某型飞机复合桨叶维修技术研究与应用

樊占鹏，李 梦，陈世章，孙 一，常 川，杨 梅

（中国民用航空飞行学院，四川 广汉 618307）

前言

目前，随着航空航天技术的不断发展进步，因复合材料与金属材料存在物理与力学性能差异，以两者组成的叠层构件具备轻质、高强等性能优势，而成为该领域的重要应用材料，尤其桨叶作为飞机的核心构件，其材料构成及加工工艺直接影响飞机的机动性，为此，研究该内容具有重要的现实意义。而玻璃纤维复合材料以连续玻璃纤维及其织物和短切保利纤维增强高聚物为增强体，通过复合工艺制备而成，其融合了玻璃纤维增强材料耐高温、抗腐、绝缘、机械性等优势，并通过与不同材料组分的复合效应，达到性能互补及协同，是目前航空飞行器领域中最常用的材料[1]。目前复合材料在航空螺旋桨上面应用广泛，采用了复合材料桨叶的螺旋桨在提高推重比及降低风噪等方面优势明显。由于通用航空器通常面临着作业环境恶劣等问题，使得桨叶损伤不可避免，这就涉及到损伤桨叶的维修问题了。目前全球的通用航空器绝大部分安装的是金属桨叶的螺旋桨，现有的桨叶维修方法也都是针对金属桨叶的，这就使得损伤复合材料桨叶在面临着修复方法无从参考的难点。项目组所在单位运营着国内最大的通航机队，其中某中教机安装有两副复合材料桨叶的螺旋桨。为解决损伤复合材料螺旋桨造成的机队停场难题，项目组进行课题攻关，通过深入分析桨叶结构，结合实际维修经验，研究出了一套复合材料桨叶维修技术。

1 结构分析

复合材料桨叶的内部结构对螺旋桨桨叶的关键指标影响较大，如桨叶的强度、刚度、疲劳性能、可靠性、重量等。螺旋桨复合材料桨叶结构优化的难题有复材桨叶内部结构布局和组成、桨根的可靠性设计方案、桨叶复材铺层、桨叶重量控制[2]。我院某型中级教练机安装有两副螺旋桨，其螺旋桨的桨叶为复合材质，该复合材质桨叶由一个金属的桨叶根部（即桨柄）及复合桨叶叶身组成。该桨叶叶身中心区域填充有低密度泡沫，以减轻重量。桨叶内腔的填充物主要对蒙皮起到支撑作用，同时也提供很小一部分的扭转刚度[3]。其叶身外部由多层压制而成的复合材料外壳覆盖，以保证气动外形，同时也提供了一个气动载荷传递路径，该路径直接传递到桨柄上，最终作用在桨毂上，来实现对桨叶的固定。另外为了使桨叶重心在规定范围内，同时也为了提高强度，桨叶前缘和后缘分别填充有硬质材料，见图1 和图2。

另外该复合桨叶在桨柄的中心安装有一个平衡管，该平衡管一直深入到低密度泡沫的中心区域。这样的设计便于在后续的维修工作中，通过在平衡管中增减配重来实现一副螺旋桨组件中的所有桨叶的重量保持一致。最后该桨叶的表面涂有聚氨酯面漆，可以保护复合材质的表面不受侵蚀和紫外线伤害。

2 复合桨叶典型的损伤及修复方法

在螺旋桨飞机结构的特点以及作业环境的因素的影响下，使得螺旋桨桨叶时常遭受到外来物的撞击。撞击的外来物有多种，小到跑道砂石，大到工具设备，不同的外来物撞击所产生的桨叶损伤也不同。另外复合材质桨叶在使用过程中，往往会产生不同部位的脱胶和分层，也会影响结构强度。作为飞机上重要的动力装置及气动构件，保障螺旋桨桨叶足够的结构强度和良好的气动外形是十分重要的。项目组基于以上两点原则，结合该型复合材质桨叶的结构特点、过往的维修经验和桨叶生产厂家的检查标准，形成了一套针对复合材质桨叶典型损伤的维修方法。

2.1 叶身与桨柄结合处开裂

在桨叶叶身部分与桨柄的结合处，由于两种部件分属不同的材质，再加上桨叶根部受力较大，因此时常会遇到叶身与桨柄结合层开裂的情况。这种开裂往往是从表面开始的，因此只要对表面开裂的区域及时进行修复，就可以避免开裂进一步向内部扩张。根据桨叶生产厂家的检查标准，在开裂深度不超过5 mm 的情况下，可以进行修复，具体修复方法如下。

a. 使用气动打磨工具和60 号的砂带，打磨掉因裂纹损坏的材料，并在裂纹周围25 mm 的未开裂区域内进行光滑过渡处理，见图3。

b.用丙酮溶剂清洁打磨区域，并使其晾干。

c. 使用环氧树脂对打磨区域粘贴两层玻璃纤维，要确保该两层玻璃纤维的走向相互交叉，并进行烘干。

d.待桨叶完全干燥后，对粘接区域进行打磨。打磨时尽量少去掉桨叶原始材料。

e.用200 号至400 号砂纸逐级磨砂，直至打磨恢复至桨叶原始外形。

f.目测检查修复区域。修复区域必须光滑，无褶皱、空洞或环氧树脂溢出的情况。

g.最后可以参考“硬币敲击法”对修复区域进行检查。不允许有脱胶或分层。

2.2 叶身表面的分层

由于该复合桨叶的叶身表面由多层的复材粘接压制而成的，在粘接剂老化失效、紫外线作用或者生产过程中的缺陷等因素影响下，都会造成叶身表面的复合材料的分层。据桨叶生产厂家的检查标准，在低密度泡沫没有明显损伤，且在分层区域直径不超过50 mm 的情况下，可以进行修复，项目组研究出以下修复方法。

a.使用气动打磨工具和60 号的砂带，打磨掉因裂纹损坏的材料，在打磨材料时，每打磨0.25 mm 深的损伤材料，就要向下形成一个台阶，见图4。在打磨的同时也要确保砂布上的磨料不要进入低密度泡沫中。

b.然后用压缩空气清洁打磨区域，以确定损伤完全去除。

c.当损伤已经完全去掉后，或者直至低密度泡沫已经露出来时，就要停止打磨，见图4。如果泡沫已经露出来了，则观察泡沫是否有损伤，例如，裂缝、压碎或凹痕等。如果泡沫损伤了，以下方法就不适用了，只能将桨叶送到原厂家进行修理。如果泡沫状况正常，且暴露泡沫区域的直径不超过40 mm，就可以进行下一步工作。

d.使用丙酮清洁打磨区域，并使其自然干燥。

e.使用玻璃纤维以90 度交替排列粘贴打磨区域，并将玻璃纤维一层一层地切剪切成与之前的打磨旋转区域相匹配的形状，按照阶梯状来粘贴见图4。在粘贴过程中要确保每一层的玻璃纤维的粘接剂的涂抹量要完全饱和，然后再涂下一层。如有必要，可附加涂抹粘合剂，以防止以后出现脱胶或内部空洞现象。

f.最后再额外剪切两大片玻璃纤维，同样以90°交替的角度，粘贴修补区域的最上方。这样在最终打磨修整之后，会形成一个光滑的修复区域。

g.使用丙酮清洁修复区域，并进行烘干。

h.待修复区域完全干燥后，再次通过硬币敲击法进行检查，以确保无分层。

i.最后对整个修复区域进行抛光，使修复区域与周围区域光滑过渡。

2.3 桨叶前缘防护套脱胶。

桨叶前缘由于处于迎风面，而且其靠近叶尖距离地面较近，时常会产生由外来物撞击而形成的损伤，因此桨叶前缘护套就可以对前缘起到很好的保护作用。由于桨叶前缘是粘接到桨叶前缘上的，因此也会存在与叶身表面复合材料相同的脱胶情况。根据桨叶生产厂家的检查标准，护套脱胶区域直径不超过40 mm 的情况下，可以进行修复，该缺陷的检查及修复方法如下。

a.使用硬币敲击法进行检查，确定出脱胶的范围，并用笔划出轮廓。

b.使用小铲子轻轻地撬起防护套，并用丙酮清洁该区域。

c.待该区域完全干燥后，再次使用小铲子轻轻地撬起防护套，并将粘接剂塞入防护套的缝隙，并晾干固化。

d.如果脱胶缝隙较大或防护套物理变形较大而翘起时，可使用玻璃纤维来填补脱胶处。将玻璃纤维进行剪切，使其与接缝大小一致。然后使用粘接剂涂抹该玻璃纤维直至饱和。再将其塞入缝隙中。由于防护套变形较大，在固化阶段就需要使用工具夹进行固定，同时配以真空袋的使用，以确保缝隙填充彻底。

e.待修复区域完全固化后，再次使用硬币敲击法检查，以确保无脱胶区域。

f.最后使用60 号的砂纸，将修复区域打磨光滑。

2.4 桨叶前缘防护套穿孔

桨叶前缘护套时常会产生由外来物撞击而形成的损伤，有些轻微损伤，可能会造成护套腐蚀穿孔，或者在遇到质地较硬或者外形尖锐的外来物撞击时，也可能造成护套击穿的情况，见图5。如果不及时处理该击穿区域，雨水和灰尘就会进入该区域，导致击穿区域进一步加深和扩大，影响结构强度。根据桨叶生产厂家的检查标准，穿孔区域直径不超过5 mm，且深度不超过8 mm 的情况下，可以进行修复，该缺陷的修复方法如下。

a.使用压缩空气对击穿孔内的杂质进行清除。

b.使用环氧树脂对击穿区域进行填充，并使其晾干。

c.对复合材料桨叶的待胶接表面，可用细砂纸轻轻打磨桨叶前缘位置，使其粗糙度均匀[4]。使用60 号砂纸，对填充区域进行砂磨，同时砂磨掉该区域金属护套表面的油漆，尽量避免对金属基体的砂磨。

d.使用丙酮清洁该区域，并晾干。

e. 使用粘接剂将玻璃纤维粘贴到打磨区域上，并确保粘接剂涂抹至饱和状态。

f.待粘接剂完全固化后，使用80 号砂纸进行打磨光滑，直至与周边区域外形一致。

3 总结

在航空航天领域，现已广泛使用复合材料螺旋桨作为推进系统。与传统的金属螺旋桨相比，复合材料螺旋桨结构需要考虑铺层数量与铺层顺序，其设计变量数目巨大、结构复杂程度更高，相应的其可设计性也更强[5]。目前我国的通用航空市场处于快速增长阶段，每年新增的运营的机型中，有相当数量的飞机是安装有复合材料螺旋桨。

随着复合材料螺旋桨的使用时间增加，就不可避免的面临着损伤桨叶的维修问题。项目组以我院的某中级教练机上安装的复合材料螺旋桨为例，以该复合桨叶生产厂家的检查标准为基础，结合长期复合材料的维修经验，总结形成了一套针对复合材料桨叶典型损伤的维修方法。项目组目前已经将该方法成功应用在了我院的机队上，完成了数片损伤复合材料桨叶的维修工作，使用情况良好。

下一步，项目组计划对超出桨叶生产厂家检查标准的损伤桨叶的损伤进行评估，对修复技术进行研究，拟制定一套深度损伤复合材料桨叶维修方案，并进行相关试验，最终形成一套深度损伤复合材料桨叶维修体系。