直9直升机

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第二十八届（2012）全国直升机年会论文

直升机机体材料的应用与发展

王遇波1姜潇英1郝文尧2

（1.陆军航空兵学院机械工程系，北京，101123；2.77120部队，成都，610081）

摘要：直升机虽然不像飞机那样飞得高、飞得快，但也受其特殊环境和使用条件的制约，对材料提出了

严格的要求。本文主要介绍了直升机机体常用的材料，即轻合金与复合材料，介绍了它们的基本特点、应

用及发展方向，最后简单介绍了两种功能材料在直升机上的应用及发展趋势。

关键词：直升机机体;轻合金;复合材料;功能材料;应用;发展

1引言

新材料的应用是飞行器性能提高、更新换代的重要标志之一，正所谓一代材料一代飞行器。直

升机的发展历程也是如此，每次新材料的推出都引领着直升机的更新换代。伴随着直升机的更新换

代，直升机机体材料的发展应用特点如下：

早期直升机机体采用木、布结构，随后出现了铝合金和钢的机体材料，再后在机体材料中增加

了钛合金，目前复合材料已大量使用于机身结构中，随着新材料技术的快速发展，可以预见今后除

高性能复合材料和高损伤容限性能金属结构材料外，崭露头角的功能材料在直升机上也会大有作为。

2轻合金及超高强度钢

轻合金和超高强度钢都是航空航天器的主要结构材料，他们的主要特点是比强度高，综合性能

好，不同材料又各具特点，因此在直升机机体中的应用部位也不尽相同。

2.1铝合金

铝合金的比强度和比刚度与钢相似，但由于其密度小、延性好、耐腐蚀、易加工、价格便宜，

长期以来，铝合金一直被大量用于直升机机体结构，为机体主要结构材料。铝合金目前在民用飞机

结构上用量约为70%~80%，在军用飞机结构上用量约为40%~60%。例如卡-50、卡-52机体主结构

是铝合金抗扭盒型梁；AH-2A机身主要结构是工字梁硬壳式铝合金抗坠毁结构；卡-27、卡-29机体

为半硬壳式结构，隔框、桁条、蒙皮由铝合金制成，尾翼构架是铝合金结构等等。

欧美国家航空铝合金经历了静强度铝合金、耐腐蚀铝合金、高纯铝合金及耐损伤铝合金四代的

发展过程。在第四代铝合金技术发展的同时，铝—锂合金在大型民用飞机A380上大量采用，使之

成为空客新一代飞机的一大特色。

含锂铝合金是铝合金的一种，其成分是在铝中加入锂元素。锂元素的加入，不但可以更大的降

低材料的密度，此外，其较高的比强度还可改善铝合金强度差强人意的缺陷。含锂铝合金的另一个

优点是弹性模量高，其比钢度超过传统铝合金的比刚度。合金中每加入1%锂，约降低密度3%，提

高弹性模量5%，所以航空航天工业对含锂铝合金有极大兴趣。铝锂合金在直升机上主要用于机身框

架、垂直安定面、整流罩、进气道唇口、舱门、燃油箱等部位。英、意合作生产的EH101直升机，

其机身框架、蒙皮和内部结构使用了相当多的Al－Li合金板材和锻件，使每架机质量减轻200kg，

而据估计，直升机在整个服役期间每减轻1kg增加经济效益高达3000英镑。但是铝锂合金由于技术

和价格等因素限制，目前应用还不是很广泛。

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我国在铝合金领域始终在跟踪国际先进技术，至今已走过几个发展阶段，但关键技术的突破以

及品种、规格的系列化发展和工程应用水平距离国外还有较大差距，亟待建立第三、四代铝合金完

善的材料体系。

2.2钛合金

由于铝合金所能承受的温度载荷有限，致使钛合金航空材料在20世纪70年代出现。钛合金具

有比强度高、耐腐蚀性好和耐高温等一系列优点，能够进行各种方式的零件成形、焊接和机械加工，

因而在先进飞机及发动机上获得了广泛应用。当今，钛合金用量占飞机结构重量的百分比已成为衡

量飞机用材先进程度的重要标志之一。

钛合金在新型战斗机机体结构上的用量已经超过铝合金，在F-22新型战斗机中钛合金用量已占

整机结构重量的41%。在直升机上由于其费用昂贵，不能进行全机身应用，只能在部分部件进行应

用。例如米-8、米-17直升机的中机身，其顶棚即是由上部的隔框、桁条及钛合金蒙皮铆接而成，另

外，发动机防火隔板也采用了钛合金；卡-31、卡-32机身为传统的半硬壳式结构，主结构广泛采用

钛合金；EC-665“虎”式直升机机体结构中钛合金约占6%，发动机防火地板既可采用钛合金材料，也

可用复合材料地板代替。

扩大钛合金应用领域的一个重要因素是把钛与复合材料结合起来使用。例如用钛螺栓铆钉状的

无冲击紧固件代替传统上与薄钍板(箔材)结合的材料来强化复合材料的非调节区，可以制造卡-62直

升机机身组合成型时用的金属复合接头。另外以钛合金为基体的复合材料，通过添加颗粒、晶须及

纤维等来强化，近几年有相当发展，并已开展发动机方面的研究。由于一般钛合金只能在一定条件

下燃烧，阻燃钛合金的研究也有相当程度的开展。

2.3超高强度钢

超高强度钢具有极高的比强度和良好的韧性，是航空航天的关键结构材料，用于航空航天结构

的主要承力件，如米-2采用普通的短舱尾梁半硬壳式结构，主要承载接头用合金钢制成；米-8、米

-17直升机尾部结构部分采用了高强度钢。

超高合金钢可以按照合金元素含量分为三类：低合金超高强度钢（合金元素含量<5%），中合金

超高强度钢（合金元素含量5%~10%），高合金超高强度钢（合金元素含量>10%）。随着结构钢的发

展，成为超高强度钢的强度级别会逐步提高。但随着材料技术的发展，许多承力件也逐渐由复合材

料代替，不过目前由于价格、技术等原因，还做不到完全替代，所以超高强度钢在主要承力件中还

发挥着不可替代的作用。

3复合材料

3.1基本特点及应用

复合材料是由两种以上的材料通过某种方法结合而成的新材料，其中各组成材料一般仍保持其

原有特征，但它们彼此“取长补短”、”大力协同”，使新材料的性能比各单独组分材料更优异。复合

材料有很好的可设计性、耐腐蚀性、高比强度、高比刚度、疲劳寿命长、耐弹击损伤等突出优点，

成为当今航空有效减重、改善飞行器性能的一种必不可少的材料。

目前复合材料在直升机上的应用远超出了固定翼的范围，而且被广泛应用于直升机机体结构和

升力系统上。复合材料在机身结构上首先用于尾梁、垂尾和平尾等构件上，一是为了减重，二是这

些部位外形曲面复杂，但结构受载并不是很大，适合采用复合材料加工成形，以提高结构损伤容限，

使用安全可靠。另外，直升机耐坠吸能结构、隐身结构的设计也有采用复合材料的需求。

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随着复合材料的发展，目前已出现多种全复合材料的直升机。据报道，S-75，D292，波音360，

RAH-66，V-22，NH-90和BK-117等直升机均属全复合材料机体。欧洲“虎”式武装直升机复合材料

用量达到80%；NH-90战术运输机复合材料用量达95%，仅动力舱平台、隔板仍采用金属件，其余

部分均采用复合材料。另据1994年取得适航证的MD-900直升机，其主要结构的重要部分全用复合

材料，在美国民用直升机上是首次。国外几种直升机采用复合材料比重见图1。

图1几种直升机复合材料占结构比重

3.2复合材料在机体结构上的应用特点

当前直升机机体结构根据结构件的承载大小和使用环境，复合材料的使用具有以下特点：

1.主承力结构，如龙骨大梁、主承力框等，由碳纤维（或石墨纤维）制成，并采用180℃高温

固化，如RAH-66选用高温固化的IM7/8552。

2.对于地板下部结构，考虑到直升机坠地时要吸收能量，为保护乘员安全，通常选用芳纶纤维

（或与碳纤维混杂）和高韧性树脂体系制造。

3.平尾、垂尾面板主要选用芳纶或碳纤维材料，梁选用碳纤维材料。

4.对于整流罩、舱门和次承力结构等，采用芳纶纤维和芳纶纸蜂窝的夹层结构，常用高温固化。

如果重量允许，面板也可采用玻璃纤维制造。

5.动力舱平台和防火隔板，通常仍采用钛合金面板制造，但随着耐高温阻燃复合材料的技术成

熟，必将被其取代。

3.3复合材料在我国直升机上的应用

我国在复合材料的研究与应用方面虽然比世界先进水平有差距，但是现已取得长足进步，在直

升机设计上正从非承力件、次承力件的使用到承力件上使用，并将用到主承力件结构上。

20世纪80年代生产的直8和90年代生产的直11等直升机用的复合材料较少，主要用在非承

力件的整流罩、口盖等，用的材料主要以玻璃纤维为主。与国外合作的S-92直升机，在尾斜梁的整

流罩用了碳纤维结构；EC-120直升机，驾驶舱骨架和顶棚用了碳纤维结构，但这些都属非主承力

件。而20世纪80年代，我国引进生产的直9直升机，其复合材料用量超过50%，广泛应用在升力

系统的旋翼、尾桨、桨毂和机体结构的涵道垂尾、平尾、侧垂尾、整流罩、口盖等处，这为我国直

升机大面积使用复合材料打下了良好基础。

4功能材料

在工程材料中，具有特殊物理性能、化学性能和生物性能的一类材料称为功能材料。功能材料

是航空航天关键基础技术，也是力量倍增（用最小的人力物力达到最大的战绩与战果）的关键。航

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空航天工程中有许多功能性材料，这里主要介绍与直升机机体有关的隐身材料和智能材料。

4.1隐身材料

为适应21世纪复杂电磁的战场环境，许多直升机都不同程度的采取了隐身手段。在众多隐身手

段中，除了相应的机体设计外，另一个有效方式就是隐身材料的应用。例如卡-60直升机机身蒙皮为

复合材料夹层结构，外面涂有能吸收雷达波的涂层，可减少被雷达探测的概率；EC-665“虎”式直升

机采用低反射性涂料和雷达波吸收涂层。大家所熟知的RAH-66“科曼奇”是世界上第一种具有隐身能

力的直升机，RAH-66除采用B-2和F-117的隐身技术外，还采用了专门为该机研究的隐身技术。其

隐身技术之一就是广泛使用复合材料，其雷达反射面积是目前其他直升机的1%。

目前，隐身材料除满足工作带宽、厚度薄、质量轻、隐身效果好的基本要求外，还在向着智能

化方向发展。所谓智能化就是可以弥补普通隐身材料目标单一，只能被动地抑制目标特征信号的缺

陷，而能够在背景是十分复杂并且不断变化的情况下，减小目标和背景的可探测性的差别。20世纪

80年代，美国首先提出了智能隐身材料的概念。美国空军于1985年，首先提出了光纤智能蒙皮的

概念和计划，这种光纤智能蒙皮内嵌入保型雷达、导航设备、目标搜索和各种传感器元件，使光纤

数字电路遍布飞机机翼内，不仅可以隐身而且灵敏度高、易操纵，并可自动校正飞行。美国空军怀

特实验室，研究了一种聚苯胺基复合材料，可用于调节飞机蒙皮的亮度和颜色。智能化视觉隐身，

将使武装直升机成为一条“变色龙”而难以被敌方发现、跟踪和攻击，大大提升了自身的战场生存能

力。

4.2智能结构材料

近年来，一些机敏材料如形状记忆合金、压电陶瓷等加上控制功能即可构成一个智能系统。这

种系统能够对外界环境变化做出适时、灵敏和恰当响应，其本身具有传感器、控制及驱动三种功能，

类似于生物的自适应性，因此常称之为智能材料。

智能材料在设计上有很大应用潜力，它的研究、发展与应用必将对直升机的发展产生深远影响。

智能材料在直升机上应用范围很广，从旋翼、发动机到机身、蒙皮，它都可以大显身手。此处的智

能蒙皮与上述所讲不同，此处智能蒙皮就是将传感元件、驱动元件及微处理控制系统集成在一起植

入蒙皮的结构材料中，用以改善机身气动效果以及实现侦察、隐身、通信、识别、干扰等多种功能。

此外，对于结构件来说，智能蒙皮还能判断材料损伤、裂缝并进行自诊断、自修复、自适应以及抑

制噪声和振动。如果将这项技术应用于未来直升机上，必将大幅提高直升机战场生存能力。

目前，智能材料结构尚处于试验研究阶段，离实际应用还有一段距离，如智能旋翼、智能蒙皮、

减振降噪、损伤评估等技术大部分是实验室研究项目或仅仅是一种想法。但这丝毫不会影响到智能

材料在直升机制造业中的应用前景，可以相信，随着人们对智能材料广泛而深入的了解，智能材料

在直升机上甚至是航空航天各个领域中的应用会越来越广泛。

5结束语

直升机的设计准则已经从开始的静强度设计发展到今天的损伤容限设计，设计选材时的重要决

定因素是寿命期成本、强度重量比、疲劳寿命、断裂韧性、存储期及可靠性、可维修性等。机体所

用材料也在向着高性能、高功能及多功能、复合化、智能化、低成本、高环境相容性的方向发展，

相信在不远的将来更多的新材料将运用到直升机上，推动直升机性能的不断改进与提高。

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参考文献

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TheApplicationandDevelopmentofTheHelicopter’s

AirframeMaterial

WangYu-bo1JiangXiao-ying1HaoWen-yao2

（iationInstituteofPLA,Beijing,101123,China;.77120PLA,Chengdu,610081）

Abstract:Thoughthehelicopterisn’tflyinghigherandfasterasotheraircraft,butfortherestrictionbyspecial

environmentandconditionofusing,perbrieflyintroducesthe

helicopter’sairframematerialsincommonu,suchasveralkindsoflightalloyandcompositematerialthat

theirbasicchaytwofunctional

materials’theapplicationanddevelopmenttrendonthehelicopterareintroducedinthispaper.

Keywords:Helicopter’sAirframe;LightAlloy;CompositeMaterials;FunctionalMaterials;Application;

Development