作者| 许小山、林志刚，中国直升机设计研究所
说起中国的飞机，可能许多人第一时间想到的就是国产大飞机C919，歼-20、运-20、空警-2000等军用机，那么，中国的直升机呢？
由于飞行基本原理不同，直升机高飞比喷气式飞机困难得多。从8000米到9000米，飞越珠穆朗玛峰，国产大型直升机近年来不断刷新飞行高度新纪录。对于直升机而言，旋翼如同飞鸟的翅膀，决定着直升机的命脉，是各直升机强国的核心秘密。
（一）从仿制到自主研发
上世纪60年代到80年代，中国直升机技术还很薄弱，旋翼更是瓶颈。
当时，中国直升机的主要机型都还是采用常规的全铰接式旋翼的直-5、直-6、直-8等老型号，国外已经在发展应用星形柔性、球柔性和无轴承旋翼技术。而早期的全铰接式旋翼也已无法满足国内对大型直升机的任务需求。新一代旋翼的研发成为当时中国直升机行业发展迫在眉睫的问题。
典型全铰接式旋翼直升机（直8）
第一代旋翼：铰接式钢木混合结构
当年，国内直升机旋翼技术的发展经历了从测绘仿制、参考样机设计、国际合作，逐步过渡到了自主设计的阶段。旋翼技术的起步从20世纪50年代引进米4直升机（直5）开始，采用的是第一代铰接式钢木混合结构旋翼。
第二代旋翼：金属铰接式
后来，技术人员“摸着石头过河”，完成了直5金属旋翼仿制，并开始了直6、直7、直8等第二代金属铰接式旋翼的测绘仿制，初步形成了中国旋翼技术基础。
80年代初国内引进法国“海豚”直升机生产专利，复合材料星形柔性构型的旋翼让国内直升机看到了差距。
典型星形柔性旋翼直升机（AS350）
第三代旋翼：球柔性构型
球柔性旋翼是在每个桨毂（gǔ）支臂上采用一个粘弹弹性轴承，实现桨叶的挥舞、摆振、扭转等三个铰的功能，相当于万向铰，与具有独立的挥舞、摆振、扭转铰的铰接式旋翼相比，这个轴承大大简化了结构，减轻了桨毂重量，可靠性高，维护简单，研制费用自然而然也就降低了。
法国在20世纪80年代中期开始，先是在超美洲豹直升机旋翼和尾桨上成功应用了球柔性构型，而后又用于90年代研制EC120、EC155、EC225、NH90等直升机。英国和意大利研制的EH101、意大利和美国贝尔联合研制的AB139等直升机也都采用了这种旋翼。
中法联合研制的国内5.5吨级某直升机，也采用了与EC155相近的五支臂球柔性旋翼构型，其中粘弹阻尼器采用叶间连接。目前这种构型已成为直升机旋翼构型发展的主流之一。
不过，当时国内球柔性旋翼技术储备的大量空白，为了充分发挥直-8直升机大型平台的优势，国家提出要自主研发大型球柔性旋翼，国产直升机旋翼系统才迈出了从第二代到第三代的跨越。
（二）“打造”球柔性旋翼的“强心脏”，用了5年
球柔性旋翼有个核心的关键部件——弹性元件，它主要是通过弹性轴承的金属橡胶叠层的弹性变形实现主桨叶的挥舞、摆振和变距运动，并传递主桨叶的载荷。弹性元件的研制成败性可以说决定了整个球柔性旋翼系统的成败。
这其中，金属橡胶叠层设计、硫化模具设计、抗疲劳胶料、配套胶粘剂、热硫化成型和弹性轴承性能测试等各个方面的技术要求都很高，技术难度大，影响因素复杂，而且我们一直面临着国外的技术封锁。
典型弹性轴承示意图，黑色部分为金属橡胶叠层
1、金属橡胶叠层粘接性能要靠谱
弹性轴承也有个核心部分——金属橡胶叠层，它是由多层球型金属隔片与橡胶材料经粘接复合形成的，粘接面积非常大，在动态应力的作用下，粘接层受到很大剪切应力，粘接的性能和可靠性将直接决定弹性轴承的的性能和可靠性。
所以，旋翼攻关团队通过对胶层参数反复迭代修正，选择一个最优的参数组合，完成了金属橡胶叠层胶层参数设计，还研制出了满足大型弹性轴承性能和成型工艺要求的粘接材料及粘接工艺。
2、硫化成型还要攻克粘接性差、隔片脱落难题
硫化成型是弹性轴承研制成功的最后一个关键环节，成型最怕两大难题莫过于注胶过程中的粘接性差和隔片易脱落。当然，研制团队经过像爱迪生试验灯丝一样的艰辛历程，最终研制出了粘性性能好，外观还满足要求的弹性轴承，并在国内首次实现批量交付。
整个研制过程持续了近5年。设计团队不仅完成了型号研制任务，还攻克了弹性轴承结构设计、硫化模具设计、抗疲劳胶料的配方和工艺、金属与橡胶粘接技术、精密成型工艺技术等5大关键技术，为后续的机型弹性轴承研制奠定了技术基础。
（三）关键性材料曾出现设计失误
“强心脏”之外，球柔性旋翼研制中还有个关键件——钛合金桨毂中央件，它能传递与平衡桨叶的离心载荷、传递桨叶的升力、操纵力矩和发动机的扭矩，作用也是至关重要的。
典型钛合金桨毂中央件示意图
钛合金是国外先进球柔性旋翼桨毂中央件的首选材料，国内那时刚起步。
NFH的螺旋桨钛合金桨毂
当时，首件钛合金中央件疲劳试验件在试验中就出现了提前破坏，寿命不够的现象。
“怎么办？是设计问题、材料问题、试验问题还是工艺问题？”一连串的问号谁都无法解答。
后来，研发团队在耳片刚度匹配性设计、关键部位抗疲劳细节设计、关键部位表面处理等进行了改进之后，最终完成了疲劳试验，确保了样机研究的质量和进度。
（四）主桨叶太沉 设计人员一点点“抠”重量
主桨叶作为直升机的升力来源，是整个旋翼系统重要组成部分。当时，金属结构的直-8主桨叶已经不能满足新的性能要求，就需要研制更先进的复合材料主桨叶。但重量控制、工艺制造、试验验证等诸多关键技术的难关又成了横跨在研发人员面前的“大山”。
典型桨叶示意图
选择什么翼型是个首要解决的问题 。一开始，对于该旋翼系统气动性能目标要求是选用具有当代国际先进水平的翼型，并且旋翼最大悬停效率再提高一个水平。攻关人员对各种翼型的气动参数进行了对比分析，综合考虑悬停状态和前飞状态对桨叶参数的不同要求，最终确定了桨叶的气动外形。同时，形成了一套高性能桨叶气动设计方法。
重量控制是重中之重。 太重了可不行，确切的说，研发人员是一点一点的在“抠”重量。经过桨叶细节设计以及对重量、转动惯量的全面分析，研发人员发现桨叶根部是潜在的可挖掘减重部位。在对比分析多个方案和保证足够挤压强度的前提下，确定采用轻质材料的减重方案。 这项自主创新的减重技术在复合材料桨叶设计上还是首次尝试。最终，整副旋翼桨叶减重达到9千克。
AC313在5200米珠峰大本营
结语
在搭载新型球柔性旋翼系统的AC313首飞那一天，很多人感慨：国产直升机终于有了自己的“大翅膀”！
2011年9月2日，搭载新研球柔性旋翼系统的民用大型直升机AC313成功飞越了海拔8472米高度，创造了国产直升机新的飞行记录。正是有了这副旋翼，中国航空直升机工业不断创造出国产直升机最大起飞重量、最大飞行高度、最大起降高度和高原最长飞行距离等多项记录，填补了行业的大量空白。
