飛艇在所有的空間飛行器及浮空器中具有留空時間長、載重量大、能源消耗低、安全性能好等優點，可用于搭載各種偵察、預警、通信裝置，對軍用和民用有很大實際意義[1-2]。飛艇高空前飛或偏航，需要有一定的助推力以及偏航力矩。為此，在飛艇尾翼及尾翼腹部布置螺旋槳以滿足飛艇前飛及偏航要求。螺旋槳作為飛艇動力系統的主要組成部分之一，其主要功能有兩點：一是由電動機帶動旋轉產生拉力，為飛艇前飛或抗風定點提供推進力；二是為飛艇偏航提供偏航力矩[3-4]。由于復合材料比強度、比模量高和可剪裁設計的特點，已經在飛艇螺旋槳上得到應用，并成為其材料體系的主要發展趨勢。對復合材料飛艇螺旋槳成型工藝國內外鮮有報導，這主要是因為平流層飛艇的研究處于起步階段，目前仍以論證設計為主。本文借鑒了同為復雜曲面外形的復合材料結構件——風機葉片的成型經驗，提供了復合材料飛艇螺旋槳的成型技術路線，并對其成型過程中的關鍵技術和控制點進行了探討。
設計目標
以單副雙槳葉螺旋槳為例，直徑7m，外觀效果圖如圖1所示。性能指標按照平流層工作環境需求設置如下。
工作環境溫度：-80~55℃ ；靜置環境溫度：-80~60℃ ；工作環境濕度： 95％（30℃）；海拔高度： 0~22000m。
（2）功能要求。
類型：定距拉力槳；槳葉數： 2葉；旋轉方向：沿航向順時針。
（3）結構工藝要求。
結構形式初步采用單腹板泡沫整體填充方案：上下殼體及腹板采用預浸料進行鋪層，腹板與殼體之間為空心結構，腹板形式為Z字型。
直徑: 7m；
螺旋槳干重量（包括安裝附件）：（40±2）kg；設計安全系數：不小于3，且在使用壽命內不發生氣動彈性不穩定現象，0~600r/min內不因共振導致螺旋槳槳葉發生破壞性損壞。
成型工藝和關鍵技術
螺旋槳成型總體工藝路線如圖2所示。
螺旋槳槳葉成型選用的主要材料有：
· 上、下殼體材料：碳纖維預浸料；
· 腹板：碳纖維預浸料；
· 腹板膠接及合模膠接：膠粘膜。
復合材料成型主要采用熱壓罐真空輔助工藝，如圖3所示，分為兩次中溫固化成型。
1 上、下殼體制作
槳葉成型不同于規則型復合材料，考慮其曲面結構，采用退層鋪層設計。貼模具鋪設一層脫模布，然后鋪設預浸料，預浸料邊緣沿模具邊緣修剪，最后在槳葉邊緣及腹板膠接位置要覆蓋上一層撕離布。從結構上還可以進行優化設計，使得預浸料纖維主方向為槳葉徑向，提供較強的抗拉強度。
根部預埋件處理，可將預埋件位置處預浸料裁去，將預埋件包裹發泡膠后填入，隨預浸料一起固化成型。
2 內包邊制作
由于槳葉上下殼體邊緣膠接面極窄，如果僅僅采用殼體膠合的方式無法保證膠接強度，有可能使得槳葉在動工況狀態下上下殼體分離脫落。為解決此問題，必須進行內包邊補強。內包邊的作用是為了增大上、下殼體的膠接面積，寬度、厚度、需補強位置應通過結構計算確定。考慮到內包邊在上下殼體成型后也需參與合模過程，因此需精確控制內包邊的支撐位置以及與上殼體對應曲目的厚度差值。使用剛性較好的內包邊模具能解決這一問題。
在下殼體固化成型后，撕去內包邊制作位置處的撕離布，將內包邊模具定位安裝到下殼體模具上，定位時注意留出殼體內縮1mm 的膠接量。之后在內包邊模具和下殼體內鋪貼預設厚度的碳纖維預浸料進行補強。待內包邊固化后再取下內包邊模具。
3 腹板制作及膠接
腹板制作在腹板模具中進行。采用碳纖維預浸料鋪設。纖維方向應主要為±45°方向，承受來自上下殼體的剪切應力。鋪設的邊緣要留出一定量膠接面。
（1）腹板定位膠接技術。
腹板成型后，需將其先行膠接至下殼體上。腹板定位膠接是整個流程中較重要的一環，處理不好不僅會使得整個槳葉抗剪切能力下降，還會影響后續合模膠接步驟。其關鍵控制點包括腹板定位位置的準確性、膠接厚度及固化過程中的穩定性等。為較好地控制腹板膠接，必須采用輔助工裝解決。輔助工裝要求剛性較好并配置有定位螺孔，對應于殼體模具上的腹板設計位置，用于在腹板膠接過程中控制膠層厚度及穩定固化過程。
腹板膠接過程的具體操作步驟如下：撕去下殼體內面對應腹板的膠接位置上的撕離布，鋪貼膠粘膜；將腹板膠接面對準膠接位置放置；安裝腹板定位工裝，保持腹板直立，鎖緊方邊對應定位孔螺絲保證腹板在加壓情況下膠接；常溫或加溫固化，卸去腹板定位工裝，膠接完成。
（2）配重箱設計制作技術。
通常配平衡在槳葉合模成型后進行，但需提前在葉體內制作配重箱，方便最終在其內增加重量。配重箱的位置設置在槳葉前緣腹板與殼體形成的空腔，使泡沫的下端形狀貼合腹板和下殼體，上端修成近似上殼體弧形（圖4）。然后用兩層碳纖維預浸料包覆，將下端隨腹板一起膠接在下殼體上。
下殼體膠接好腹板后，即可將上下殼體進行合模膠接成螺旋槳整體（圖5）。在正式合模之前，為確定膠粘膜用量既能保證填滿膠接厚度又不致缺膠造成空隙，需用橡皮泥進行預合模，測量每處橡皮泥的厚度作為正式合模時的膠粘厚度參考。正式合模時，在膠接位置鋪貼好對應橡皮泥厚度的膠粘膜，翻轉上殼體模具，抽真空加壓升溫固化。固化完成后，開模將槳葉取出放置在托架上。
外包邊的作用是從外側補強上下殼體膠接作用力，需要補強的層數及尺寸需結構上計算，建議仍采用退層鋪設，保持槳葉氣動外形。鋪貼完成后加溫固化。
6 表面處理
使用常規的復合材料表面處理方法即可，螺旋槳葉表面最后涂覆一層聚四氟乙烯 (PTFE)。有優良的耐光氧化性、耐熱氧化性、耐臭氧氧化性和耐水降解性，可大大提高表面光潔度。
7 配平衡
為使一副兩片槳葉在運轉時達到動平衡，在兩片槳葉均成型的最后必須對兩片槳葉進行配重，使得兩片槳葉的重量和重力矩均相等，從而避免使用時受力不均導致耦合共振頻率不同，降低使用壽命。為使得配平衡更具可操作性，可采用配對對比的方法進行。首先對兩片槳葉同時稱重進行比較，得出重量及力矩差值，然后以兩者較大一方為標桿，以樹脂混合鉛粉為補充物，稱取差額，最后在配重箱和另一處力矩差值對應內表面位置操作固定補充混合物即可。
槳葉配平衡后，安裝附件，并按設計連接形式將兩副槳葉連接完成成型全過程，入庫存放等待使用。
結束語
復合材料飛艇螺旋槳成型過程是綜合了結構一體化設計、模具設計制造、熱壓罐工藝、開合模技術等多學科的系統工程。其具體成型過程細節處還需在實際操作中進行修正，更重要的需是在成型完成后進行一系列的檢測及驗證工作，包括翼型檢驗、風洞試驗、靜強度試驗、疲勞試驗、環境試驗等，保證復合材料螺旋槳各項性能指標滿足需求。
魯ICP備2021047099號