Ngay từ những năm 1950,vật liệu composite gia cường bằng sợi thủy tinhChúng được sử dụng trong các bộ phận không chịu tải của khung máy bay trực thăng, chẳng hạn như tấm chắn và cửa kiểm tra, mặc dù ứng dụng của chúng khá hạn chế.
Bước đột phá trong vật liệu composite dành cho máy bay trực thăng diễn ra vào những năm 1960 với sự phát triển thành công của cánh quạt composite gia cường bằng sợi thủy tinh. Điều này đã chứng minh những ưu điểm vượt trội của vật liệu composite – độ bền mỏi cao, khả năng truyền tải tải trọng đa đường, đặc tính lan truyền vết nứt chậm và sự đơn giản của quá trình ép khuôn – những ưu điểm này đã được hiện thực hóa hoàn toàn trong các ứng dụng cánh quạt. Những nhược điểm vốn có của vật liệu composite gia cường bằng sợi – độ bền cắt giữa các lớp thấp và độ nhạy cảm với các yếu tố môi trường – đã không ảnh hưởng xấu đến thiết kế hoặc ứng dụng của cánh quạt.
Trong khi cánh quạt kim loại thường có tuổi thọ không quá 2000 giờ, cánh quạt composite có thể đạt tuổi thọ vượt quá 6000 giờ, thậm chí vô thời hạn, và cho phép bảo trì dựa trên tình trạng. Điều này không chỉ nâng cao an toàn cho máy bay trực thăng mà còn giảm đáng kể chi phí vòng đời của cánh quạt, mang lại lợi ích kinh tế đáng kể. Quy trình ép khuôn và đóng rắn đơn giản, dễ vận hành đối với vật liệu composite, kết hợp với khả năng điều chỉnh độ bền, độ cứng (bao gồm cả đặc tính giảm chấn), cho phép cải thiện và tối ưu hóa cấu hình khí động học hiệu quả hơn trong thiết kế cánh quạt, cũng như tối ưu hóa động lực học cấu trúc của rôto. Từ những năm 1970, nghiên cứu về các hình dạng khí động học mới đã tạo ra một loạt các cấu hình cánh quạt máy bay trực thăng hiệu suất cao. Những hình dạng khí động học mới này có sự chuyển đổi từ thiết kế đối xứng sang thiết kế cong hoàn toàn, bất đối xứng, đạt được hệ số lực nâng tối đa và số Mach tới hạn tăng đáng kể, hệ số lực cản giảm và thay đổi tối thiểu hệ số mômen. Cải tiến hình dạng đầu cánh quạt—từ hình chữ nhật sang đầu vát, thuôn; đầu vát cong xuống hình parabol; Các đầu mút BERP mỏng, cong tiên tiến đã cải thiện đáng kể sự phân bố tải trọng khí động học, hiện tượng nhiễu xoáy, độ rung và đặc tính tiếng ồn, từ đó tăng hiệu suất của rôto.
Hơn nữa, các nhà thiết kế đã thực hiện tối ưu hóa tích hợp đa ngành về khí động học cánh quạt và động lực học kết cấu, kết hợp tối ưu hóa vật liệu composite với tối ưu hóa thiết kế cánh quạt để đạt được hiệu suất cánh quạt được nâng cao và giảm rung động/tiếng ồn. Do đó, vào cuối những năm 1970, hầu hết các máy bay trực thăng mới được phát triển đều sử dụng cánh quạt composite, trong khi việc nâng cấp các mẫu cũ hơn có cánh quạt kim loại lên cánh quạt composite đã mang lại kết quả hiệu quả đáng kể.
Những yếu tố chính cần xem xét khi áp dụng vật liệu composite trong cấu trúc khung máy bay trực thăng bao gồm: bề mặt cong phức tạp của vỏ ngoài trực thăng, kết hợp với tải trọng kết cấu tương đối thấp, khiến chúng phù hợp với việc chế tạo composite để tăng cường khả năng chịu đựng hư hại kết cấu và đảm bảo hoạt động an toàn, đáng tin cậy; nhu cầu giảm trọng lượng trong cấu trúc khung máy bay đối với cả trực thăng vận tải và trực thăng tấn công; và các yêu cầu về cấu trúc hấp thụ va chạm và thiết kế tàng hình. Để đáp ứng những nhu cầu này, Viện Nghiên cứu Công nghệ Ứng dụng Hàng không Lục quân Hoa Kỳ đã thành lập Chương trình Khung Máy bay Composite Tiên tiến (ACAP) vào năm 1979. Từ những năm 1980, khi các trực thăng như Sikorsky S-75, Bell D292, Boeing 360 và MBB BK-117 của châu Âu với khung máy bay hoàn toàn bằng composite bắt đầu các chuyến bay thử nghiệm, cho đến khi Bell Helicopter tích hợp thành công cánh và thân máy bay composite của V-280 vào năm 2016, sự phát triển của trực thăng có khung máy bay hoàn toàn bằng composite đã đạt được những bước tiến đáng kể. So với máy bay tham chiếu làm từ hợp kim nhôm, khung máy bay composite mang lại những lợi ích đáng kể về trọng lượng, chi phí sản xuất, độ tin cậy và khả năng bảo trì, đáp ứng các mục tiêu của chương trình ACAP như đã nêu trong Bảng 1-3. Do đó, các chuyên gia khẳng định rằng việc thay thế khung máy bay nhôm bằng cấu trúc composite có ý nghĩa tương đương với sự chuyển đổi từ khung máy bay bằng gỗ và vải sang cấu trúc kim loại vào những năm 1940.
Tất nhiên, mức độ sử dụng vật liệu composite trong cấu trúc khung máy bay gắn liền chặt chẽ với các thông số kỹ thuật thiết kế trực thăng (các chỉ số hiệu suất). Hiện nay, vật liệu composite chiếm từ 30% đến 50% trọng lượng cấu trúc khung máy bay của các trực thăng tấn công hạng trung và hạng nặng, trong khi trực thăng vận tải quân sự/dân sự sử dụng tỷ lệ cao hơn, đạt từ 70% đến 80%. Vật liệu composite chủ yếu được sử dụng trong các bộ phận thân máy bay như đuôi, cánh ổn định đứng và cánh ổn định ngang. Điều này phục vụ hai mục đích: giảm trọng lượng và dễ dàng tạo hình các bề mặt phức tạp như cánh ổn định đứng có ống dẫn. Các cấu trúc hấp thụ va chạm cũng sử dụng vật liệu composite để tiết kiệm trọng lượng. Tuy nhiên, đối với các trực thăng hạng nhẹ và nhỏ với cấu trúc đơn giản hơn, tải trọng thấp hơn và thành mỏng, việc sử dụng vật liệu composite có thể không nhất thiết mang lại hiệu quả về mặt chi phí.
Thời gian đăng bài: 13/02/2026
