39直升机主旋翼桨叶前缘包片飞脱对直升机的影响分析-刘政(5)

239第二十八届（2012）全国直升机年会论文直升机主旋翼桨叶前缘包片飞脱对直升机的影响分析刘政2聂江1赵德杨2张元瑞2（1.海军驻哈尔滨地区航空军事代表室；2.中航工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司，哈尔滨，150066）摘要：直升机主旋翼桨叶前缘包片的主要作用是防砂尘撞击和电搭接保护，一般来说，前缘包片均为金属材料，并且具有较强的耐砂蚀能力。由于桨叶受力环境比较复杂，前缘包片粘接胶层承受了一定的交变剪切应力，在粘接质量不高的情况下前缘包片容易开胶。如果在意外情况下桨叶前缘包片开胶后飞脱，本文定性的对此进行分析讨论。此外，本文提出了两种从设计角度解决桨叶前缘包片开胶的方法，供同行进行设计参考。关键词：直升机；前缘保护；包片；飞脱；粘接1引言直升机主旋翼桨叶是直升机的主要升力面和操纵力的来源，为了提高主桨叶的使用寿命，一般前缘均带有防砂尘撞击的金属保护片作为前缘保护，一般来说，金属保护片为分段粘接，直-9直升机主桨叶前缘保护片为四段不锈钢金属包片。在直升机主桨叶的使用过程中，经常出现前缘包片开胶现象，如果在意外情况下前缘包片从桨叶体上飞脱，对直升机的影响如何，本文将针对上述问题进行定性的分析。2主旋翼桨叶前缘包片的受力分析主旋翼桨叶为直升机的关键动部件，在使用过程中要持续承受飞行动载荷。桨叶前缘包片受力可以按照工程梁理论进行计算，具体计算公式如下：离心力引起的应变，ESFCNc（2.1）挥舞力矩引起的应变，BNBBEIZZM（2.2）摆振力矩引起的应变，TNTTEIYYM（2.3）前缘包片所受的应力：)(TBcE（2.4）其中：TBEIEIES,,为剖面特性数据，CNF为剖面处离心力，BM为剖面处的挥舞力矩，TM为剖面处的摆振力矩，NNZY,为剖面张力中心位置坐标，ZY,为不锈钢包片计算点位置坐标。下面以典型剖面REF2920为例计算前缘包片、胶膜及包片下垫布的受载情况，各种载荷情况见表1，REF2920剖面的特性参数见表2。240表1REF2940剖面各种载荷情况转速(rpm)离心力Fc(N)挥舞力矩静挥舞力矩动摆振力矩静摆振力矩动载荷情况0.136143.700.00-1422.600.00起动28163778-225.50510.001947.702268.00最小极限35097849-270.40510.002797.402268.00悬停360103030-306.20510.003031.102268.00前进飞行420144513-178.40510.004011.202268.00最大自转441160056-131.60510.004214.402268.00最大极限自转表2REF2940剖面参数RMASSEAEIYEIZGJIPPmmkg/N2mN2mN2mN2mkg2.9229.8299.60E+074.34E+047.18E+05706500.066将表1、表2中数据代入式（2.1）~（2.3），可以得到REF2920剖面前缘包片处在悬停状态下的最大应变约等于：3547max10*28.110*18.709.0*500010*34.4015.0*78010*6.997849REF2920剖面前缘包片、胶膜、垫布悬停状态下应力分别为：MPaE2.24310*28.1*10*19039max不锈钢包片MPaE8.410*28.1*10*76.339max胶膜胶膜MPaE8.2410*28.1*10*4.1939max垫布垫布从计算结果中可以看出：理论计算胶膜所受的应力远小于其拉伸强度34.9MPa，满足使用要求。但是上述计算依据的是等变形协调的工程梁理论，具体到桨叶前缘包片的粘接来说，由于其厚度很薄，一般为0.25mm~0.6mm，而且其材质为不锈钢，与复合材料垫布的弹性模量相差很大，接近10倍。其在微观上必然要有应力协调的问题，实际上前缘包片达不到理论计算应变的情况，在前缘受拉的情况下，前缘包片对垫布有收缩剪力趋势，相反在前缘受压的情况下，前缘包片对垫布有拉伸剪力趋势。粘接前缘包片的胶膜将承受一定的剪力，尤其是在一段前缘包片的两端最为严重，在反复疲劳剪切应力的作用下，如果前缘包片粘接状态不佳，则前缘包片的两端由于应力最大，将成为最先开胶处，这就是为什么桨叶前缘包片容易开胶的原因，在实际使用过程中也的确如此。3飞行中桨叶前缘包片脱离主体后的运动轨迹分析在意外情况下，如果主桨叶前缘包片脱离桨叶主体，在前缘气动压力的作用下，桨叶前缘包片不会从桨叶上掉落，而是在离心力的作用下，会迅速沿着桨叶前缘滑至桨叶尖部，并在桨叶尖部以很大的初速度沿合速度方向（径向速度与切向速度的合速度）迅速向远处抛落。具体说明如下：a)前缘包片脱离桨叶主体后的运动根据估算，直升机桨叶翼型前缘所受的气动压力最大约为1巴左右，其分布如图1（a）所示。241当前缘包片粘接脱开后，由于受到前缘气动压力的作用，不会从桨叶上掉落，会继续随着桨叶旋转。但由于受到离心力的作用，前缘包片会沿着前缘向桨尖滑动，并最终从桨尖位置脱开桨叶。（a）（b）图1桨叶前缘包片滑动趋势图前缘包片脱开后，将受到离心力的作用加速向桨尖滑动，直九旋翼主桨叶各块前缘包片脱开后滑到桨尖的时间和速度见表2。表3直九桨叶前缘包片脱离桨叶速度前缘包片编号所受的初始离心力初始离心加速度距离桨尖距离滑到桨尖所需时间滑到桨尖时的径向速度切向速度(悬停)No.1244kg6489m/s2571mm小于13.2ms大于85m/s(306km/h)220m/s(792km/s)No.2327kg5542m/s21451mm小于22.8ms大于126m/s(453km/h)No.3241kg4003m/s22797mm小于37.3ms大于149m/s(536km/h)No.488kg2233m/s24143mm小于60ms大于134m/s(482km/h)b)飞出的前缘包片与机体撞击可能性分析由于前缘包片飞出的速度很快，所以飞出的初始阶段是与桨叶在一个平面内。经过作图分析，发现当桨叶旋转到最后位置时，上挥角小于1.8°时，桨叶前缘包片脱离主体时，可能与直九机垂尾整流罩相撞（详见图2）。直九机4100kg重量状态，悬停、中等速度前飞（130km/s）、大速度前飞（260km/s）等情况下，桨叶后行位置（0°方位）时上挥角分别约为4.5°、1.7°、2.6°。在稳定飞行状态，中等前飞速度下，桨叶前缘包片脱离桨叶时，可能撞击到垂尾整流罩的上沿。包铁滑动趋势242图2桨叶上挥角为1.8°时以第3前缘包片为例，从圆周方向作图分析碰撞概率。第3前缘包片飞出桨尖时的切向速度、径向速度分别为220m/s、149m/s，其合速度大小为165m/s，方向与切线方向夹角34°（详见图3）。可能相撞的角度范围为桨叶与机身Y0轴线夹角为6.5°～18°，占圆周比例约为3.2%（详见图4），考虑到飞行状态桨叶后行位置（0°方位）时上挥角小于1.8°的状态只占总的飞行状态的5%左右，同时考虑二者因素，可能撞击垂尾的概率为0.16%，概率较低。其它几块前缘包片飞出时的情况大致与第3块相当。图3第3块前缘包片的合速度图4圆周方向前缘包片脱离时可能碰撞垂尾的范围示意图4振动影响定性分析1）气动方面243桨叶前缘包片飞脱后，在桨叶的局部翼型表面会出现0.25~0.6mm的阶差，上翼面阶差距前缘58mm，下翼面阶差距前缘85mm。从气动力角度定性的看，翼型的阻力会略有增加。2）离心力方面桨叶前缘包片飞脱后，桨叶的质量静矩会降低，会造成桨叶最大327kg离心力（占单片桨叶总离心力的1.8%）的不平衡，将增加旋翼系统的横向振动。3）锥体方面桨叶前缘包片飞脱后，桨叶的弦向重心最大后移约1mm，将使该桨叶的锥体略有提高，使旋翼锥体出现不平衡。总的说来，桨叶前缘包片飞脱后，无论从气动力、桨叶离心力、锥体方面都会出现一定的变化，导致旋翼系统及整机的振动增加，增加直升机操纵控制的难度，但按照正常稳态方式飞行，不会影响直升机的安全。建议在桨叶出现前缘包片飞脱现象后，飞行员应尽量操纵直升机采取稳定状态飞行，并停止飞行任务，尽快着陆。5桨叶前缘包片制造粘接过程及使用维护桨叶前缘包片制造粘接过程如下：薄钢板板弯成形→对前缘包片进行酸洗钝化→4小时内在前缘包片内表面图底胶EC1290→130℃高温固化→粘胶膜送入成型模具120℃固化2小时。对于前缘包片的制造粘接质量来说，每一步骤都很重要，尤其是酸洗钝化工序，对前缘包片粘接面的粘接牢固度起了至关重要的作用，工序控制不严将影响前缘包片的粘接质量，并容易产生前缘包片松脱。对于前缘包片的粘接，可以采用随炉试片的方式进行质量检测，通过控制随炉试片的浮动剥离指标，可以有效的控制粘接质量。另外，在桨叶外场使用过程中，也应当加强维护检查，通过敲击可以很容易发现开胶现象，将使前缘包片开胶现象完全杜绝。6结束语桨叶前缘包片松脱后，对直升机来说，有很小的概率会撞击到垂尾整流罩上，对直升机的各系统的安全使用没有太大的影响。桨叶前缘包片飞脱后，整机振动会有所增加，建议飞行员应尽量操纵直升机采取稳定状态飞行，并停止飞行任务，尽快着陆。从另一方面讲，当前缘包片脱落后，将会沿着甩出的方向飞行一段距离，如果碰到地面的人员，将威胁到地面人员的安全。为了保证桨叶前缘包片的使用安全，可以从两个方面考虑解决方法：其一是从桨叶前缘包片的制造质量控制角度，应严格控制粘接制造质量，加强使用维护；其二是从设计角度，可以考虑将较长的桨叶前缘包片分成很多小段中间过渡电搭接，或者寻找合适的材料与垫布的刚度相当，而且具有较强的耐砂蚀能力，从而解决其局部应力协调的问题，这两种设计方法均可以很好的提高前缘包片的粘接问题，避免前缘包片的开胶。参考文献[1]飞机设计手册第十九册直升机设计，北京，航空工业出版社，2005[2]张呈林、张晓谷，直升机部件设计，南京，南京航空航天大学，2002[3]刘鸿文，“材料力学”，北京，高等教育出版社，1991