旋翼属于旋翼机中的重要组成部分，其主要应用特点为，借助流动气流提供升力，这与直升机的旋翼应用特点存在直接的差异。一般而言，旋翼的质量会对旋翼机的提升动力造成直接的影响，尤其是对旋翼的强度提出了一定的要求，在旋翼机飞行的过程中，一旦出现旋翼故障或者产生断裂等问题，必定会威胁旋翼机的飞行安全。因此，在进行旋翼设计时，需要考虑到旋翼结构的强度和耐久性等问题。

一、旋翼机中复合材料旋翼桨叶的设计

旋翼桨叶设计的过程中，应首先了解旋翼桨叶的受力状况以及产生升力时的转速要求，考虑到其高速旋转的过程中会产生一定的离心力，可能会对桨叶产生应力影响，同时交变气动荷载也会危及桨叶的运行质量。总之，在旋翼运动时的受力状况较为复杂，应综合考虑各方面的应力影响后，对其剖面结构做出设计。

1、桨叶大梁材料选择

复合材料的根据性能和材质的不同可被分为多个种类，在实践应用中各具优势。其中的纤维树脂复合材料因具备强度高的优势，在飞机制造中较为常用。而在桨叶选材中则是以玻璃纤维和碳纤维居多，对于桨叶大梁材料进行选择时，需要考虑到材料的强度、疲劳度和刚度等因素，虽然碳纤维的上述特质较为突出，但其脆性明显超出玻璃纤维，因此可将玻璃纤维作为大梁制造的主要材料。

2、剖面结构设计

在设计旋翼剖面结构时，可对比直升机的旋翼类型，其中以大梁构造为基础所划分出的旋翼类型包括C形梁、D形梁和多管梁等。以剖面分隔区间为基础所划分出的旋翼类型有单闭腔、双闭腔和多闭腔等。在对比各类旋翼结构的性能之后，结合旋翼机旋翼的运行特点，可优先选取C形梁结构，此种剖面结构形式既可降低制造成本，也可发挥出旋翼桨叶的性能。

3、桨尖、桨根段的结构设计

传统的直升机复合材料桨尖结构，除蒙皮、大梁外，要求预制的零件多，相对复杂。而旋翼机旋翼就简单得多，在旋翼桨尖结构设计时，主要采用整流罩封闭桨叶尖端就可以了。相应的桨尖配重也可以在整流罩中填加金属块来实现。至于桨尖形状，考虑到制造成本，仍采用传统的矩形桨尖即可。当然，随着旋翼机的发展和功能的强大，以后的旋翼机桨尖形状也将如直升机一般，开始尝试由单纯的矩形桨尖到尖削桨尖、尖削后掠桨尖、抛物形桨尖等变化。同理，考虑到旋翼机多采用的旋翼跷跷板式结构，以及为了避免旋翼根部处应力载荷过大，造成旋翼根部疲劳断裂，和保证传力、受力状态良好，旋翼桨叶与旋翼毂的连接多为加强板螺栓连接形式。

4、蒙皮设计

旋翼桨叶蒙皮提供桨叶的主要升力面和扭转刚度，承受部分离心力和弯矩，是桨叶的外部维形件也是重要的次承力件。蒙皮的铺设--般选用织物，通常采用玻璃纤维增强复合材料或玻璃纤维与碳纤维增强复合材料混合铺层。蒙皮内表面与大梁相贴，外表面有时需要增加一层薄的预浸平纹玻璃布，保护碳布蒙皮因损伤带来的表面应力集中问题，可获得较高的表面粗糙度。主要以土45°对称铺层为主，辅助以少量的0°/90°铺层。

5、内腔填芯的基本要求

内腔填芯的主要目的是，支持外部结构，使其保持最初的流线形态，不会受到外力的作用发生形变。因此，对于填芯的选择，需要将材料的抗压强度和抗冲击性能作为主要的筛选指标。同时要求其具备密度小的特性。当前，较为常用的填芯材料有聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)泡沫填芯、耐高温芳香族聚酰胺(Nomex)蜂窝填芯以及铝蜂窝填芯。在综合考虑后，为了避免出现空中雷击的现象，尽量不采用铝蜂窝填芯。剩余两类填芯材料的对比，泡沫填芯的应用性能更好，且在与C形大梁配合中的工艺相对娴熟，工艺质量可得到有效保障。

6、桨叶后缘厚度的控制

桨叶后缘部位的厚度与蒙皮延伸层的叠加厚度直接相关，后缘的厚度以及形态设计需要考虑到旋翼机飞机过程中的气动性要求，因此进行蒙皮铺设阶段就需要做到对后缘厚度的合理控制，为达成修型的效果，可以在后续使用刚度较大的玻璃纤维和碳纤维进行单向铺设。

二、复合材料旋翼制造

进行复合材料的旋翼制造时，需要综合考虑到旋翼机的飞行性能要求以及旋翼机飞行过程中，旋翼结构所受到的应力影响，尤其需要做到设计与制造的良好配合，促进二者的协调发展。这便要求设计人员在进行结构设计和选材时，能够综合考虑到制造层面的相关因素，尽量保障设计方案的可行性和适用性。良好的设计既可降低成本投入，又可发挥其性能作用，保障旋翼的质量和功能。

目前旋翼机复合材料旋翼的制造方法可分为两种，一种是参考直升机旋翼桨叶制造过程，采用闭合模具热压固化成型的方式。此种方法也分为高温固化胶接成型工艺技术和中温共固化模压成型工艺技术。通过在模具中一起成型旋翼，又或者是使用模具成型旋翼的多个部件，在进行二次胶接，来实现对旋翼的制造。D形大梁或多管梁多采用第一种成型方式，C形大梁则多用第二种成型方式。但随着复合材料成型工艺技术的发展，特别是复合材料一次成型工艺的成熟，后者因为制造的旋翼零件数少、结构整体性好，有利于提高桨叶疲劳寿命，逐渐成为主要制造方式。另一种则是对于私人自制的旋翼，由于私人制作的旋翼机对旋翼要求不多、结构简单，多使用传统加工工艺制造。直接铸造锻造或者模压成型都是比较常见的方法。

结语：旋翼机制造行业的发展同时也会对旋翼的功能性提出更高的要求，复合材料的应用有效节约了旋翼制造的成本，同时也在一定程度上提升了旋翼桨叶的性能，与原本的旋翼桨叶结构相比，更具耐久性和受力能力。但旋翼机制造处于持续发展的状态下，为了满足行业发展的需求，需要不断探索提升旋翼制造质量和性能的技术手段。可从以下几个方面做出研究：

（1）增强旋翼机的速度，为达成此种目的，可通过改变桨尖形状的方式，来提升旋翼的转速，为其提供更大的升力，从而促使旋翼机飞行速度的提升；

（2）当前已经提出了利用新型填充物实现一次成型和配种可调的研究课题，相信在不久的将来，旋翼桨叶的制造可以实现一次成型；

（3）为了实现旋翼机飞行时能及时反映旋翼的健康状况，在不影响旋翼整体重量要求的情况下，如何植入芯片，实现对旋翼的实时监测技术也将是未来革新的方向。

参考文献：

[1]吴江,刘远强,高峰.一种倾转旋翼无人机螺旋桨的设计及性能分析[J].沈阳航空航天大学学报,2018(3):27-31.

[2]徐宁,马东立.复合自转旋翼机总体设计关键参数选择方法[C]//探索创新交流（第7集）——第七届中国航空学会青年科技论坛.2016.