一次成型压缩工艺可使主旋翼叶片的大修间隔时间达到 20,000 小时

直升机主旋翼叶片在复合材料领域占据着一个特殊的地位。与在相对洁净的空气中旋转的风力涡轮机叶片或承受稳态载荷的飞机机翼不同，直升机旋翼叶片始终处于恶劣的空气动力学环境中。由于旋翼在空气中运动，气压变化剧烈，每个叶片都会产生湍流尾流。该尾流是由包含涡旋、压力波动和速度梯度的扰动气流场组成的翻腾柱，并且不会在下一个叶片到达之前消散。相反，每个叶片都必须穿过前一个叶片留下的湍流场，承受着在旋翼盘面范围内变化剧烈的非线性载荷。

这种叶片与涡流的相互作用会产生力频率，如果结构设计中没有进行补偿，这些力频率会与叶片的固有结构频率耦合，产生共振，从而加速疲劳累积。复合材料结构具有方向刚度特性，需要复杂的工程设计才能实现这种安全的动态性能。

制造工艺的复杂性进一步加剧了这一设计挑战。复合材料旋翼叶片的传统制造工艺是多步骤组装：首先将单独制造的翼梁粘合到蒙皮上，然后粘合泡沫芯材，最后机械固定防侵蚀罩。每个粘合界面都会引入刚度分布和质量特性方面的潜在差异——而这些参数恰恰决定了动态响应特性。对于结构而言，将固有频率控制在狭窄的安全频带内对于获得可接受的使用寿命至关重要，而制造工艺引起的差异会造成显著的工程裕度，最终限制其性能潜力，无论是使用寿命还是运行性能。

对于英国斯塔福德的希尔直升机公司及其HX50直升机的研发而言，主旋翼采用复合材料至关重要，这直接关系到飞机性能的最终目标：最高速度140节，大修间隔时间20000小时，每天生产12个旋翼，以及该公司所称的同级别领先的平稳飞行体验。然而，复合材料旋翼叶片多步骤组装工艺带来的潜在变异性意味着希尔公司为HX50另辟蹊径——开发了一种单次压缩成型工艺，可在一次固化循环中完成整个叶片结构的制造。

这就好比烤千层蛋糕和做舒芙蕾的区别。传统方法是通过组装来逐步构建复杂结构——混合、烘烤、堆叠、抹面，然后重复这个过程。而一次性成型法更像舒芙蕾：所有材料一次性放入模具，如果配方和时间掌握得当，就能做出事后无法组装的成品。后一种制造技术可以通过铺层顺序和控制层压板在整个结构中的取向，更精确地调整叶片的刚度和质量分布。然而，这种方法最大的优势在于制造的一致性、可重复性和效率。

叶片横截面的CAD设计

“当所有材料同时分层固化时，就能更精确地控制纤维的铺放，并消除可能引入偏差的粘合界面，”希尔直升机公司首席复合材料工程师迪恩·里奇韦解释道。“这使得实现理想动力学所需的精确质量分布变得更加容易。最终，我们能够稳定生产出大修间隔时间长达20000小时的桨叶，每天可以生产12片。”

旋翼叶片设计

在设计阶段，希尔的工程团队开发了复杂的转子尾流特性分析代码、计算流体动力学方法和先进的结构动力学模拟。这些工具协同工作，确定了叶片的空气动力学轮廓、刚度和质量分布，同时评估了叶片与转子尾流环境的相互作用。“转子尾流行为是一个复杂的三维流场，具有局部尖峰和非线性特征，极难预测，”里奇韦说道。“你不能简单地从基本原理进行计算；你需要用实验数据验证过的复杂数值方法。”

在上方激光定位系统的引导下，将第一层 CFRP 层放置在模具中

桨叶的空气动力学外形包括用于低桨尖速度的抛物线形桨尖，以及沿桨展方向延伸的连续层流翼型。这意味着机翼外形是根据旋翼运行期间的额定空速进行优化设计的，从而在整个桨展长度上产生稳定的升力。这些特性使飞机能够达到其140节的目标巡航速度，并利用500马力的发动机产生超过2000公斤的升力。横截面采用空心翼梁和泡沫填充的后缘结构。空心翼梁提供控制响应所需的扭转刚度和弯曲刚度，而泡沫填充的后缘则有助于实现高惯性旋翼系统所需的精确质量分布，从而赋予飞机优异的操控性能。

每片叶片均包含超过100层碳纤维和玻璃纤维增​​强聚合物（CFRP、GFRP），采用双轴编织和单向预浸料形式。材料的选择使得在铺层过程中能够调整纤维取向，从而产生可调控的方向刚度，以实现特定的动态特性，并可在整个转子长度和宽度范围内进行重量调整。跟踪和平衡方法采用楔形配重块以及沿展向和弦向的平衡配重，提供多种调节选项，以实现整个转子系统的最佳动态平衡。

铺层工艺首先将外层蒙皮放入模具中，形成气动表面。激光投影仪的使用确保操作人员能够精确定位每一层蒙皮，并通过完整的制造日志记录每片叶片每一层的生产过程，从而实现完全可追溯性。这种数字化集成对于航空航天认证以及识别生产过程中的任何工艺偏差至关重要。外层蒙皮铺设完成后，将翼梁（主要承载结构）缠绕在芯轴上并定位在模具内。然后添加后缘芯材，并在固化前将上半模具夹紧到位。

主梁预浸料层缠绕在芯轴上

“没有二次粘合工序，没有可能引入厚度差异的粘合层，也没有单独制造的部件之间可能出现的错位，”里奇韦说道。“从模具中出来的叶片就是最终的叶片——几何形状、纤维取向、质量分布，所有参数都已确定。”该模具的设计充分考虑了可扩展性。希尔公司将生产更多模具以满足需求。全面投产后，每天将生产四台HX50发动机所需的12个转子。

制作模具

这种一次性成型工艺的模具由实心铝材加工而成，在工厂内部分段制造，然后组装成上下两部分，安装在刚性搬运框架上。“在加工过程中，这些模具部件要经过严格的工序，在龙门铣床上作为一个整体进行预精加工、精加工和抛光，以确保表面完美无瑕，”里奇韦解释道。“这种方法保证了整个生产过程中尺寸的一致性，这是实现所需的严格几何和平衡公差的关键因素。”

旋翼叶片模具由实心铝材加工而成，在内部分段制造，然后组装成上下两半，安装在刚性搬运框架上

每个模具半模都包含15个由可编程逻辑控制器（PLC）控制的电加热棒，PLC集成热电偶。这些加热棒控制固化过程，包括升温速率、保温时间和冷却速率。固化过程中，循环温度缓慢上升至约120°C。为了减少热膨胀差异引起的残余应力，模具根部集成了一个弹簧式泄压机构。模具采用隔热材料，以最大限度地降低生产周期中的能耗，同时确保模具表面均匀受热。

首批生产叶片及验证方法

该研发项目的最终成果于2025年10月下旬实现，首片生产刀片成功从模具中取出。刀片表面因模具内集成的底漆而呈现灰色，可进行后续的打磨和喷漆工序。初步定性评估表明，刀片的刚度和结构符合预期，但截至本文撰写之时，仍需进行详细的几何扫描和计算机断层扫描检测。

验证方案包括破坏性和非破坏性检测方法，以确定工艺一致性和控制限值。将对首片生产叶片进行全面的切割分析，并进行详细的检查和测量。该检测将验证制造工艺，切割分析中发现的任何异常情况都将为后续生产单元的超声波检测或计算机断层扫描提供重点关注区域。这种迭代方法确保质量控制方法能够精准检测相关缺陷，同时最大限度地减少可能不必要地减慢生产速度的误报。

机械鉴定测试包括多种评估，例如静态测试、动态测试、疲劳测试和冲击测试。这些评估首先将叶片端部夹具牢固固定，以评估叶片不同截面的机械性能。测试模拟飞行过程中遇到的复杂载荷条件，尤其关注与湍流旋翼尾流场相互作用产生的高动态和非线性载荷。

第一片HX50主旋翼叶片从模具中取出

“这些先进复合材料主旋翼叶片的研发对公司而言是一项重大成就，体现了公司多年来在设计和制造工艺方面的创新，”希尔直升机公司首席执行官杰森·希尔表示。“通过成功建立可扩展且可重复的尖端复合材料部件制造工艺，我们现在已做好准备，生产专为通用航空市场设计的下一代直升机，同时保持价格竞争力。”

HX50旋翼叶片项目是一个案例研究，它展示了制造工艺的创新如何能够生产出传统方法难以实现的复杂、可扩展的复合材料部件。该项目通过定制使用玻璃纤维增​​强复合材料（GFRP）和碳纤维增强复合材料（CFRP），以及空心和芯材结构，并采用一次性固化工艺，实现了对旋翼叶片刚度和质量分布的精确控制，确保叶片的固有频率位于旋翼尾流激励频谱之外，从而提升了性能和耐久性。因此，这项创新技术对于实现20,000小时的大修间隔时间（TBO）目标至关重要，这得益于在设计和制造过程中战略性地应用了工程智能。