC313直升機安裝的電加溫風(fēng)擋典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 直-8直升機風(fēng)擋剖面圖

圖2 AC313直升機風(fēng)擋剖面圖

與直-8 直升機電加溫風(fēng)擋相同，AC313 直升機電加溫風(fēng)擋的透明件部分仍為無機玻璃-有機玻璃-無機玻璃層合結(jié)構(gòu)形式，但電加溫風(fēng)擋中的加熱層更改為鍍在外層玻璃內(nèi)側(cè)的ITO膜，AC313風(fēng)擋邊框由碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)鋪層，整個風(fēng)擋強度得到很大的提高，能夠滿足CCAR-29.631鳥擊的要求，提高了駕駛員的安全性。

AC313直升機電加溫風(fēng)擋的無機玻璃材料為鋁鋰硅酸鹽玻璃。普通鈉鈣硅玻璃經(jīng)過物理或化學(xué)強化后，強度只能提高到200～250MPa。鋁鋰硅酸鹽玻璃經(jīng)過化學(xué)鋼化后，強度能夠達(dá)到400MPa[2]。根據(jù)鳥撞試驗分析，AC313風(fēng)擋玻璃在鳥撞過程中最大應(yīng)力超過550MPa。為了滿足適航鳥擊要求，AC313直升機電加溫風(fēng)擋的重量比直-8直升機電加溫風(fēng)擋增重約80%，重量代價較大。

隨著無機玻璃的研究發(fā)展，高鋁硅酸鹽玻璃化學(xué)強化后表面應(yīng)力已超過900MPa[3-5]。因其在化學(xué)強化后具有的優(yōu)良力學(xué)性能，該材料已在固定翼風(fēng)擋上廣泛使用，例如空客318、319、320、321以及波音757、767、777、787。目前，該材料也已在直升機風(fēng)擋上廣泛使用，例如直15/EC375直升機。直15是由航空工業(yè)哈飛與歐直聯(lián)合研制的7噸級中型運輸直升機，其電加溫風(fēng)擋采用無機玻璃-有機玻璃-防飛濺層的結(jié)構(gòu)形式，如圖3所示，外層無機玻璃的材料為高鋁硅酸鹽玻璃。

圖3 直15/EC375直升機風(fēng)擋剖面圖

目前，直升機電加溫風(fēng)擋的結(jié)構(gòu)形式主要有無機玻璃-有機玻璃-無機玻璃-防飛濺層和無機玻璃-有機玻璃-防飛濺層兩種，兩種構(gòu)型的電加溫風(fēng)擋均能具備良好的光學(xué)性能和電加溫能力，同時具有抗鳥撞能力。一般來說，前者構(gòu)型由于比后者多了一層，重量上相對較重；但前者構(gòu)型在整體強度上優(yōu)于后者。

2 直升機風(fēng)擋發(fā)展趨勢

未來直升機電加溫風(fēng)擋總體發(fā)展方向應(yīng)該是高性能化和多功能化協(xié)調(diào)發(fā)展。

2.1 高性能化

化學(xué)強化無機硅酸鹽玻璃及復(fù)合材料的高性能化發(fā)展是先進電加溫風(fēng)擋的基礎(chǔ)和前提。無機硅酸鹽玻璃經(jīng)化學(xué)強化后，強度及表面殘余應(yīng)力進一步提高，玻璃更強、更耐劃傷。樹脂基復(fù)合材料在發(fā)展高強高模增強纖維的同時，提升樹脂機體的韌性，進一步降低電加溫風(fēng)擋邊框的重量。

2.2 多功能化

軍用直升機因戰(zhàn)場特殊環(huán)境，還應(yīng)具有隱身（視覺、紅外和雷達(dá)）、防彈、電磁屏蔽等功能。未來直升機電加溫風(fēng)擋還可具備HUD(Head Up Display)、防水防霧、隔音等功能。

3 結(jié)束語

隨著近幾十年的不斷發(fā)展，電加溫風(fēng)擋在直升機上的應(yīng)用已達(dá)到國際先進水平，也推動了直升機技術(shù)的進步。國產(chǎn)直升機電加溫風(fēng)擋通過國內(nèi)直升機需求的牽引和推動，目前已基本實現(xiàn)國產(chǎn)化，技術(shù)水平不斷提高。未來國產(chǎn)直升機電加溫風(fēng)擋技術(shù)發(fā)展將追求長壽命、高可靠、高性能和多功能，對其材料與結(jié)構(gòu)的綜合要求越來越高，對高性能復(fù)合材料和無機玻璃、先進鍍膜工藝需求迫切。為此，國內(nèi)今后應(yīng)大力發(fā)展高性能復(fù)合材料及無機硅酸鹽材料，提升大面積復(fù)雜曲面透明件鍍膜工藝水平，降低制造成本，進一步提升國產(chǎn)直升機電加溫風(fēng)擋的應(yīng)用技術(shù)水平。