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陈济桁 ¦ 复合材料助力贝尔V-280“英勇”倾转旋翼机发展

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1970-01-01
来源:滚轮轴承

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  “鱼鹰”的继任者,为美军提供快速、长距和高效的运送投放能力,以便能适应并成功的完成任何场景下的作战任务,保证其作战效能强于任何作战对手。“英勇”的创新包括飞机固定发动机短舱等,它能增加飞机维修的便利性与发动机短舱进出口安全性。这款最新的倾转旋翼机提供了固定翼高速巡航性和低速灵活性,可帮助士兵和司机根据任务不同,自由的选择最佳行军速度和驾驶可操作性。

  为解决美国旋翼飞行机队日益老化的问题,美国国防部于2009年启动“未来垂直起降飞机”(FVL)计划。该计划旨在为美国军队开发更快速、更灵活的垂直起降飞机(VTOL),在轻型、中型、重型和超级型(ultra)等四个不同的旋翼机平台实现升级。然而,FVL计划并不是简单的替换目前四个平台上的老式旋翼机,而是着眼未来作战需求,实现旋翼机在垂直起降、航程、速度、有效载荷、生存能力、可靠性等多个角度的大幅度改进,生产所带来的成本和作战成本也要降低到当前机队成本之下,在满足现有作战任务需求的基础上,还要能承担以前不可能完成的任务。

  FVL计划的先导是“联合多任务技术验证机”(JMR-TD)项目,该项目也是FVL计划的基础,其目标并不是要开发出新一代旋翼机的原型机,而是要得到研发技术。为落实项目,美国陆军航空与导弹研发和工程技术中心(AMRDEC)与AVX飞机公司、贝尔直升机公司、卡雷姆飞机公司和西科斯基-波音联合团队分别签订了合同,每家均得到了美国陆军650万美元的资助,利用9个月的时间完成各自的旋翼机初始设计参与后续的项目竞争。

  图2JMR-TD项目将催化技术成熟,助力装备满足FVL计划的要求(美国贝尔直升机公司,V-280“英勇”手册)

  为争取项目,贝尔直升机公司自筹部分经费启动V-280“英勇”倾转旋翼机研制方案,该方案于2013年6月被美国陆军选定为JMR-TD项目的I类提案。2014年8月,经过一年多的努力,美国陆军宣布V-280“英勇”中标,继续执行JMR-TD项目。2014年10月,美国陆军正式公开宣布贝尔-洛马团队的V-280“英勇”和西科斯基-波音团队的SB-1“挑战”在竞标中胜出,并授权两家开始建造各自的验证机,准备在2017年进行试飞。

  贝尔V-280“英勇”倾转旋翼机具有非常明显的三大特点:一是速度快、航程远,二是可靠性高,成本低,三是技术上的含金量高。为了达到上述这些特点的要求,V-280整机由金属和复合材料制成,由于在设计中特地强调了减轻重量,减少相关成本,该机的机身、机翼和机尾大量使用了复合材料,特别是在倾转旋翼机特色的固定翼和旋翼上实现了四大突破:

  l机翼蒙皮和翼肋是胶接在一起的,没用紧固件,这也打破了传统的蒙皮-桁条结构。

  l首次使用大型单元碳芯技术(Large Cell Carbon Core,LCCC)技术制造出一体成型的“粘合式复合材料机翼”,具有碳纤维复合材料蒙皮和蜂窝夹芯三明治结构,不仅实现了工艺简化和机翼减重,相比将V-22机翼缩小到相同尺寸,成本降低了30%。

  l复合材料桨毂星型件由铺设在开放式模具上的宽幅预浸布加工而成,与使用封闭式模具相比,成本降低50%。

  l使用由Eagle Technologies生产的第一款全碳倾转旋翼主桨叶片,可靠性更高,成本更低,具有更强大的空气动力学性能。

  除此之外,由于固定翼采用胶接方式,将V-22时的略带前掠改为平直翼设计,采用平直的碳纤维复合材料整体成型,机翼上的零件数量更少、尺寸更大、重量更轻,此外,这种设计还能轻松实现对机翼损伤部位的迅速检测。得益于先进的复合材料和制造技术的进步,以往需要手动配合公差的问题不复存在,装配难度和成本也实现了大幅度降低。旋翼桨叶采用轻质的全碳材料制造,成本降低了25%;通过宽幅预浸布加工得到的星型件,使制造成本降低了40%。

  图3V-280“英勇”的机翼,桨毂和旋翼叶片使用特定的复合材料和工艺来实现减重降本(美国贝尔直升机公司,2014年10月向试验测试飞行员协会汇报的演示文稿)

  V-280的复合材料机身生产工作由斯普利特航空系统公司完成。贝尔公司首席执行官约翰•加里森曾表示,尽管V-280拥有许多技术创新点,但最具突破性的则是其机身采用了先进的制造工艺和装配技术,及大地降低了成本。斯普利特公司采用了公司独有的Spirit Exact®快速成型专利工艺技术,辅以决定性装配(Determinant Assembly)和激光校准,将零部件设计成按预先定义的界面来加工和装配,公差极小,消除了工艺流程中的手动测量、调整和固定,最大限度降低了对昂贵的固定零部件工装工具的需求,进而简化了复合材料产品的制作的完整过程,降低了人力成本和产品生产周期。斯普利特公司在V-280首次展出的原型机机身上就采用了该技术,其建造成本仅为2000美元左右。此外,整个机身中只使用了三个金属垫片,在其他金属框架结构外均贴合了复合材料,这使得整个机身近乎为全复合材料。机身其他的大型部件采用自动铺丝系统(AFP)制造,进一步满足了经济可承受性的要求。

  2015年10月,斯普利特公司宣布首架V-280验证机机身生产工作完成,机身从设计到完成生产仅仅耗时22个月。2016年5月,贝尔直升机公司成功完成V-280的复合材料机翼、短舱与机身的对接。

  除了机翼和机身,V-280的尾翼也广泛采用了先进复合材料。英国的GKN航宇公司为其设计生产了由金属和复合材料共同构成的V型尾翼结构和方向舵,它们可为机身提供优异的机动性和可操控性。公司生产的第一架V型尾翼也于2016年初与机身对接装机。

  V-280“英勇”倾转旋翼机的研发和生产工作共涉及了全世界内11家顶尖的航空产品制造商去参加了。除前文中提到过的斯普利特航空系统公司、Eagle Technologies公司以及GKN航宇公司外,分包商还包括负责座舱、航电、分布式孔径系统和成套任务设备设计的洛·马公司,负责开发飞控系统的穆格公司、负责建模仿真与训练系统的TRU公司,负责提供发动机的GE公司,负责设计配电系统的Astronics高级电子系统公司,负责飞机弹射轴承设计的LORD公司,负责提供燃料系统的梅吉特公司以及负责液压和发电系统的伊顿公司等。

  图6V-280“英勇”的总承包商贝尔直升机公司及其部分分包商合作伙伴(美国贝尔直升机公司图片)

  除了上述这些主要分包商外,还有很多企业成为V-280的复合材料部件制造商和供应商。

  来自美国的AGC复合材料公司为该机生产配套了机翼复合材料整流罩。AGC公司的总裁兼首席执行官里克·阿姆斯特朗表示,整流罩的研发和生产是AGC公司与美国工厂之间的一次成功合作。这次合作主要指曾经是Unitech复合材料公司(2007年被AGC收购)的爱达荷州海顿工厂与位于俄克拉荷马城的AGC航宇公司总部的合作。

  以色列航空航天工业公司(IAI)提供了复合材料发动机短舱和内舱座椅,其中发动机短舱的生产制造面临巨大的挑战——由于V-280设计的更改,发动机短舱是最晚完成设计定型的,却需要最早完成生产制造。最终IAI公司采用了先进的自动化制造技术,不仅克服了设计挑战,同时明显降低了成本。由IAI提供的先进内舱座椅使用先进复合材料制成,不仅坚固耐撞,还兼具先进的功能性,可为士兵无线电接收机进行无线充电。

  由于大量的使用了复合材料,贝尔公司于2015年9月与东丽美国分公司签署了合作协议,为贝尔直升机项目提供先进的碳纤维预浸料。尽管这些材料最初将用于贝尔525“无情”超中型直升机项目,但跟着时间的推进,预计V-280“英勇”倾转旋翼机项目也将大量使用东丽企业来提供的预浸料。

  在多灾多难的F-35战斗机之前,V-22“鱼鹰”是美国军机历史上最受诟病的飞机。该项目不仅研发严重拖延,成本大大超支,在试飞和使用中还不断被曝出各种机毁人亡事故和技术问题。美国前国防部长切尼曾下令停止研发“鱼鹰”,但被美国国会强令恢复研发生产,这才使得项目保留下来。倾转旋翼机具有常规直升机很难来做比较的高速和航程优势,以及其在战场上表现出的持续远程投放能力,是美军不愿意放弃它的主要原因。

  在总结了V-22“鱼鹰”的问题和经验后,采用第三代倾转旋翼技术的V-280“英勇”横空出世,它不仅具备出色的远程机动能力,而且得益于先进航空材料和制造技术的发展,还具有低成本、高维护性和高可靠性,能够为采办、作战、保障等提供最好的解决方案,可执行当今旋翼飞机没办法完成的大量垂直空运任务。

  随着验证机完成100%的装机工作,V-280“英勇”的首飞工作也将在未来几个月内展开。按照美国军方的计划,该机将在2030年左右替换西科斯基公司的UH-60“黑鹰”系列直升机。未来,通过设计改型,该机还有可能还可以衍生发展为武装倾转旋翼机,用以替换波音公司的AH-64E“阿帕奇”武装直升机。贝尔公司预计,V-280的未来市场发展的潜力高达1000亿美元。

  陈济桁先生此前曾为《空天防务观察》提供1篇专栏文章:“日本东丽公司推出新一代碳纤维预浸料产品,拉伸强度和抗冲击性能又提升30%”(2017年6月2日),感兴趣的读者可点击题名直接访问。

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