直升機旋翼槳葉防護材料耐砂蝕評價技術研究進展

龔情，范金娟，黃遙，鄭林峰

(1.中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 300001；2.北京航空材料研究院，北京 100095)

0 前言

現代高科技戰爭中，軍用直升機在復雜環境下服役的可靠性是影響其戰斗力的關鍵因素。直升機與固定翼飛機相比，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境條件，且頻繁服役于低空、重雨水場和未鋪砌路面跑道(帶沙塵云環境)。砂石、雨水拍打在其復合材料表面，易導致復合材料中的纖維斷裂或界面分層，導致結構提前失效[1-10]。

先進樹脂基復合材料具有優異的疲勞強度、多路傳載、緩慢的裂紋擴展特性和簡便易操作的模壓成型工藝等顯著優點，這些優點使其逐步替代了傳統的鋁合金、不銹鋼等材料在直升機旋翼槳葉上的應用。直升機旋翼槳葉復合材料的應用發展如圖2所示。20世紀70年代后期以來，新研制的直升機幾乎都采用了復合材料槳葉[11-14]。但因纖維增強復合材料沖擊強度低、層間剪切強度低等缺點，復合材料在服役過程中槳葉易受到砂石的擊打而導致部件提前失效。復合材料旋翼槳葉耐砂塵等固體顆粒沖刷腐蝕防護逐漸成為是型號設計中重點研究的問題之一。國內外采取了多種方式進行直升機槳葉耐砂蝕的防護，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行防護，或在槳葉上直接噴涂防護涂料進行砂蝕防護[15-18]。為了進一步提高防護效率，減少維護和更換成本，國內外一直致力于各類材料的耐砂蝕試驗研究，國外已建立了完備試驗標準并開發出了一些試驗設備。本文主要介紹一些國內外旋翼槳葉砂蝕防護材料評價技術方法。

圖2 直升機旋翼槳葉復合材料應用發展(20世紀及以后)

1 砂蝕評價技術發展

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

圖3 砂粒沖蝕到物體表面相互作用示意圖

20世紀六七十年代，各國在研制直升機時忽略了塵土、砂粒、濕度、高溫等影響，在此期間直升機槳葉未采用額外的材料進行防護，僅對直升機旋翼槳葉在砂石、塵土等環境中存在腐蝕問題進行了外場調研及外場加速試驗，逐漸發現直升機旋翼槳葉曝露于塵土、砂粒、濕度、高溫環境會發生嚴重的侵蝕現象[19]，嚴重加劇直升機在外場的維護成本。20世紀60年代，在東南亞戰場上，這些因素使美國的直升機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使用三年期間的備件價值，實際上已等于該直升機的初始采購費。隨后1991年海灣戰爭期間，美國的直升機作戰損失很輕微，但是因伊拉克高溫、砂塵暴等惡劣環境導致非戰斗的使用損傷高[8]。其中旋翼槳葉被砂粒侵蝕嚴重，美國開始逐漸重視旋翼槳葉防砂蝕設計并進行了大量的砂蝕試驗研究。直升機旋翼槳葉防護材料砂蝕試驗研究情況見表1。

表1 直升機旋翼槳葉防護材料砂蝕研究情況[4,18,23-28]

2 國內外砂蝕試驗標準

各國都開展并制定了可用于評價旋翼槳葉防護材料耐砂蝕性能的相關標準。主要有兩類：一類是裝備環境適應性標準，一類是涂層防護材料耐磨試驗標準。第一類標準主要以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》以及MIL-STD-810G航空航天及地面設備環境試驗方法》為典型，適用于地面停放或靜止狀態工作時裝備的砂塵試驗，不適用于確定機載設備在飛行中的磨蝕問題。第二類標準以GB/T 23988—2009《涂料耐磨性測定 落砂法》和ASTM G76《噴氣法測定固體顆粒腐蝕試驗標準》為典型，可用于實驗室內測量不同材料耐固體顆粒侵蝕的篩選試驗[29-31]。

2010年美國陸軍研究實驗室最終推出了直升機槳葉前緣材料耐顆粒/砂磨蝕試驗方面專用試驗方法標準MIL-STD-3033《旋翼槳葉防護材料耐顆粒物/砂塵試驗》。該標準于2010年7月獲得批準，2010年9月發布。該標準適用于各類直升機耐磨蝕防護層在飛行中的磨蝕試驗，沖擊速度可達224 m/s，且沖擊角度可調，現已應用于美軍三軍及海岸警衛隊，具體情況見表2[32-34]。國內外砂蝕試驗標準見表3。

表2 MIL-STD-3033適用情況

表3 國內外砂蝕試驗標準

3 旋翼槳葉砂蝕試驗考核新發展

研究者們一直致力于尋求更加高速、有效的驗證方式，主要可分為仿真試驗及積木式考核(分級)驗證，通過仿真試驗可極大節約研究試驗的試驗件及試驗設備的投入成本，通過積木式分級驗證(平面件級、小尺寸件級、全尺寸件級)，可節約大量平行試驗的試驗成本，同時可更加精準模擬旋翼槳葉防護材料的實際工作狀態，獲得準確數據，指導前期設計工作并進行合理壽命預測[18,27-35]。

3.1 仿真試驗

仿真試驗通過輸入大量的參數進行試驗，每個變量都單獨可控，可準確分離出單個變量對砂蝕試驗結果的影響規律，指導槳葉防護設計。2010年德克農州立大學進行了砂蝕仿真試驗研究， 利用前人的試驗研究基礎，輸入更加全面的砂粒參數(砂粒尺寸、砂粒大小、砂粒形態)進行模擬試驗研究，并輸入不同材料參數模擬不同的防護材料發生侵蝕的過程，極大地節約了研究試驗投入成本[28]。

3.2 積木式考核試驗

實際直升機旋翼槳葉段的相對入流條件高度依賴于旋翼幾何條件和旋翼運行條件。2016年美國航空應用理事會發起了旋翼槳葉耐久性試驗項目，在該項目中區別于純平面件考核，分三個階段進行了砂蝕考核試驗，三個階段對應的試驗件為：平面件、縮比小尺寸件、全尺寸件(圖4)。該項目為了設計出具備1 000飛行小時侵蝕壽命、自適應除冰等多項優異性能的槳葉，選取大量不同種類的防護材料，依次進行平面件試驗、縮比件試驗及全尺寸件試驗，逐級篩選及淘汰，最終選出滿足要求的防護材料，獲得更貼近實際服役狀態的試驗結果[18]。

圖4 積木式考核試驗件圖

4 結束語

目前，我國采用前緣包鐵及聚氨酯保護膠帶等作為直升機旋翼槳葉的防護材料，而對其砂蝕磨損的研究幾乎為零。而我國現有的砂蝕試驗裝置和相關標準也不能對直升機旋翼槳葉的防護材料進行有效的考核與評價。其中，我國砂蝕試驗設備及標準中的撞擊速度、撞擊強度等主要技術參數，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，不能準確地模擬直升機旋翼槳葉等關鍵構件在砂塵環境下的飛行狀態，存在較大局限性，尚未制定出類似美國MIL-STD-3033專用直升機旋翼槳葉防護材料耐砂蝕試驗標準。希望通過科研工作者的努力，早日制定適用于評定各類直升機在飛行狀態下旋翼槳葉防護材料耐磨蝕能力的標準，用于評估各類防護材料的性能及預測防護材料在外場的使用壽命，從而達到較少維護和更換成本的目的。