前言：低空飞行器是低空经济的核心载体。对于低空飞行器来说，复合材料机身、机臂、桨叶等对于低空飞行器轻量化设计、提升航程等至关重要。
1）合理的结构设计能显著提升旋翼桨叶的性能。精心设计的桨叶结构可以优化空气动力学特性，提高升力和效率。通过精确的外形设计和内部结构布局，能够减少空气阻力，降低噪音，使飞行器在飞行过程中更加稳定、高效。
2）良好的结构设计还能增强桨叶的强度和刚度，减少旋翼桨叶气动激振力的共振，使其能够承受高速旋转和复杂的空气动力载荷，确保飞行安全。
3）复合材料具有高强度、高刚度、低密度等优点，适合用于旋翼桨叶。选择合适的复合材料可以减轻桨叶重量，降低飞行器的整体重量，提高燃油效率和航程。
4）不同的复合材料具有不同的特性，如耐腐蚀性、耐高温性等，根据具体的使用环境和要求选择合适的材料，可以延长桨叶的使用寿命，降低维护成本。
本文将介绍地龙飞行器/飞行汽车/eVTOL/无人机复合材料旋翼桨叶的结构特点和设计要求，分析了国内外复合材料桨叶结构设计的选材情况，总结了我国直升机复合材料桨叶结构选材现状与现存问题，并对无轴承旋翼柔性梁和主动控制智能旋翼国际新型桨叶复合材料结构设计与选材进行了讨论……
现代旋翼飞行器的桨叶几乎全部为复合材料结构（小型的无人机除外）。纤维增强树脂基复合材料与金属相比，具有优异的比强度、比模量、疲劳性能和缓慢的损伤扩展特性。因此，旋翼飞行器桨叶不仅质量轻，而且疲劳寿命可飞行达6000h以上，甚至是“无限寿命”。纤维增强树脂基复合材料刚度可实现裁剪设计，以及通过不同铺层的选择，可以调整旋翼桨叶的质量分布及其挥舞、摆振和扭转刚度分布，从而达到预定的避频设计要求。目前，桨叶结构基本上都是采用闭合压模压制固化成型方法制造，该方法能够保证桨叶几何外形精度要求，如桨叶扭转角、表面粗糙度、型面尺寸等。国内直升机旋翼成长过程：引进仿制→型号合作（直10）→自主设计。经过几十年的发展，旋翼自主设计技术日趋成熟，并逐步缩小了与世界先进水平之间的差距。即便如此，目前国内桨叶设计与制造技术还存在复合材料种类多、国产材料性能较国外存在差异、材料发展方向无自己特色、新型旋翼复合材料和智能旋翼研制与研究落后等问题。旋翼桨叶是一种细长的柔性梁，它通过绕桨毂周期性旋转产生升力和操纵力。桨叶结构上的载荷有旋转引起的离心力和交变气动载荷引起的弯矩和扭矩。在这些载荷作用下，桨叶结构会发生变形和振动，并反过来进一步导致气动力变化。因此，旋翼桨叶在工作过程中会出现复杂的振动和气动弹性问题。目前，旋翼桨叶结构设计通常包括桨叶动力学设计、静强度校核、试验考核设计结果、确定桨叶使用寿命等。桨叶设计还需要保证其具有较小的振动和噪声水平。
桨叶结构沿展向可以分为根部段、翼型段和桨尖段3个部分。桨尖段主要用来改善旋翼的气动性能与气动噪声，所受的载荷较小，不是主要结构部分。根部段是桨叶与桨毂连接的部位，结构复杂，零组件较多。桨叶所有动载荷和静载荷都要通过它传递到桨毂上，是桨叶结构受力状态最复杂的部位。目前，我国复合材料桨叶接头形式主要是双缠绕衬套连接，桨叶根部的两个金属衬套通过螺栓或者插销与桨毂连接，内部通过四股无纬玻璃带绕过前后缘金属衬套形成主承力大梁，衬套剖面结构见下图。
翼型段是桨叶结构最主要的部分，确定桨叶剖面的构造形式是桨叶结构设计的首要任务。桨叶构造形式基本确定了桨叶的结构和动力学特性及其他设计特性。翼型段的典型剖面形式按照大梁的构造划分，主要有C形梁，D形梁、多管梁结构等；按照剖面分隔或封闭区间的划分则有单闭腔、双闭腔、多闭腔等形式。
典型C形大梁双闭腔桨叶剖面构造图
翼型段一般由蒙皮、大梁、内腔填块、后缘条、前缘包铁等元件构成。大梁是桨叶的主承力部件，选用高强度玻璃纤维粗纱沿展向铺设而成，具有很高的抗拉强度和很大的许用应变。设计时可以充分利用复合材料的设计剪裁特性，按需要调整大梁的刚度和质量分布，但要避免铺层产生急剧变化引起应力集中。蒙皮既是桨叶维形部件又是重要的承力部件，是桨叶结构铺层设计的难点。蒙皮对桨叶的扭转刚度和摆振刚度贡献很大，设计时需要考虑桨叶的动力学特性要求。蒙皮铺设一般选用织物，最外层多采用致密平整织物便于形成高质量的桨叶外形，内层蒙皮则根据需要选择材料和铺设方案。内腔填块主要起支撑作用，提供复合材料桨叶内部构件所需的内压和结构的定位，同时参与贡献桨叶的扭转刚度，主要有硬质泡沫和蜂窝两类。桨叶后缘条有着不可替代的作用，其设计考虑主要是桨叶的摆振刚度和后缘应力。后缘条可以根据动力学调频需要设计成不同的材料、形状和尺寸。
复合材料旋翼桨叶通常选用纤维增强树脂基体复合材料，从材料的组成方面看，主要包括树脂基体和纤维增强材料的选材。在树脂的选择上，一般根据桨叶使用温度、树脂韧性、树脂的工艺性、树脂浇注体的力学性能及价格综合考虑。桨叶用环氧树脂以固化温度划分，分为中温固化(约120℃)环氧树脂体系和高温固化(约180℃)环氧树脂体系。旋翼桨叶通常选用中温固化环氧树脂体系，主要是因为它固化成本低，热变形小，而且能满足桨叶使用温度的要求。此外，环氧树脂还可以分为普通环氧树脂和增韧环氧树脂，增韧的环氧树脂有利于改善桨叶的疲劳性能，但是它的使用温度比同类的普通环氧树脂要低些。法国“海豚”系列等旋翼桨叶采用的920树脂，是韧性较好的环氧树脂体系。EC120和NH90的旋翼桨叶采用的913树脂是不增韧的普通环氧树脂体系，优点是湿热性能好，最高使用温度可以达到95℃。法国最新型的旋翼桨叶都用不增韧的913树脂体系代替920，美国设计生产AH-64D最新改进型时，也采用不增韧的913树脂体系。可惜，这些树脂的供应可能存在问题，如被禁售。在纤维增强材料的选择上，主要考虑纤维的承载作用，按照比强度、比刚度、损伤容限特性、制造特性和价格进行综合考虑。对于桨叶大梁，在玻璃纤维和碳纤维增强环氧树脂两种复合材料的选择中，玻璃/环氧许用应变大、抗损伤性能好和制造特性好。到目前为止，绝大多数复合材料的大梁都采用玻璃纤维环氧复合材料。欧洲直升机公司采用高强R玻璃纤维，美国一般采用S2玻璃纤维，这两种纤维的力学性能相当。在旋翼桨叶蒙皮的增强材料选择时，需要考虑蒙皮是扭转、摆振刚度的主要贡献者，是桨叶的次承力部件。通常采用玻璃纤维增强复合材料或者玻璃纤维与碳纤维增强复合材料混合铺层。混合铺层方案的突出特点是结合了两种材料的长处，克服了单一材料的不足。桨叶内抗扭层是在内层蒙皮下面铺设的主要提供抗扭刚度的织物加强铺层，可以提高剖面的扭转刚度，一般选用高模量的碳纤维织物预浸料按±45°。对称铺层。桨叶后缘条的设计考虑主要是桨叶的摆振刚度，它对于桨叶刚度匹配和动力学调频很有效，一般选用玻璃纤维或碳纤维单向带铺设而成。从下表可以看出，同一公司或国家的直升机旋翼桨叶一般选用相同的增强材料和树脂基体。欧洲直升机公司旋翼桨叶大梁普遍使用高强R玻璃纤维和913、920树脂，美国直升机桨叶大梁的增强纤维一般采用S2玻璃纤维。这是因为这些材料性能良好，而且有丰富的实际使用经验，能够为新旋翼的研制提供所需的性能和使用参数，缩短新型旋翼的研制周期。常用纤维的基本性能参见下表。
我国直升机旋翼技术发展起步较晚，复合材料基础工业相对薄弱，旋翼桨叶复合材料的研究积累有限。在旋翼研制的初期，我国一直进口法国的复合材料，后来受到国外禁用等影响后，才对旋翼桨叶采用的复合材料实行全面国产化。
直-9是我国1980年引进法国“海豚”SA365型直升机，经过长期努力，发展出多种型号。直-9直升机旋翼桨叶剖面为C形大梁双Z形抗扭盒结构。C形大梁材料为高强度玻璃纤维单向带。前Z形梁腹板由4层高强度碳纤维布±45°铺层构成，后Z形梁只有1层玻璃布±45°铺层。其直-9主桨叶主要构件设计选材见下表。
直-11型机旋翼桨叶是全复合材料桨叶。桨叶大梁由单向S2玻璃纤维绕桨根衬套铺放，形成翼型段的C形大梁；抗扭盒形件在桨叶中段形成Z形梁；蒙皮由0°和±45°玻璃纤维布组成。桨叶采用闭模共固化成型工艺。其直-11旋翼复合材料桨叶的主要设计选材见下表。
我国的直升机旋翼桨叶设计与制造走过了曲折的发展道路。直-9型机是引进法国“海豚”的生产专利，而直-11型机是我国立足国内，自行摸索的全复合材料桨叶。我国旋翼桨叶复合材料的研究制造已经走过了引进国外先进复合材料和国外先进复合材料国产化研制的过程。国产化旋翼材料性能达不到国外先进水平
直-9旋翼桨叶采用的复合材料均为法国的材料，为了摆脱受制于人的局面，须对旋翼桨叶复合材料实行全面的国产化。从直-9旋翼到直-11旋翼，旋翼桨叶树脂体系的国产化已经取得了长足的进步，但是在材料的物理、力学性能数据上仍有一定的缺失。在某旋翼国产化的应用研究中，研究人员探索国产复合材料的制造工艺性，验证材料性能，首次在旋翼桨叶上应用全面国产化复合材料，为国产复合材料改进研究提供第一手资料。总的来说，国产化旋翼材料性能仍达不到世界先进水平，而且欠缺在直升机型号上实际使用的验证和经验。还记得十几年前中航工业我代表直升机设计研究所，与材料院、哈飞所因桨叶不合格而互相争吵，指责是对方材料、工艺未按照设计导致缺陷的画面，旋翼桨叶复合材料种类过多
尽管旋翼桨叶用复合材料材料已经逐步实现了国产化，但是旋翼桨叶选用的复合材料种类繁多，直-9旋翼桨叶采用了4种环氧树脂体系，6种增强材料。直-11旋翼桨叶采用了和直-9类似的复合材料，种类也达到了10种。种类繁多的复合材料不仅给旋翼桨叶设计和实验带来不便，而且极大地增加了桨叶材料生产、运输、储存等成本。1）国产复合材料制造基础薄弱，没法提供与国外性能相当的材料；2）学习国外早期旋翼技术，使用进口材料进行生产和仿制，别人使用多少种材料，我们就仿制多少种材料，没有优化复合材料的种类。从上表中可以看到，EC155、NH90等旋翼飞行器的桨叶选用的复合材料种类明显减少，尤其是蒙皮选用的复合材料，这也反映出旋翼桨叶选材种类减少的趋势。
目前，国内鲜有新型旋翼桨叶用复合材料的文章，表明国产复合材料产业在研发新型高性能旋翼复合材料方面与国外还有一定的差距。商标中所列的直升机型均为1980~1990年代研制，近30年的发展，国外复合材料产业已经研发出新型高性能复合材料用于旋翼桨叶。国外已经开发了在碳纤维/环氧树脂复合材料的树脂基体中添加纳米二氧化硅的改性材料，提高了纤维方向的压缩强度和层间强度，大大增加了碳纤维复合材料的疲劳寿命。这由直升机厂商和大学研究机构联合发起的项目，已经实现桨叶大梁用预浸带制造，正按照材料实验标准测试这种新材料的性能数据，并且优化材料制造过程。下表为120℃固化碳纤维预浸带纤维方向的压缩强度性能：
新材料、新工艺的发展为桨叶结构设计与改进带来新的发展内容。桨叶结构设计与改进的发展趋势就是性能、操纵性、稳定性以及可靠性越来越高，结构越来越简单，维护越来越方便，使用寿命更长甚至无限寿命。新型桨叶结构以无轴承旋翼柔性梁和主动控制智能旋翼为代表，它们不同于传统的桨叶结构设计，在简化桨叶结构，增加桨叶结构可靠性和维修性，降低桨叶振动与噪声等方面，给桨叶结构设计发展带来新的生命力。
无轴承旋翼是取消了挥舞、摆振和变距3个机械铰的旋翼，是旋翼技术的重大突破，代表了旋翼设计技术的发展方向。桨叶的挥舞、变距和摆振运动的自由度都由柔性梁变形提供，典型柔性梁剖面形状有矩形、十字形、H形等(如下图所示)。
无轴承旋翼使用柔性梁和套管替代了3个方向的机械铰，要求柔性梁能够在操纵力低的情况下实现桨叶大俯仰角，保证桨叶的操纵性能。此外，柔性梁必须足够柔软，从而将振动和阵风扰动减到最小，但同时要保证充足的强度承担离心载荷。桨叶挥舞运动要求低的挥舞刚度，摆振方向的柔软或刚硬，则面临着气弹稳定性与弦向载荷的选择，变距操纵则要求低的扭转刚度。要协调好柔性梁的设计要求本身就是充斥着许多矛盾的难题，而柔性梁的截面尺寸确定是一个设计难点。目前，柔性梁采用的设计方案基本上是单或双柔性梁结合变距套管的结构布局。在保证结构强度和动力学特性要求的同时，满足一定的强度和疲劳寿命，是复合材料柔性梁设计的又一关键点和难点。柔性梁复合材料的选材也十分关键，玻璃纤维和碳纤维的不同特性有利于按照载荷需要进行铺层设计。从扭转特性上看，碳纤维比玻璃纤维质量轻，具有更高性能。但迄今为止，除了根段连接区外，柔性梁基本上选用的是玻璃纤维增强材料。这一方面是由于柔性梁苛刻的受力条件要求的，另一方面也是玻璃纤维大的许用应变和初始缺陷不敏感决定的。从国内外直升机实际选用的复合材料来看，柔性梁经常选用桨叶大梁使用的复合材料，这样既能减少复合材料的数目，又可以参考已有的材料设计参数和使用数据。美国和欧洲的直升机公司已经成功将无轴承旋翼应用在多种直升机上，简化了旋翼结构，降低了零部件数目，提高了维修性。表6给出了一些无轴承旋翼柔性梁选材和剖面形状。
国内无轴承旋翼桨叶已经成功应用于某直升机尾桨。但是还没在主旋翼上实现无轴承柔性梁，主要是由于柔性梁载荷计算复杂，铺层设计难以达到寿命设计要求，容易出现分层等原因。在无轴承旋翼研制上，国内已经落后了国外一段距离。
智能旋翼的发展已经成为未来旋翼技术发展的一个重要方面，智能旋翼是为了从根本上解决旋翼系统的振动与噪声问题而发展的新型旋翼桨叶型式。智能旋翼桨叶新型材料激励系统对桨叶进行振动主动控制主要有两种方式，主动旋翼后缘挥舞控制(ATF)和主动扭转控制(ATR)。而采用的新材料主要有两种：1）美国麻省理工学院研制的Active Fiber Composite(AFC)；2）美国NASA兰利研究中心开发的压电纤维复合材料Macro Fiber Composite (MFC)。国外研究机构使用两种主动控制方法，成功完成了一系列模型桨叶或者实际桨叶的实验研究。
新型主动控制材料
波音公司和麻省理工学院联合研制了马赫数1/6缩比的主动扭转模型桨叶，采用的AFC材料是PZT系列。在设计模型桨叶之前，研究人于那考察了当时AFC材料的最新进展，选择了PZT系列中的PZT-5H，PZT-5A和PZT-4这三种压电复合材料做对比实验。实验测量了它们的拉伸性能、疲劳性能和去极化压缩应力极限，最终选择性能优异的PZT-5A压电复合材料，其部分性能数据如下表所示。
部分PZT-5A压电复合材料性能参数
在模型桨叶设计过程中，设计人员研究了主动扭转层的弦向、展向位置、纤维方向、主动层电路设计等内容。后来，加拿大Viresh等，研究了PZT-5A压电复合材料的电疲劳、机械疲劳和扭转特性，对AFC材料在桨叶上的耐久性和寿命设计有突出贡献。波音公司的模型旋翼表明，AFC材料制作成本高，需要较高的驱动电压，在实际旋翼控制中应用比较困难。为此，美国NASA Langel研究中心开发生产了粗纤维压电复合材料(MFC)，该复合材料采用截面为矩形的压电纤维，增大了压电纤维和叉指式电极的接触面积，并具有面内各向异性的压电特性，且可以采用切割法进行生产，大大降低了制作成本。型号M2814P1的MFC压电复合材料的部分材料参数如下表所示。
徳国宇航中心使用NASA开发的一种MFC材料，制作了五款主动扭转桨叶，研究MFC面积、纤维角度和驱动器角度因素对最大桨尖扭转角与消耗功率的影响。国内李世成等人采用排列-浇铸法制备了柔性的层状压电纤维复合驱动器，测试了力学性能和电学性能，为国产MFC材料的制造、应用和研究提供了良好的基础。主动扭转控制在不影响气动变距扭矩的前提下，改变升力沿展向分布，降低桨叶振动。桨叶的扭转是通过嵌入在蒙皮下方的压电纤维变形实现的。压电纤维按照一定的规律排放，实现扭矩最大，达到更好的控制效果。Sekual等人在风洞中完成了模型桨叶旋停和前飞状态下的开环和闭环控制。主动扭转控制桨叶最主要的优点就是不改变翼型形状，没有添加动部件。主动扭转桨叶设计内容主要包括:主动扭转区域与尺寸选择;主动扭转铺层角度选择;主动扭转桨叶扭转实验桨叶襟翼设计结构形式多样，有压电双晶片结构、压电叠堆陶瓷L-L结构、压电陶瓷管C型结构、双X型结构30等，不同结构复杂程度不一，控制效果也有较大差异。在桨叶襟翼设计时，必须要考虑襟翼内部结构在桨叶离心力场中的受力变形特点。除此之外，还需要研究襟翼结构对桨叶制造、气动弹性、结构耐久性、可靠性、寿命等的影响。后缘襟翼的减振降噪优点是非常明显的，但是，由此带来的设计制造问题也是非常多的。后缘襟翼桨叶设计内容主要包括:襟翼尺寸和位置选择;驱动器设计和尺寸选择;桨叶-襟翼-驱动器一体化设计;桨叶-襟翼实验等。国内外主动控制材料AFC和MFC种类较多，性能各异，选择合适的材料对于主动控制技术的发展意义重大。主动扭转和主动后缘襟翼挥舞桨叶结构复杂，主动扭转层和襟翼驱动器的设计与控制形式多样，设计参数多，掌握旋翼主动控制技术有一定的挑战。4、结束语
旋翼桨叶结构设计的发展始终围绕着两个方面不断地改进，1）新材料新工艺的使用；2）桨叶结构设计改进。桨叶结构设计与桨叶选材之间是相互依赖和相互制约的矛盾关系。新材料和新工艺的使用能够改进或改变桨叶结构的设计，而新型桨叶结构设计又会对材料提出新的性能要求。针对旋翼桨叶结构设计中的选材问题，通过对复合材料桨叶结构设计内容和桨叶结构选材现状内容的整理，结合新型桨叶结构设计与选材问题，提出了国内复合材料选材现存问题和新型桨叶结构设计的难点，给旋翼桨叶复合材料结构设计和制造的人员提供相关的参考。国内直升机复合材料旋翼桨叶的设计研制逐步赶上世界先进水平（如中国直升机设计研究所旋翼部传动部），一系列型号旋翼桨叶的设计研制为国内直升机旋翼桨叶的发展提供了机遇。旋翼桨叶国产复合材料的研制工作有待进一步提升。无轴承旋翼简化了桨叶，提高了桨叶的维修性能，已经在国产直升机旋翼尾桨叶上成功应用。在主动扭转复合材料旋翼桨叶方面，国内已经开展了模型旋翼的初步研究，取得了一定的研究成果。而后缘襟翼主动控制旋翼桨叶研究，国内还处于理论探索阶段，没有相关的工程经验。相信随着研究工作的不断发展，我国直升机旋翼桨叶结构在设计和复合材料选材方面会有很大的进步。
