复合材料直升机“单体结构”使私人旋翼机生产现代化
“私人直升机行业已经停滞了几十年，”航空工程师兼希尔直升机公司（位于英国斯塔福德）创始人杰森·希尔博士说道。“全新的直升机虽然在航电方面有所升级，但仍然依赖于非常过时的技术。你不会开一辆上世纪60年代的汽车，但私人直升机用户却不得不使用那个时代的技术。” 为了改变这种现状，他于2020年创立了希尔直升机公司，目标是凭借公司的首款产品——HX50旋翼机——革新通用航空。
希尔解释说：“通用航空业已经无法生产人们想要的产品了。并不是人们不再想要私人直升机；他们只是想要一架真正体现21世纪飞机特性且价格合理的直升机。因此，HX50的设计目标是美观、快速、动力强劲、安全且易于操作。”
HX50的各项规格使其在业内独树一帜。它可容纳四名乘客和一名飞行员，巡航速度为140节（259公里/小时），航程达700海里——例如，可实现从伦敦直飞摩纳哥或从洛杉矶往返拉斯维加斯——售价为65万英镑（约合74.7万美元）。其有效载荷为800公斤，最大起飞重量为1650公斤。因此，其空重仅为850公斤。这得益于其巧妙的设计和全复合材料结构。
HX50 最直接的竞争对手罗宾逊 R66 售价超过 110 万美元。R66 的空重为 585 公斤，比 HX50 轻，但 HX50 的有效载荷能力比 R66 的 640 公斤更高，巡航速度也比 R66 的约 110 节更快，而且其作战半径是 R66 的两倍，约为 350 海里。
希尔说：“HX50并非要用未经检验的概念重新发明轮子，而是将成熟的技术和设计原则整合到一个包装精良、工业化的产品中，以适应我们所说的‘通用航空2.0’。”
早期将泡沫芯材放入一次性树脂灌注模具中。HX50 遵循一套精心设计的认证策略。首批飞机在英国民航局 (CAA) 的“飞行许可”条例下，按照实验性自制飞机类别进行运营，并由工厂提供协助。“‘飞行许可’途径让我们能够在完成全面型号认证的同时，更快地将飞机交付给客户，”希尔解释道。与此同时，希尔直升机公司正在根据欧洲航空安全局 (EASA) CS-27 标准，为 HC50 型号申请全面型号认证。“我们设计和制造的所有产品都以符合 CS-27 标准为目标，”希尔补充道。“我们绝不走捷径——‘飞行许可’飞机的制造标准与最终获得认证的版本完全相同。”
“垄断”
为了实现公司的愿景，希尔聘请了迪恩·里奇韦担任公司首席复合材料工程师。里奇韦在复合材料结构领域拥有丰富的经验，曾在航空航天、一级方程式赛车和汽车行业任职。他的专长在于复合材料结构设计和制造工艺的整合，尤其注重设计工程师和生产团队之间的协作，以实现项目目标。
HX50的机身结构被Ridgway描述为“单体式”。其设计灵感源自赛车的单体壳结构，采用承重结构外壳，将机身的外部蒙皮与承载框架无缝连接，从而无需单独的框架。该单体式结构高约1.5米，长约3.5米，宽约2.6米，完全由碳纤维增强塑料（CFRP）夹芯板制成，兼具轻量化和高强度。
该复合材料夹层结构主要由 Nomex 芳纶蜂窝芯材粘合在 380 gsm 2×2 斜纹 T700 CFRP 预浸料层（美国东丽复合材料公司，加利福尼亚州摩根山）之间构成，纤维体积分数为 54%，采用溶剂型船用规格树脂，适用于非高压釜（OOA）制造，并具有增强的环境性能。
“单体结构的刚度和强度源于其复合材料的特性和几何形状，”里奇韦强调说。“采用碳纤维的高杨氏模量和壳状设计使其能够抵抗弯曲、扭转和空气动力载荷。通过调整纤维取向、层厚和芯材体积来优化载荷分布，从而实现局部刚度的精准控制。这使得机身轻巧而坚固，在飞行过程中保持结构完整性，并具有强大的抗撞击性和抗疲劳耐久性。”
从输液到预浸料的迭代设计
单体结构的设计最初以干纤维和树脂灌注作为核心制造工艺——这一决定是基于对经济效益的预期。希尔最初专注于利用这种方法来规避与预浸料相关的材料和操作成本，包括避免未加工预浸料的冷冻储存。
早期版本的 HX50 单腔在单次输注过程中。目标是创建一个封闭的单次固化结构——这是一个挑战，它突破了传统树脂灌注应用的界限，传统树脂灌注应用通常由更简单的几何形状组成，例如船体，由于尺寸限制，高压釜加工在这些结构中是不切实际的。
这一阶段始于对四分之一比例机身模型的探索，以此作为验证。探索取得了成功，有效地验证了灌注成型技术的核心原理。然而，在过渡到具有日益复杂芯材结构的全尺寸整体式机身时，挑战接踵而至。“两个关键问题变得尤为突出，”里奇韦强调说。“首先，在大面积表面上实现均匀的纤维浸润非常困难，导致部分区域树脂饱和度不足，从而危及结构完整性。其次，随着部件复杂性的增加，保持外层表面光洁度的高质量变得越来越困难。”
从项目角度来看，树脂灌注工艺存在严重的局限性，无法满足希尔提出的HX50项目每天生产四架直升机的愿景所需的大批量生产。“全尺寸模具一次只能容纳一到两台层压机在模具内运行，而且在狭小的空间内，它们经常会互相干扰，”里奇韦说道。
层压板灌注过程中树脂消耗过量也带来了新的难题。“为了消除孔隙和气泡，需要抽取过量的树脂，导致工艺结束时产生大量无法使用的混合树脂，”里奇韦解释道。“这种效率低下，加上施工质量和进度方面的限制，促使我们转向预浸料工艺——这一转变对后续的研发产生了重大影响。”
在目前的预浸料版本中，其基本结构设计保持不变。然而，之前在封闭模具内一次性成型的工艺已被分段式工艺所取代。该方法将整体式预浸料分割成两个长度分段的贝壳状部件，从而可以在最终固化阶段之前对每个部分进行独立加工。“通过利用贝壳状模具设计，我们实现了多台层压机同时对不同部件进行加工，显著提高了层压加工的效率，”Ridgway 指出。“虽然预浸料的成本确实高于干纤维和树脂的总成本，但它能够实现更精确的层位定位和边缘定义。”
采用拼接接头将整体式半截面板连接起来，拼接接头采用传统的斜接接头几何形状。在此接头中，相邻层合板按预定间隔向后错开，以促进界面处的载荷逐步传递。拼接接头处的层合板终止面相对于拼接区域内的界面层方向呈±45°角。
“这种设计选择旨在复制熔接界面处连续光纤区域的机械性能，”里奇韦解释说，“从而最大限度地减少结构不连续性。这种方法对于降低应力集中的可能性以及确保在运行载荷下的可靠性至关重要。”
复合材料制造策略
生产前已将棉层裁切好。该团队选择使用380克/平方米斜纹编织的T700预浸料，纤维体积含量为54%，作为整体式夹芯板的主层压材料。“这种纤维体积含量下的悬垂性极佳，对于结构中一些复杂的形状至关重要，”里奇韦强调说。“与更坚固的T800纤维相比，我们选择T700纤维，从而节省了约40%的材料成本，而每架直升机的重量增加却微乎其微，最终实现了成本与性能之间的平衡。”
对于树脂体系，团队选择了一种船用级溶剂型配方，该配方以其固化过程中低放热量的特性而闻名。“这种选择可以防止内部应力和翘曲，确保符合严格的尺寸公差，”Ridgway 指出。“树脂的缓慢固化特性也延长了使用寿命，便于进行多次减容操作，从而有效控制空隙率，无需高压釜即可获得致密、低空隙的层压板。”
此外，材料类型的选择也充分考虑了人为因素，最大限度地减少了操作人员因设备限制而产生的适应需求。例如，所选树脂体系的保质期为60天，在此期间无需冷冻储存。“在全面生产中，预浸料在铺层前可直接送至切割台，无需重新冷冻，”里奇韦解释道。“这简化了材料管理，并减少了员工在不方便的时间进入冷冻库解冻材料以满足生产目标的需要。”
整体式飞机构芯材的分布经过精心设计，旨在优化强度和重量，同时满足制造需求。团队在整个机身中使用Nomex蜂窝材料，以避免电偶腐蚀并确保加工的一致性。高密度芯材用于关键区域，而低密度芯材则用于受力较小的区域。在形状复杂的区域，则采用泡沫芯材。
薄膜粘合剂将芯材与碳纤维增强复合材料（CFRP）蒙皮粘合在一起，从而增强耐久性。固化过程中可控的温度升温速率有效控制了热膨胀。灌封技术加固了芯材边缘，防止压碎，从而保持结构完整性。
整体式夹芯板采用手工铺层，并借助Aligned Vision（美国马萨诸塞州切姆斯福德）的激光引导铺层系统，将模板引导至模具上。集成视觉系统确保在3.5米长的整体式夹芯板上实现亚毫米级的铺层精度。CAD系统根据CAD数据生成铺层平面图和铺层定位代码，并能根据设计变更进行快速迭代。智能排料缓冲装置可对裁切的铺层进行缓冲，最大限度地提高材料利用率，并支持灵活的生产配置。
防雷击和地面系统
由于复合材料结构不具备金属直升机所特有的法拉第笼效应，因此其外层内置了防雷击保护装置（LSP）。连续导电层以薄膜形式涂覆在夹层板基材上，以确保整个机身的电气连接。
在铺层过程中施加集成式防雷击 (LSP) 层，提供电磁兼容性，同时实现单阶段面漆涂装。这种设计既能防雷击，又能简化生产流程。传统方法需要涂多层底漆并打磨以解决表面瑕疵，而这种一体式底漆膜则省去了这些重复工序。
采用该系统，生产型机身只需在预涂底漆膜上涂覆一层面漆，与传统的多阶段底漆工艺相比，可缩短约75%的涂装时间。此外，由于底漆膜是在层压板固化过程中涂覆，而非作为可变后固化步骤，因此该方法还能更好地控制重量。
“涂装工艺采用可控的三层涂装顺序：一体式底漆膜、单层面漆和最终清漆，”里奇韦说道。“这使得整个涂装体系的重量可预测，避免了因表面质量问题而造成的差异。最终的涂装质量正如希尔所说，堪比‘宾利汽车的涂装’。”
非高压釜制造
Hill公司使用一台8米×4米的烤箱，配备自主设计的控制系统，用于固化HX50的复合材料结构。该烤箱包含六个独立控制的加热和真空区，每个区域都由校准过的热电偶进行监控。
这些传感器采集的数据通过人机界面 (HMI) 进行采集，确保烤箱工作区域内的温度均匀性保持在 ±5°C 以内。精心布置的风扇和可调节风道促进空气循环，有效控制烤箱区域内的温度梯度。此外，所有温度和真空曲线均被精确记录，用于工艺验证和认证。
定制的烤箱控制系统通过嵌入式热电偶监控六个独立的温度区域，提供实时数据，并可自动检测各个固化线的真空故障。里奇韦说：“控制系统有效地管理了复杂的结构固化过程。真空固化系统在六条独立的管线上保持完全真空，并具有自动故障检测功能，以确保压力持续稳定和容错能力。”
Hill Helicopter 的定制复合材料非高压釜 (OOA) 固化设施。市场验证及未来发展方向
HX50的初始生产目标设定为每个工作日生产四架直升机，年产量约为1000架。然而，仅靠一条装配线无法实现这一目标。希尔预计，为了达到这一生产速度，需要扩充工具和劳动力。
这一初期产量反映了希尔直升机公司的成功。该公司最初的目标是销售100架直升机以收回研发成本，而如今订单总量已超过1400架。希尔表示，这为私人直升机市场树立了新的标杆。
HX50项目还证明，经济高效的烘箱加工可以制造航空级结构，使复合材料更容易应用于以前受限于高压釜工艺的领域。“公司此前因其非常规方法而饱受质疑，”希尔指出，“但我们已将工程技术专长与创新思维相结合，在确保安全性和可靠性的同时，促进复合材料在这个对成本高度敏感的市场中的更广泛应用。”
该公司也愿意根据新信息调整策略。“为了实现我们的综合生产效率和经济效益目标，我们不得不放弃一些最初的设想，”里奇韦承认。“但我们也开发了一种可扩展的复合材料制造方法，超越了传统航空航天生产对高压釜的依赖性限制。”
希尔直升机公司重塑通用航空的愿景远不止于此。在兑现了HX50和HC50项目的承诺之后，该公司计划开发一款双引擎旋翼机，然后将GT50发动机用于一系列新型固定翼涡轮螺旋桨飞机。
希尔直升机公司对创新的执着甚至延伸到了传统上外包的零部件领域。该公司自主研发了采用单次注塑成型工艺的多复合材料主旋翼桨叶，并通过精准的动态调校，实现了20,000小时的使用寿命。这种从机身到旋翼系统，对旋翼机设计的方方面面都进行重新思考的意愿，凸显了该公司对通用航空制造业进行根本性革新的理念。
HX50旋翼桨叶制造见解
第一个旋翼叶片将于 2025 年 10 月下旬从模具中取出。直升机主旋翼桨叶承受着严苛且特殊的空气动力学条件，因此需要采用先进的制造技术。秉承HX50直升机设计工程的理念，希尔直升机公司在优化复合材料旋翼桨叶的结构动力学性能及其制造工艺方面投入了大量精力。“我们选择了一条完全自主研发的道路，从基本原理出发进行工程设计，以满足毫不妥协的性能和成本目标，”杰森·希尔说道。
HX50主旋翼叶片的结构设计摒弃了传统的粘接组装方法，采用一体成型压缩工艺，并使用封闭式金属模具系统进行制造。复合材料结构采用OOA预浸碳纤维和玻璃纤维增强聚合物复合材料，并巧妙地结合了双轴和单轴材料。
材料的选择使得在叶片铺层过程中可以独立调整纤维取向，从而实现定向刚度和质量分布。横截面设计采用中空翼梁结构，并辅以泡沫填充的后缘。这既提升了性能，又减轻了重量，在保证必要结构完整性的同时，保持了高惯性旋翼系统所需的最佳质量特性，从而提升了飞机的操控性能。
为批量生产而开发的制造基础设施代表着对精密刀具和热管理系统的巨额资本投资。这项庞大的研发计划最终以2025年10月下旬成功从制造模具中取出第一片生产刀片而告终。希尔解释说，这一成就的意义远不止于直接的零部件开发。
他解释说：“这些先进复合材料主旋翼叶片的突破性成功，对公司而言是一个重要的里程碑，凝聚了多年来在设计和工艺创新方面的心血。这些先进复合材料结构可扩展、可重复制造工艺的成功实施，使公司能够以极具竞争力的价格，为通用航空市场量身打造下一代直升机。此外，这一成就也表明，精密的复合材料航空航天结构可以经济高效地批量生产，满足商业市场的需求。”
