飛艇在所有的空間飛行器及浮空器中具有留空時間長、載重量大、能源消耗低、安全性能好等優(yōu)點，可用于搭載各種偵察、預(yù)警、通信裝置，對軍用和民用有很大實際意義[1-2]。飛艇高空前飛或偏航，需要有一定的助推力以及偏航力矩。為此，在飛艇尾翼及尾翼腹部布置螺旋槳以滿足飛艇前飛及偏航要求。螺旋槳作為飛艇動力系統(tǒng)的主要組成部分之一，其主要功能有兩點：一是由電動機帶動旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生拉力，為飛艇前飛或抗風(fēng)定點提供推進(jìn)力；二是為飛艇偏航提供偏航力矩[3-4]。由于復(fù)合材料比強度、比模量高和可剪裁設(shè)計的特點，已經(jīng)在飛艇螺旋槳上得到應(yīng)用，并成為其材料體系的主要發(fā)展趨勢。對復(fù)合材料飛艇螺旋槳成型工藝國內(nèi)外鮮有報導(dǎo)，這主要是因為平流層飛艇的研究處于起步階段，目前仍以論證設(shè)計為主。本文借鑒了同為復(fù)雜曲面外形的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件——風(fēng)機葉片的成型經(jīng)驗，提供了復(fù)合材料飛艇螺旋槳的成型技術(shù)路線，并對其成型過程中的關(guān)鍵技術(shù)和控制點進(jìn)行了探討。

設(shè)計目標(biāo)

        以單副雙槳葉螺旋槳為例，直徑7m，外觀效果圖如圖1所示。性能指標(biāo)按照平流層工作環(huán)境需求設(shè)置如下。

      （1）使用環(huán)境要求。

      工作環(huán)境溫度：-80~55℃ ；靜置環(huán)境溫度：-80~60℃ ；工作環(huán)境濕度： 95％（30℃）；海拔高度： 0~22000m。

      （2）功能要求。

       類型：定距拉力槳；槳葉數(shù)： 2葉；旋轉(zhuǎn)方向：沿航向順時針。

     （3）結(jié)構(gòu)工藝要求。

       結(jié)構(gòu)形式初步采用單腹板泡沫整體填充方案：上下殼體及腹板采用預(yù)浸料進(jìn)行鋪層，腹板與殼體之間為空心結(jié)構(gòu)，腹板形式為Z字型。

       直徑: 7m；

      螺旋槳干重量（包括安裝附件）：（40±2）kg；設(shè)計安全系數(shù)：不小于3，且在使用壽命內(nèi)不發(fā)生氣動彈性不穩(wěn)定現(xiàn)象，0~600r/min內(nèi)不因共振導(dǎo)致螺旋槳槳葉發(fā)生破壞性損壞。

       成型工藝和關(guān)鍵技術(shù)

       螺旋槳成型總體工藝路線如圖2所示。

       總體工作思路為：在加工制作完成上殼體、下殼體、腹板、內(nèi)包邊模具后，選用碳纖維增強環(huán)氧樹脂預(yù)浸料，采用熱壓罐工藝，分為兩次中溫固化成型，第一次在熱壓罐中分別成型上殼體、下殼體和腹板，腹板膠接后, 再在熱壓罐中將上下殼體合模整體固化成型。

        螺旋槳槳葉成型選用的主要材料有：

      · 上、下殼體材料：碳纖維預(yù)浸料；
      · 腹板：碳纖維預(yù)浸料；
      · 腹板膠接及合模膠接：膠粘膜。

        復(fù)合材料成型主要采用熱壓罐真空輔助工藝，如圖3所示，分為兩次中溫固化成型。

        按照工藝路線，各工藝流程中的關(guān)鍵技術(shù)及控制點如下所述。

        1 上、下殼體制作

       槳葉成型不同于規(guī)則型復(fù)合材料，考慮其曲面結(jié)構(gòu)，采用退層鋪層設(shè)計。貼模具鋪設(shè)一層脫模布，然后鋪設(shè)預(yù)浸料，預(yù)浸料邊緣沿模具邊緣修剪，最后在槳葉邊緣及腹板膠接位置要覆蓋上一層撕離布。從結(jié)構(gòu)上還可以進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使得預(yù)浸料纖維主方向為槳葉徑向，提供較強的抗拉強度。

       根部預(yù)埋件處理，可將預(yù)埋件位置處預(yù)浸料裁去，將預(yù)埋件包裹發(fā)泡膠后填入，隨預(yù)浸料一起固化成型。

       2 內(nèi)包邊制作

       由于槳葉上下殼體邊緣膠接面極窄，如果僅僅采用殼體膠合的方式無法保證膠接強度，有可能使得槳葉在動工況狀態(tài)下上下殼體分離脫落。為解決此問題，必須進(jìn)行內(nèi)包邊補強。內(nèi)包邊的作用是為了增大上、下殼體的膠接面積，寬度、厚度、需補強位置應(yīng)通過結(jié)構(gòu)計算確定。考慮到內(nèi)包邊在上下殼體成型后也需參與合模過程，因此需精確控制內(nèi)包邊的支撐位置以及與上殼體對應(yīng)曲目的厚度差值。使用剛性較好的內(nèi)包邊模具能解決這一問題。

       在下殼體固化成型后，撕去內(nèi)包邊制作位置處的撕離布，將內(nèi)包邊模具定位安裝到下殼體模具上，定位時注意留出殼體內(nèi)縮1mm 的膠接量。之后在內(nèi)包邊模具和下殼體內(nèi)鋪貼預(yù)設(shè)厚度的碳纖維預(yù)浸料進(jìn)行補強。待內(nèi)包邊固化后再取下內(nèi)包邊模具。

       3 腹板制作及膠接

       腹板制作在腹板模具中進(jìn)行。采用碳纖維預(yù)浸料鋪設(shè)。纖維方向應(yīng)主要為±45°方向，承受來自上下殼體的剪切應(yīng)力。鋪設(shè)的邊緣要留出一定量膠接面。

     （1）腹板定位膠接技術(shù)。

      腹板成型后，需將其先行膠接至下殼體上。腹板定位膠接是整個流程中較重要的一環(huán)，處理不好不僅會使得整個槳葉抗剪切能力下降，還會影響后續(xù)合模膠接步驟。其關(guān)鍵控制點包括腹板定位位置的準(zhǔn)確性、膠接厚度及固化過程中的穩(wěn)定性等。為較好地控制腹板膠接，必須采用輔助工裝解決。輔助工裝要求剛性較好并配置有定位螺孔，對應(yīng)于殼體模具上的腹板設(shè)計位置，用于在腹板膠接過程中控制膠層厚度及穩(wěn)定固化過程。

       腹板膠接過程的具體操作步驟如下：撕去下殼體內(nèi)面對應(yīng)腹板的膠接位置上的撕離布，鋪貼膠粘膜；將腹板膠接面對準(zhǔn)膠接位置放置；安裝腹板定位工裝，保持腹板直立，鎖緊方邊對應(yīng)定位孔螺絲保證腹板在加壓情況下膠接；常溫或加溫固化，卸去腹板定位工裝，膠接完成。

     （2）配重箱設(shè)計制作技術(shù)。

       通常配平衡在槳葉合模成型后進(jìn)行，但需提前在葉體內(nèi)制作配重箱，方便最終在其內(nèi)增加重量。配重箱的位置設(shè)置在槳葉前緣腹板與殼體形成的空腔，使泡沫的下端形狀貼合腹板和下殼體，上端修成近似上殼體弧形（圖4）。然后用兩層碳纖維預(yù)浸料包覆，將下端隨腹板一起膠接在下殼體上。

        4 合模固化

       下殼體膠接好腹板后，即可將上下殼體進(jìn)行合模膠接成螺旋槳整體（圖5）。在正式合模之前，為確定膠粘膜用量既能保證填滿膠接厚度又不致缺膠造成空隙，需用橡皮泥進(jìn)行預(yù)合模，測量每處橡皮泥的厚度作為正式合模時的膠粘厚度參考。正式合模時，在膠接位置鋪貼好對應(yīng)橡皮泥厚度的膠粘膜，翻轉(zhuǎn)上殼體模具，抽真空加壓升溫固化。固化完成后，開模將槳葉取出放置在托架上。

     5 外包邊制作

      外包邊的作用是從外側(cè)補強上下殼體膠接作用力，需要補強的層數(shù)及尺寸需結(jié)構(gòu)上計算，建議仍采用退層鋪設(shè)，保持槳葉氣動外形。鋪貼完成后加溫固化。

      6 表面處理

      使用常規(guī)的復(fù)合材料表面處理方法即可，螺旋槳葉表面最后涂覆一層聚四氟乙烯 (PTFE)。有優(yōu)良的耐光氧化性、耐熱氧化性、耐臭氧氧化性和耐水降解性，可大大提高表面光潔度。

       7 配平衡

       為使一副兩片槳葉在運轉(zhuǎn)時達(dá)到動平衡，在兩片槳葉均成型的最后必須對兩片槳葉進(jìn)行配重，使得兩片槳葉的重量和重力矩均相等，從而避免使用時受力不均導(dǎo)致耦合共振頻率不同，降低使用壽命。為使得配平衡更具可操作性，可采用配對對比的方法進(jìn)行。首先對兩片槳葉同時稱重進(jìn)行比較，得出重量及力矩差值，然后以兩者較大一方為標(biāo)桿，以樹脂混合鉛粉為補充物，稱取差額，最后在配重箱和另一處力矩差值對應(yīng)內(nèi)表面位置操作固定補充混合物即可。

      槳葉配平衡后，安裝附件，并按設(shè)計連接形式將兩副槳葉連接完成成型全過程，入庫存放等待使用。

       結(jié)束語

       復(fù)合材料飛艇螺旋槳成型過程是綜合了結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計、模具設(shè)計制造、熱壓罐工藝、開合模技術(shù)等多學(xué)科的系統(tǒng)工程。其具體成型過程細(xì)節(jié)處還需在實際操作中進(jìn)行修正，更重要的需是在成型完成后進(jìn)行一系列的檢測及驗證工作，包括翼型檢驗、風(fēng)洞試驗、靜強度試驗、疲勞試驗、環(huán)境試驗等，保證復(fù)合材料螺旋槳各項性能指標(biāo)滿足需求。