复合材料结构在通用飞机上的应用

复合材料结构在通用飞机上的应用 2009-04-28 作者：admin 来源： 随着先进碳纤维复合材料及其加工技术的快速进步，在通用飞机制造领域，新型飞机设计开始越来越多地采用先进复合材料，在纤维增强塑料（CFRP）成为通用材料的同时，全铝材承力结构正渐渐失宠。 在高油价时代，复合材料结构轻巧、维修费用低廉的优势极大地冲击了铝材承力结构一统天下的局面。统计表明，2007年通用飞机上复合材料的用量，在总材料用量中所占比例已经高达57%。预计未来10年这一数字将上升到69%。这是一个重要的发展趋势。本文介绍了国际上几家知名通用飞机公司在其推出的新产品上复合材料结构的应用情况。 赛斯纳350及400飞机原本以制造全铝合金飞机著称的赛斯纳飞机公司，2007年末收购了破产的哥伦布飞机公司的资产后，如今也以全复合材料飞机制造商的身份出现在通用航空制造业界。目前，赛斯纳公司推出的带固定减速器的活塞式飞机赛斯纳350以及采用了齿轮传动增压器的活塞式飞机赛斯纳400，已经拥有了一批热心的驾驶员群体。其中，赛斯纳400经认证已成为速度最快的生产型活塞式飞机，具有良好的机动性、耐久性和更高的生存力并能满足比常用通用飞机更严格的适航条例。赛斯纳350及400飞机的结构件采用无纬织物预浸带经手工铺叠而成。预浸带由先进复合材料集团（ACG）提供。它们的关键结构部件，如翼梁、机身梁、水平安定面、操纵面以及其他承受高载荷的结构件均用碳/环氧复合材料制成。其他大部分结构则采用E玻璃/环氧材料，包括机身及机翼蒙皮。两种飞机每一架飞机的机体重量中碳/环氧材料的比例大约占15%，而且材料的全部许用值均属公司专利，即由公司自行进行验证试验而不是依赖预先鉴定的材料。机身的夹层结构分左右两半，并纵向黏结而成。蒙皮为玻璃/环氧材料，芯子采用独特的、重1.35千克的树脂浸渍的芳纶纸纤维。这种由先进蜂窝技术公司制成的芯子采用独特的网格设计，比传统的酚醛纸蜂窝芯子密度高，因而有更高的湿热压缩强度，它也是保证获得“通用”认证的关键元素之一。机翼具有两根C型梁彼此面对面并穿过机翼全长，采用机械紧固件与加强的复合材料机身座相连。每一根梁有上下两个由碳/环氧无纬预浸条带制成的缘条，腹板用玻璃/环氧预浸带与蜂窝芯子组成。上缘条在飞行时受压，在根部由大约135层无纬碳预浸带组成，而在翼尖处过渡到只有两层。梁的下缘条在翼根处为72层到翼尖只有2层。机翼受载复杂，在翼尖处弯矩很小，而后逐渐加大，到翼根处达到很大值。为了能承受更高压缩载荷，带有芯子的玻璃/环氧上蒙皮，在翼根处采用5/芯/2结构，即芯子上面为5层铺层，下面为2层铺层，到翼尖处则过渡到2/芯/2结构。下蒙皮翼尖处为3/芯/2结构。在蒙皮中还嵌入铝及铜丝以防雷击。 SR系列飞机在当今美国通用飞机制造商中，卷云（Cirrus）设计公司堪称头号复合材料飞机制造商。它在2007年交付了710架复合材料结构飞机，占活塞式飞机交付量的26%。该公司的SR20飞机是一种轻型全复合材料4座飞机，于1998年取证。目前，公司推出了两款新机型，包括：SR22（为SR20的涡轮增压器型）、SRS轻型体育型以及“个人”喷气型（正在取证中）。 SR22 G3（G3表示第三代）是公司性能最好的活塞式飞机。该机的大部分机构采用了E玻璃/环氧，还部分采用S-2玻璃/环氧预浸带。为提高结构刚度及强度，采用了碳/环氧预浸带。玻璃预浸带由TenCate先进复合材料公司提供，并经威奇塔州立大学的国家航空研究所（NIAR）的先进材料性能中心（NCAMP）预先鉴定。卷云设计公司为TenCateBT250预浸带进行了质量鉴定及设计许用值试验。 G3采用的整体、单体（无芯子）、热压罐固化的碳/环氧C型翼梁，比其前身的设计减重13.6千克，从而提高了飞机载重量和加大了飞机航程。该机梁长10.7米长，厚大约12.5毫米，由位于犹他州的应用复合材料技术（ACT）航空航天公司生产。梁中采用了由NCAMP鉴定的碳/环氧预浸带材料。该预浸带由东丽复合材料（美国）公司供应，纤维为T700。机身结构的大面积区采用了夹层结构，由卷云设计公司手工铺成。机身沿纵向分为左右两半部，右半部包括垂尾。典型的结构为2/芯/2，E玻璃/环氧蒙皮覆盖在 DHT(航空级)闭孔泡沫芯子上。芯子由DIAB公司提供。芯子厚度一般为10毫米，蒙皮的铺层数在关键部位增加以便提高抗屈曲刚性及穿孔周围的结构强度。在机身顶部引入无纬的S-2玻璃预浸带铺层以形成护头架结构。同一材料及方法用于翼尖及平尾蒙皮，其中在选择部位引入含有铝网的表面平整薄膜，用以防雷。模具为钢与玻璃/环氧及碳/环氧复合材料，以及模具预浸带的混合物。烘箱固化后，大件用PTM&W工业公司的ES6292胶连接。大件有机身/垂尾、机翼蒙皮（上有梁及肋）以及平尾蒙皮。平尾胶结在机身上，机翼螺接在机身（不锈钢及钛紧固件）上。控制面为铝，无电偶腐蚀，因碳纤维不与铝接触。内饰壁板为天然纤维复合材料。生产一架SR22 G3飞机大约需要1700工时。 史诗（Epic）飞机公司的产品 Epic飞机公司新近推出了试验型的飞机，其中有新的单发超轻喷气机（VLJ）“胜利号”以及单发涡桨飞机“逃脱号”（Escape）和Epic LT涡桨简易组装飞机。目前公司正在努力取证。这些飞机都属于通用航空飞机中速度较快的，其中“逃脱号”的最大巡航速度365节。上述飞机的结构件都采用碳/环氧预浸料手工铺层而成，生产模具则用碳/环氧复合材料以及外包的CNC母模制造。这些经预先鉴定的预浸料由美国东丽复合材料集团提供。为了防护电偶腐蚀也应用了少量玻璃预浸带。考虑到飞机在5400米高度上飞行机身要承受增压到0.45巴的压力。飞机的机身被设计成一个整体结构件，前端有防火墙，后部有压力隔框，是用专利的非自动化工艺制成的，由两个壳体连接而成，并一次固化成单一的无缝构件。机身由复合材料头锥与后机身锥体组成一体，固化后再切割出椭圆窗户。最初时的机身设计在前面两窗之间采用了一个铝合金中央构件，后来用碳纤维铺层材料代替。尽管后者原材料成本较高，但因为取消了计算机数控（CNC）切削加工件、紧固件以及组装成本，最终仍节省了2500美元。 “逃脱号”飞机的整体“湿”机翼（机翼内可装燃油）由上下蒙皮、两根承力梁、上下各8根肋组成。梁的缘条由无纬碳预浸织物组成并支承上下机翼蒙皮从而阻止蒙皮屈曲。由于复合材料刚度高，只需非常少的翼肋。机翼蒙皮一般为3/芯/2结构，在翼根处的蒙皮较厚，在翼尖处为2/芯/2结构。机翼蒙皮用闭孔的Divinycell泡沫芯材（由DiAB销售公司提供）而不用蜂窝芯子。机身通过4套铝托架与整体机翼相连接，垂尾及平尾也用复合材料以及芳纶/酚醛蜂窝夹层结构。在外蒙皮层合板中嵌入铜网以防雷击。飞机的地板、侧壁板以及仪表板也采用复合材料，一些非结构件用真空辅助树脂转移成形（VARTM）。复合材料飞机比金属飞机强度高且安全，因为采用了按设想中的最坏情况进行的认证试验。 钻石飞机公司的飞机钻石飞机公司的活塞式飞机，包括2座的DA20 Eclipse、4座的DA40“钻石星”以及双发的DA42“双星”飞机，主要采用玻璃纤维蒙皮夹层结构。该公司最新推出的单发D-JET超轻喷气飞机则大多采用碳纤维复合材料结构。该机的机身由沿纵向左右两半部分组成。该公司的特点是用湿法制造飞机，一家定制公司将玻璃或碳布增强体放在精确定量的环氧树脂槽内浸渍。经浸渍的织物置放在可脱模的层板上，然后送入模内进行铺层。公司虽然未透露层合板结构细节，但据了解为几个层合板组成的夹层结构。在受力高的区域铺上无纬的碳纤维预浸带条（如门窗的周边）以增加刚度及强度，芯子为闭孔泡沫，厚度大约12.5毫米，有助于降噪及隔声。当铺层完成后，工件进行真空袋加压然后在38烘箱中固化。工件脱模及切边后进行黏结，然后分组件送回烘箱在达到80后固化18小时。 豪克4000及“首相”IA飞机比奇飞机公司目前生产的豪克4000及“首相”IA喷气机，在材料的选用上主要基于经济学、强度重量比、可制造性以及可维修性的考虑，其效益是增加舱内容积、降低总重以及减少零件数，从而降低工时。在结构加工方法上则采用了先进的自动化纤维铺放。 “首相”IA机身由两个筒形壳体组成，它们在后压力框处拼接，而豪克4000由3个筒体在机翼连接处拼接而成。筒体用MAG辛辛那提公司的Viper自动化纤维铺放系统在铝合金芯轴上制成。所用的无纬预浸料为12k中模碳丝束（G40-800及IM7），由东邦Tenax美国公司和Hexcel提供。预浸环氧树脂用977-2或E7K8，由Cytec工程材料公司提供。每一机身需要用128千米长的12k碳丝束。机身筒体为夹层结构，蒙皮为环氧，蜂窝为芳纶/酚醛纸蜂窝（由Hexcel提供）。最薄的结构为3/芯/3，在某些部位蒙皮的铺层数增加到载荷所需值。一般的铺层取向是0/+45/-45/90。但纤维的排列结构是根据特定载荷分布位优化的。在门窗外周围厚度加大以提高强度。无纬预浸带是机器铺放的，而织物预浸料芯子及胶膜是用激光跟踪在芯轴上用手工铺的。最外层（模线）包括来自Cytec公司用于防雷击的Surface Master905材料。在芯轴上铺完后，从铝芯轴上取下置于阴模内，阴模为碳/环氧双部分组成的蛤蜊形件，经真空压袋并在热压罐中分段固化。筒体的拼接用胶结及机械紧固件联合完成。胶膜、泡沫胶接剂、膏状胶结剂以及封装材料由3M公司提供。先进复合材料具有高比强、高比模、耐疲劳、多功能、各向异性和可设计性、材料与结构的同一性等优异性能，自上世纪60年代年问世以来，先进复合材料很快获得广泛应用，成为航空航天四大材料之一。下面就让我们对先进复合材料的应用情况和其优异性能做一简要介绍。 1应用先进复合材料可以显著提高战斗机作战性能 为满足新一代战斗机对高机动性、超音速巡航及隐身的要求，进入90年代后，西方的战斗机无一例外的大量采用复合材料结构，用量一般都在25以上，有的甚至达到35，结构减重效率达30。应用部位几乎遍布飞机的机体，包括垂直尾翼、水平尾翼、机身蒙皮以及机翼的壁板和蒙皮等。如美国第四代战斗机F-22复合材料用量已达到24%，而EF2000更高达43，EF2000除鸭翼外，机身、机翼、腹鳍、方向舵都采用复合材料，结构的“湿润”表面的70为复合材料，阵风也是如此，70的“湿润”表面为复合材料，约947kg之重。F-35的复合材料几乎覆盖了整个飞机外表面。 2应用先进复合材料可以明显增大军用运输机有效载重量 C-17是上世纪先进大型军用运输机的典型代表，C-17是1986年设计的，限于当时的水平，复合材料主要用于次要结构，如雷达罩、整流罩、操纵面、口盖、翼梢小翼蒙皮等，复合材料重约7258k，占该机结构重量8.1%。树脂基复合材料从非承力结构发展到次承力构件。在复合材料中碳纤维增强复合材料约占结构重量6%，玻璃纤维塑料、Kevlar纤维增强材料占2%。而欧洲EADS正在研究的A400M属于新一代大型军用运输机，在材料应用技术上有了一个新的飞跃，主要表现为先进复合材料占结构重量的35%40%。与C-17不同的是，在A400M上，碳纤维复合材料用于一些主承力结构，而C-17的复合材料结构重量比仅为8%，且主要用于操纵面及次要结构。A400M的机身仍由传统的铝合金制成，但却开创了采用碳纤维复合材料制造大型运输机机翼的先河，机翼长达19米，令业界颇为瞩目。 3应用先进复合材料是高超声速飞行器能否上天的关键因素 高超声速技术主要指研制高超声速（Ma5）飞行器所需的相关技术。近中期将采用的材料将包括陶瓷纤维增强的金属基复合材料、陶瓷及碳碳复合材料以及轻质隔热材料。此，发动机及机身将需要导热率高的材料，如碳碳复合材料。更远的将来，将需要先进型的材料，如铍基复合材料之类的超轻材料以及纤维增强陶瓷之类超高温材料。以NASA开发的第二代可重复使用航天飞机为例，油箱内衬为复合材料。在推进系统中将采用陶瓷基复合材料发射斜轨、金属基复合材料机匣以及树脂基复合材料涵道。此外还将采用复合材料电子设备舱。第三代可重复使用航天飞机将为一智能结构，具有自适应热防护系统及智能化无损检测装置，自愈合的飞机结构及表面。发动机材料将可能使用经冷却的复合材料、金属基复合材料加力燃烧室壳体、超高温复合材料。结构材料将包括超高温树脂基复合材料、低成本耐腐蚀热防护系统复合材料液氧油箱。 美国高超声速飞行器X-43是由超燃冲压发动机作动力装置的验证机。其油箱/机身由石墨/环氧框架及蒙皮组成。蒙皮外再覆以热防护系统。飞机上翼面热防护层为可剪裁的先进绝缘毡，下翼面为内多层屏蔽绝缘物。后者是正处于开发中的防热材料，由C/SiC外面板，中介陶瓷屏以及先进聚酰亚胺泡沫内衬。中介陶瓷屏覆以贵金属以降低其热辐射。机翼及垂尾由钛基复合材料制成，并有一个由二硼化锆制成的前缘。 4应用先进复合材料能大幅增加无人战斗机载油量 国外目前研制的无人机以复合材料和传统铝合金的混合结构为主。如“捕食者”“全球鹰”等均是如此。其中“全球鹰”的机翼和尾翼由石墨/环氧复合材料制造，而机身仍采用传统铝合金，复合材料占结构重量的65%。 无人战斗机是未来航空武器的一个重点发展方向。为满足采购政策、隐身性能、机动性、生存力对材料的特殊需求，为尽可能地降低结构重量、提高燃油装载量，无人战斗机结构的一个显著特点就是大量应用复合材料。以波音公司的X-45A为例，除机身的龙骨、梁和隔框采用高速切削铝合金外，其余的机体结构都是由复合材料制成。诺斯罗普格鲁门公司的X-47A的机体除一些接头采用铝合金外，整个机体几乎全部采用了复合材料。 5应用先进复合材料可以极大提升民用飞机市场竞争力 民用飞机方面，复合材料的使用对于增大客舱湿度进而改善乘客的舒适度、降低油耗、易于实现结构/舱内材料的一体化、减少零部件数量、简化系统安装及缩短总装时间等方面潜力巨大。波音、空客两家大型民用客机制造商均将其视为实现新飞机机体减重及降低直接运营成本的有效途径。如在新一代波音787飞机上，复合材料用量将达到50%，创大型客机复合材料的应用记录。欧洲空中客车公司在新近研制的A380型宽体客机的机翼和机身结构上均采用了先进复合材料，用量已占结构重量的25%，其中碳纤维增强复合材料占22%，另采用了3%玻璃纤维增强的铝合金层板复合材料Glare。在机翼前缘等处还采用了聚苯硫醚热塑性复合材料。该公司目前正在研制的新一代客机A350，复合材料的应用比例也将达到39%。 6应用先进复合材料在减重的同时很好地改善了直升机抗坠毁性 直升机采用复合材料不仅可减重，而且对于改善直升机抗坠毁性能意义重大，因而复合材料在直升机结构中应用更广、用量更大，不仅机身结构，而且由桨叶和桨毂组成的升力系统、传动系统也大量采用树脂基复合材料。H360、S-75、BK-117和V-22等直升机均大量采用了复合材料，如顷转旋翼飞机V-22用复合材料近3000公斤，占结构总重的45左右，法德合作研制的“虎”式武装直升机，复合材料用量更高达77。 7先进复合材料在航空发动机上也得到成功应用 航空发动机使用碳纤维增强树脂基复合材料取代金属材料可以有效减轻发动机重量，降低燃料消耗，增加航程。有资料报导，发动机减轻1磅重量，从而使飞机可减轻1020磅重量。从70年代初，复合材料就成为TF39、F103特别是GE36UDF发动机研制计划的一部分，在这些发动机上积累了经验之后，在GE90的风扇叶片上成功使用了高性能韧化环氧复合材。此外，在F119风扇机匣、遄达发动机的风扇机匣包容环及反推力装置上也广泛采用了树脂基复合材料。 近期开发的波音787的动力装置GEnx的风扇机匣及风扇叶片，将由碳纤维/环氧树脂基复合材料制成。除减重外，复合材料还表现出良好的韧性及耐蚀性。 至于陶瓷基复合材料等超高温复合材料，目前已在M88、F119等发动机尾喷管等静止件上获得应用。 随着飞行器向高空、高速、无人化、智能化、低成本化方向发展，复合材料的地位会越来越重要。国外预计，在下一代飞机上，复合材料将扮演主角，目前采用全复合材料飞行器的计划正处于酝酿之中。大飞机项目将带动复合材料业快速发展 当前，国际航空制造业竞争的焦点已经集中在材料方面，特别是复合材料在民用大飞机上的应用，体现了一个国家的技术水平、工业水平乃至综合国力。航天材料专家表示，我国加快先进复合材料应用于大飞机的基础研发任务艰巨而紧迫。飞机性能的改善有23依靠材料，材料的先进性决定了飞机的性能。 目前大型飞机突出强调安全性、经济性、舒适性和环保性，这些性能上的高要求决定了对复合材料需求的迫切性和必然性。因此，复合材料技术跃升为大飞机三大关键技术之一。 复合材料是一种由高强度、高刚度增强材料构成的新型材料，具有高强度、高刚性，良好的抗疲劳性、抗腐蚀性等一系列优点。在飞机上采用复合材料，意味着可以明显减轻飞机的结构重量、提高飞机的性能。 当前国际大型飞机制造技术中心点是复合材料。国际上两大飞机制造巨头空客和波音在市场上竞争激烈，其技术对决的主要关键点就是先进复合材料的应用。波音787大量采用了复合材料，复合材料占到全机结构质量的50，由于大幅减轻了机重，提高了20的燃油效率。从外表看，787飞机除机翼、尾翼前缘、发动机挂架外，几乎看不到金属。该机为世界上第一个采用复合材料机翼和机身的大型客机。波音787大量应用复合材料，成为飞机发展史上的一个重要里程碑。 飞机结构的复合材料化已成必然趋势，国际复合材料发展速度也是我们始料不及的。我国飞机复合材料经过30多年发展，取得了长足进步，但与国际先进水平相比，在应用水平与规模、材料基础与配套、制造工艺与设备、设计方法与理念等方面，都存在相当大的差距，特别是应用落后尤为突出，难以适应我国实现大飞机计划的需要。只有加强复合材料的关键技术研发、材料标准的制定和人才培养，整合国内力量，加强国际合作，使复合材料在大飞机上的应用获得突破性进展，才能生产出具有国际竞争力的大型飞机。 波音高调增资扩建天津波音 进入中国市场比竞争对手早很多年，并且占据大部分市场的波音公司，多年来与中国的合作步伐缓慢。2008年，面对中国自己大飞机项目的启动，波音终于开始发力快跑。2008年11月4日，波音公司宣布，继2008年7月增持波海股份并获得控股权之后，公司将位于天津的波海复合材料部件有限公司更名为波音天津复合材料有限公司。波音天津于2002年开始运营，其客户包括波音、赫氏、费希尔先进复合材料公司、上海航空工业集团公司、西安航空工业集团公司、古德里奇、韩国宇航工业公司，以及沃特飞机工业公司。 天津波音公司的前身是1999年成立的天津波海航空复合材料有限公司，主要为波音各系列飞机生产内饰零部件和复合材料结构。2008年7月份波音取得控股权之前，天津波海的股权结构为波音持股40%，赫氏(Hexcel)公司持股40%，中航一集团(现合并入中航工业集团)持股20%。2008年7月21日，波音收购了赫氏手中的股权。据悉，波音此次斥资2100万美元对公司进行扩建后，天津波音的股权结构再次变更为波音持股88%，中航工业集团持股缩减至12%。 天津波音的扩建施工将于2010年年初结束，新设施最迟于2013年全面投入运营。到2013年，天津波音的产能将提高60%。天津波音负责人表示，要把天津波音打造成波音的一级供应商。 扩建后的天津波音仍然生产与目前产品相似的结构面板。这些结构面板除了供应海外客户外,很大一部分产品将用于支持国内的波音零部件转包商,这些转包商主要是中航工业集团下属的企业。以哈飞集团为例,该公司是波音最新型梦想飞机787的翼身整流罩上下部面板的全球唯一供应商,其原材料就取自天津波音,在哈飞完成组装工作。 空客与哈飞联袂建零部件制造中心 在复合材料领域,波音和空客都在争夺在华工业合作的机会。虽然波音早在1999年就组建了天津波海公司,但是空客大有后来居上之势。 就在2008年7月波音宣布控股天津波海的前几天，空中客车中国公司与哈飞集团签署了建立合资公司的框架合同，将在哈尔滨建立复合材料飞机零部件制造中心。该中心计划于2009年年初建立，哈飞集团将拥有80%股权，空中客车中国公司拥有20%股权。 哈尔滨制造中心将为空中客车A320提供系列飞机生产零部件，同时参与空中客车A350XWB宽体飞机工作包的产业化和批量生产，以及5%的设计工作。 哈尔滨复材制造中心的组建，意味着中国将首次参与世界顶级飞机的研发工作，对中国航空工业具有划时代的意义。框架合同的签署也将中国航空工业与空客的关系又拉近了几分。 哈飞凭借在复合材料研发方面的优势，被中国商用飞机公司确定为国产“大飞机”五大主制造商之一，与西飞、沈飞、成飞、陕飞等国内航空重点企业并肩参与生产“大飞机”。 作为目前国内最大的航空复合材料研制、生产基地，哈飞已具备了自主研发主承力件和国际合作研制大型结构件的能力，开发了复合材料尾翼、全复合材料尾撑管等一批国内领先的复合材料产品，并将复合材料广泛应用于空客A320结构件、波音787整流罩等。目前，哈飞拥有总面积近7万平方米的复合材料生产厂房，各类设备100余台套；成立了复合材料结构设计室，建立了完整配套的复合材料研发、制造、检测、实验技术体系；建立了复合材料知识数据库，掌握了国际先进、配套齐全的复合材料标准规范。 据哈飞有关技术人员介绍，目前我国正在研制的国产大飞机机体结构的30%40%将采用复合材料，而复合材料产业是哈飞的突出优势，为其成为大飞机主制造商奠定了基础。 飞机制造业是巨大的系统工程，是基础科学和制造业企业通力合作的结果，哈飞拥有除军机的军械加装和试飞以外较完整的业务链，几十年生产军用、民用直升机，轻型及支线固定翼飞机研制，参与国际航空的转包产品生产，都为公司参与到中国大飞机项目中做好了一定的技术储备。除生产和销售直9系列、HC120、EC120机身、运12等产品外，另外3个长期投资单位涉及的方向则是民用支线飞机，以及中型民航客机的研制生产，其中安博威公司主要生产销售50座级涡扇ERJ145支线飞机，该机型采用当代先进的涡轮风扇发动机和集成化航空电子设备，其安全性、舒适性和各项性能指标不亚于大型干线飞机，目前该系列飞机全球销售量已超过700架，2006年所签大单生产任务排到2010年。哈飞在原有的制造直升机和中型飞机(ERJ145支线飞机)所取得的技术储备和经验，使其在参与大飞机项目时更具优势。 复合材料技术是大飞机关键的所在 复合材料技术是大飞机的关键，飞机装配技术是我国的薄弱环节，复合材料构件成型技术在制造大飞机中更是重中之重。作为大型战略性高技术装备，大飞机的研制兼有政治、经济、国防、技术四重意义。在政治意义上，大飞机能够反映一个民族、一个国家的实力，在鼓舞民族精神、提高民族自信方面，其价值不逊于“两弹一星”和太空飞船。大飞机具有巨大的市场盈利空间。到2020年，我国大约需要新增干线客机1600架，总价值为1500亿美元1800亿美元；而到2050年，我国大约还需要更新和新增干线客机3000多架，加上各类支线客机和民用运输机，总价值在3500亿美元4000亿美元之间。这仅仅是国内市场份额的统计数据，如果参与国际竞争，大飞机的市场空间将更加广阔。从国防上看，若大飞机研制成功，将使中国实现大型军用飞机的国产化，进一步增强国防实力。从技术上看，大飞机处于产业链的顶端，堪称拉动工业技术链条的“总龙头”，其研制必将有力地拉动中国的技术进步和产业升级，强化民族工业的力量，提升中国在国际产业分工中的地位。 大型飞机与复合材料大中小日期: 2009-09-03来源: 中国刀具商务网复合材料技术是大型飞机研制的关键技术之一，只有充分重视，合理规划，尽早启动预研，突破其相关的关键技术，才能形成对大型飞机研制的有力支撑。研制大型飞机已被列入我国中长期科技发展规划。2007年2月26日，在温总理主持召开的国务院常务会议上，原则批准了大型飞机研制重大科技专项的正式立项，并已于2008年5月11日在沪正式组建“中国商用飞机有限责任公司”具体管理运作此事，这引起了国内外高度的关注。让中国的大飞机翱翔蓝天，既是国家的意志，也是全国人民的意志，更是几代航空人多年企盼的梦想。2007年7月8日美国波音飞机公司的B787正式下线，其焦点、亮点和难点主要就是复合材料技术及其应用。飞机性能的不断提高一直与采用性能优异的新材料密切相关，可以说是“一代飞机，一代材料”。研制我国的大型飞机，复合材料无疑将是其关键技术之一，因而形成了当前人们议论和研发的热点。大型飞机上复合材料的应用大型客机目前突出强调安全性、经济性、舒适性和环保性，这些性能上的高要求决定了其对复合材料需求的迫切性和必然性。先进复合材料诞生于20世纪60年代末，大型客机早于20世纪的70年代初就开始了先进复合材料应用的历史进程。1 历史与沿革就美国而言，复合材料的应用大致分为4个阶段，首先应用于受力很小的构件，如前缘、口盖、整流罩、扰流板等；第二阶段用于受力较小的部件，如升降舵、方向舵、襟副翼等，已有了一定的规模；第三阶段用于受力较大的部件，如水平尾翼、垂直尾翼、发房等部件，规模已较大，如在B777上用于平尾、垂尾、机身地板梁等处，共用复合材料9.9t，占结构总重的11%；第四阶段，即现阶段，用于机翼、机身等主承力结构，规模已很大。民机不同于军机，军机的复合材料应用军机的复合材料应用上完尾翼马上上机翼、机身，而民机是相隔了20年后才出现大型飞机的复合材料机翼和机身。这段时间一是在发展相关技术，二是在努力降低成本，使之能与对应的金属结构竞争，条件具备了才由第三阶段迈入第四阶段的应用。从中明显可见应用是由小到大、由少到多、由弱到强，循序渐进，一步一步走过来的，强调“step by step”。再看欧洲的情况。欧洲空中客车工业集团，亦于20世纪70年代中期开始了复合材料应用的进程，走过的路和美国相似，先上舵面，再上尾翼，1978年始研制A320的复合材料垂尾，至1985年完成，实现减重20%。此后A320、A330、A340等机种上均大量使用了复合材料，把复合材料的用量推广到15%左右，此时情况比美国尚有所超出。多年来波音和空客在民机市场上竞争激烈，技术上先进复合材料的应用则是其主要的对峙内容之一,他们要竞争复合材料技术的“霸主”地位。2 A380上复合材料的应用空客集团已研制成超大型客机A380，虽推迟进度近2年，但目前已首飞并正式交付航线使用。该机复合材料占25%，主要应用部件包括中央翼、外翼、垂尾、平尾、机身地板梁和后承压框等，仅中央翼盒就用复合材料5.3t，实现减重1.5t，板厚可达45mm，对接主交点处厚达160mm，受载很大。其水平尾翼的大小超过A320的机翼，半展长19m，内装燃油，号称世界上正在飞行的最大复合材料整体油箱。其机身后承压框6.2m5.5m，上有泡沫塑料充填的加筋，用RFI（树脂膜熔塑）技术成形，号称世界上最大的RFI整体成形构件。机身I型地板梁，跨度近6m，两端固支，受载很大，由日本的JAMCO公司采用创新的拉挤技术制造，拉进去的是预浸料而不是纤维。A380上机身还大量应用了Glare层板，共用27块达470多m2约占结构总重的3%4%，与相应的铝合金板比实现减重25%30%，疲劳寿命提高1015倍，长达14m的垂尾前缘也拟采用此层板Glare是玻纤增强铝合金层板，国内称作超混杂复合材料，由荷兰Delf大学最先研究开发，已有20多年的历史，较之以前应用的ARALL层板，芳纶增强铝合金层板有更好的双周疲劳性能，且成本较低，只是比重稍大一些。A380是第一个将复合材料用于受载很大的中央翼盒的大型民机，开创了大型民机上大规模应用复合材料的先河。3 B787上复合材料的应用美国波音飞机公司正在研制B787“梦想”飞机，并已于2007年7月8日成功下线，即将首飞并交付航线使用。该机要大幅度减轻结构重量，提高燃油效率20%，所以大量采用了复合材料。B787共用复合材料占50%左右，考虑到复合材料密度仅为1.6g/cm3，故全机主要结构均将采用复合材料制成，从外表面看，除机翼、尾翼前缘（防鸟撞）、发动机挂架（防高温）外几乎看不到金属。主要应用部位包括机翼、机身、垂尾、平尾、发房、地板梁、部分舱门、整流罩等，甚至还包括了起落架后撑杆、发动机机匣、叶片等部位。应该特别指出这是世界上第一个采用复合材料机翼和机身的大型客机，其应用水平远远超过B777和A380，为世界之最，世界公认这是复合材料发展史上一个重要的里程碑。B787的主要用材体系为T800S/3900-2，纤维为日本东丽公司生产，树脂为改性的韧性环氧，177固化，已基本在B777上完成使用和验证。B787上的新技术还包括TiGr层板，即碳纤维增强钛板，由IM6/PEEK与钛箔相间制成，又是一种新的超混杂复合材料，同样具有优异的抗疲劳性能，同时耐高温；结构健康监控技术，以光纤系统为传感器，连续探测损伤，监视结构完整性，而且在线监控，预报早期的结构修理、维护要求。波音认为复合材料除减重外，还可提供更好的耐久性、耐腐蚀性，可降低使用维护要求和成本，较B767降低成本30%，未来发展的潜力和空间大大增加。波音强调指出，在人类有动力飞行进入第二个百年之后，波音如此的选材决定将使其在先进材料技术领域占领世界的制高点，声言要领跑飞机设计技术，称“复合材料为航空航天的未来”。我们已经知道，复合材料在军机、直升机、无人机包括无人作战飞机上的用量早已达到或超过了50%，如今大型客机上的用量也超过了50%，这给业已存在的飞机结构复合材料化趋势又涂上了浓墨重彩的一笔。4 A400M和A350上复合材料的应用A400M是欧洲空客集团正在研发的一架大型军用运输机，为大量减重以增加有效载荷已决定大量应用复合材料，复合材料约占其结构总重的40%左右，主要应用部位包括机翼、垂尾、平尾、部分机身和32个螺旋桨桨叶，仅浆叶就用复合材料2t多。机翼主承力盒已于2006年底前装配下线，23m4m，重达3t，为空客迄今为止最大的复合材料制件，该机预定今年首飞，2009年交付使用。空客不久前宣布了新型超宽体客机A350XWB计划，该机因面临B787的严重竞争，结构选材方案先后经6次修改，主要是复合材料用量和机身复合材料的应用问题，最后决定复合材料用量达到52%，甚至超过了B78750%的水平，并表示要重新评价复合材料机身的价值。机身共分5段，中间3段为金属骨架、复合材料蒙皮，每段各四大块层压板，这不同于波音完整的筒段。欧洲宣称A400M和A350均将采用欧洲最新的复合材料技术，以迎接美国B787复合材料技术的挑战，欧美在竞争复合材料技术和应用的“霸主”地主。A380、B787、A400M、A350等几大机种大量应用复合材料，形成了复合材料在航空领域迅猛发展的新态势，也直接导致了目前世界性的碳纤维严重短缺的事实，引爆了世界性碳纤维危机。长期以来空客和波音在复合材料的应用上，特别是机身应用的问题上，双方持有不同观点，并存在较严问题。波音回之以技术上不成问题，安全上更不会有问题，只承认成本上会高一些。争论以后空客还是走到波音的路上来了，只有一点不同的是重的分歧与争论。空客认为波音在B787上如此应用复合材料是在冒很大的风险，特别机身“会导致非优化的设计方案”，损伤容限也成为问题，会影响安全，此外成本、修理等也成在A350上采用了复合材料机身，但不是筒段机身而是板段机身。实质上这与空客在理念和自动化制造技术上落后于美国有关。那么波音是否存在风险呢？实质上波音是存在风险的，如果B787上的复合材料技术失败，则会导致波音与空客总体竞争上的失败。机遇与挑战同在，效益与风险并存。目前B787已正式宣布推迟进度一年，说明风险与技术上的问题均是客观存在的。复合材料应用的技术基础先进复合材料在大型客机上如此大踏步前进的应用态势是我们始料不及的，应用的情况固然重要，但笔者认为认真分析其应用的技术基础尤为必要，这有助于我们从中发现问题，看到差距，认清方向，为我们大型飞机的研制提供参考和借鉴。1 先进复合材料是性能优异的新材料先进复合材料的发展应用已有30多年的历史，30多年来其在各种民机上的应用日益增多，但从未因此引发飞行事故，这无疑增加了应用复合材料的信心和安全置信度，这是前提基础。早期的装机件历经30年左右的飞行使用，已到了使用寿命，美国人作了认真的检查，甚至分解检查，结论是制件均处于良好状态，长期的疲劳和使用环境未造成剩余强度的下降，制件仍能承受设计载荷。如波音B727的5个复合材料方向舵已累计飞行189000个起落、331000飞行小时；B737的108个扰流板已累计飞行3781000个起落、2888000飞行小时；1个B737的复合材料平尾已飞行了19295个起落、17302飞行小时，经分解检查仅有一点钉孔电化腐蚀，状态良好。树脂基复合材料是一种非金属材料，当年曾认为老化会是其严重问题之一，30多年过去了，证明老化也不成问题。是铁一般的事实雄辩地证明了复合材料是一种性能优异的新材料。国内最早装机使用的歼八复合材料垂尾在苛刻的飞行条件下飞行使用近20年，地面检查亦无问题。我们自行研制的歼八-2带整体油箱的复合材料机翼自1995年装机飞行13年来亦毫无问题。教-8复合材料垂尾已装机300多架份，使用情况均良好。国内仅有的一点使用经验也表明复合材料是一个性能优异的新材料。2 各种预研计划认真执行的结果美国为推进复合材料在大型客机上的应用，多年来曾先后制定过多个发展预研计划，并认真执行，取得了积极的成果，从而为今天B787等机种大量应用复合材料奠定了坚实的技术基础。NASA于19761985年执行的ACEE（Aircraft Energy Efficiency）计划，即飞机节能计划，以复合材料应用为主要内容，实现结构减重、节省燃油、增加商载。该计划执行的结果实现了舵面一级的应用，突破B737等尾翼一级部件的应用。接着NASA又于19881998年执行了着名的ACT（AdvancedComposite Technology）计划，即先进复合材料技术计划，该计划则主要为大型飞机上复合材料机翼和机身的研制做准备，目的在于改进结构性能，研制“强度、刚度、损伤容限”三者统一的主承力结构，降低复合材料成本，使之可与对应的铝合金结构竞争。欧洲则有着名的TANGO（Technology Application to theNear-Term Goals and Objectives）计划，为期4年，由欧洲12国共34个部门联合发起，目标要减重20%、降低成本20%，为此共选用4个大的验证平台，包括中央翼、外翼和2个机身段，各平台规模均较大，采用不同的技术途径设计、制造和验证，通过竞争达到高质量、低成本。其成果已用到A380及其他机种上。接着欧洲又提出新的SWK计划，主要为发展大型民机复合材料机身服务，目标要减重30%，降低成本40%，为此要革新设计理念、制造方法。预研是应用的基础，没有预研就没有应用的发展。纵观国外的经验和做法，他们是一个计划接一个计划地执行，有计划、务实而有成效的预研工作卓有成效地支持和推动了应用的进展。3 低成本复合材料技术是重要的前提复合材料在飞机结构上扩大应用的主要障碍是成本较高，特别是制造成本较高。有鉴于此，以美国为首的西方发达国家纷纷制订了低成本复合材料计划，复合材料的低成本化已形成了当今世界上复合材料技术发展研究的核心问题。美国国防部联合NASA、FAA和工业界共同发起并制订了CAI（CompositeAffordability Initiative）计划，即低成本复合材料计划。该计划自19962007年共分4个阶段执行，已于2007年结束，正在作总结，认为取得了巨大的成功。CAI的目标是要降低成本50%，其核心是要共同努力创造一个设计/制造上示范性的转变，最终降低复合材料单位质量的成本数。低成本复合材料技术包括了低成本的设计技术、低成本的制造技术和低成本的材料技术，核心是低成本的制造技术。为此美国早于上世纪70年代中期即着手发展了以自动铺放技术，包括自动铺带技术（ATL）和自动纤维铺放技术（AFP）为核心的自动化制造技术。同时大力发展了以共固化/共胶接为核心的大面积整体成形技术，这使得B787实现了复合材料与金属零件数比为1:19的可喜成果。4 复合材料技术的进步是坚实的保障先进复合材料历经30多年的研究、发展和应用已取得了长足的进步，从设计、材料、制造到试验验证逐步走向了规范化、标准化和成熟化，即复合材料技术上的进步，形成了如B787上大规模应用复合材料的坚实保障。设计上重点发展了优化、革新的设计技术，以DFM（Design forManufacture）技术，即设计制造一体化，为核心的数字化和自动化技术，采用全新的理念和手段将设计和制造进一步融为一体，从而加快了产品研发、提高质量、降低成本的步伐。材料上发展了多种稳定的高性能材料体系，提高了材料的许用值和结构的设计值，并且许多已在前行机种上完成验证和使用，如B787的用材体系多在B777完成验证，A380用材体系多在A340-500/600上完成验证，新机大量应用时材料体系几乎是现成的，并不要做太多的工作。制造上则大力发展了革新的制造工艺和技术，实现了高度的自动化和整体化成形，发展了各种RTM成型工艺，大幅度地降低了制造成本，使之能与对应的金属结构竞争。还应特别指出西方发达国家在重视硬件的同时也极为注意软件技术的研发，他们提出要有组织地统一制订规范“开发编制全行业的标准，改进最终产品的一致性”。其目的在于将复合材料的设计和鉴定文件化、规范化，形成统一的指南，以减少风险、降低成本。美国FAA咨询文件AC20-107A“复合材料飞机结构”的贯彻执行、美国军用复合材料手册MIL-HDBK-17的不断修订和再版以及各大飞机公司自用复合材料设计手册的不断编写和更新均是这方面精彩的实例。我们的问题与差距国内复合材料的研究和发展起步并不晚，也于上世纪70年代初就开始了这一历史的进程。30多年来的研究发展也有了一定的规模和水平，取得了相当的进步和成果：国内目前已形成了一支从设计、材料到制造配套的研发队伍，各大主机厂均已建起了较完善的复合材料生产手段和车间，完成了相应的技术改造，各研究院所和相关高校均具备了一定的研究力量并培养了大量的专业人才。复合材料在各种军、民机型号上已获得了正式的应用，并有一批软、硬件成果问世，这一切均应给予充分肯定。国内的复合材料技术虽有一定的发展与进步，但与国外的先进水平相比尚存在许多问题和相当大的差距。以飞机结构用复合材料技术而言，我们的应用规模与水平、设计的理念、方法和手段、材料的基础和配套、制造的工艺和设备均严重落后，落后是全方位的，差距甚至有越来越大的趋势。其中应用的落后是根本的落后，带有标志性的落后，如我国军用战斗机上复合材料最大的用机翼问世；最新研制的ARJ21支线客机复合材料用量不足2%，微乎其微。我们应该清醒地看到我国复合材料应用落后的严重现实。落后的原因是多方面的。首先是思想认识和理念上落后，没有充分看到和认识到世界上现已存在的飞机结构复合材料化的大趋势，远落后于世界前进的步伐。其次是国内在该技术领域缺乏战略上、总体上的规划与研究，规划落后、投资严重不足，明显地缺乏长远发展与竞争的意识。机制与体制上也有问题，缺乏相对统一的组织与领导、合作与协调，存在多方领导、多方投入且投入又严重不足的问题，研究力量分散，项目低水平重复，设计与制造分离，研究与生产混淆。基础研究薄弱，预研不踏实，技术上落后，导致许多基础理论和工程实践的关键问题未获或未很好解决，应用效益不足，麻烦不少，普遍存在“不敢用，不好用，不爱用”的现象，实质是“不会用”，说明预研远没给应用提供必要的技术基础。相关的发展建议飞机结构的复合材料化已成必然的发展趋势，大型飞机结构的主体材料必将是复合材料而非金属已是不争的事实。这一趋势将从根本上改变飞机结构设计和制造上的传统，也将改变航空工业供应链的重组进程，能否适应这一重大变革，势必影响和决定一个国家航空制造业的成败兴衰。现在我们面临的事实是，我国要研制大型飞机，为确保其先进性和未来的市场，要大量应用复合材料。另一方面我们于该技术领域又实在是落后得太多，缺乏必要的技术储备与支撑，需要和可能之间构成了一对尖锐的矛盾。如何面对，值得我们认真地思考与论证。下面提出笔者的相关建议：（1）合理地确定目标，并以此为依据做好科学的规划，积极开展预先研究。所谓“目标”，主要指应用目标，究竟是多大的用量。提法可有3个：用到尾翼一级，类似B777的用法，用到结构重量的15%以下；用到机翼一级部件，则可用到25%左右；和B787一样，用到机身、机翼等主结构，用量也达到50%左右。建议我们低者用到尾翼级部件，高者用到机翼一级部件，取用量为25%左右。至于复合材料机身，根据我们的技术基础，恐怕一时上不去，徐容后议。根据经充分论证确定的合理目标，有针对性的规划预研课题，尽快启动预研工作，争取用有限的时间，突破必要的关键技术，形成强有力的技术支撑。(2) 注意突破关键技术。所谓关键技术指缺了它不行的技术，对大型飞机而言关键的复合材料技术应包括以下诸点：革新的设计技术和理念；以DFM技术为核心的数字化设计技术，并注意材料许用值和结构设计值的合理确定；损伤容限和修理等问题的合理解决；工程计算分析方法的研发和相关设计软件，如规范手册等的编写和制订。发展并确定先进的材料体系，关键是碳纤维的问题，用国产的还是进口的？哪个档次哪个品种的？其次是高韧性环氧树脂的研究与开发和较大丝束纤维的应用。早定材料体系，早定“材料规范”和“工艺规范”，以便开展工作，积累经验和数据。应该指出碳纤维产生危机后世界上各大生产厂家均在急速扩产，大约2年后即可达到新的供需平衡。军机不能再用国外的纤维了，民机则可酌情选用，但要签好长期稳定的供货合同。大力发展革新的低成本制造技术，重点应有ATL和AFP技术及其设备；大件整体成型技术和无损检测技术，厚板固化技术；广义的低成本的各种RTM成形技术。适航取证的审定技术，包括“积木式”方法和AC20-107A等文件的贯彻执行等问题，同时一开始就要注意和重视文件标准和规范的制订与执行的问题。把上述要点具体化为应立即开展预研的关键题目可大致开列如下：材料体系的合理选择和评定； 材料许用值、结构设计值的合理确定； 以设计制造一体化（DFM）技术为核心的软件研发； 损伤容限原则的确定、验证和设计实施； 构件缺陷、损伤标准的研究和制订； 以设计手册为核心的设计、分析等软件的研发和编写； 以自动铺放技术为核心的自动化制造技术； 大面积整体成型的设计、制造及相关材料技术； 广义的RTM制造成型技术； 厚板固化成型优化工艺技术；大型加筋板壳的固化变形控制技术； 复合材料结构修理技术； 大型制件快速自动无损检测技术； 座舱内装饰用相关复合材料技术； 适航审定和取证的相关程序和实施。 （3）人才的培养和准备。国内的复合材料领域严重缺乏成熟的结构设计人才和有经验的制造工艺人才，这与大型飞机的技术需求极不适应，必须引起充分重视。国际上讲培养一个成熟的复合材料设计师至少需要10年。对人才的问题我们要采取切实的措施予以培养提高，以人为本、事在人为。对此各相关高校负有义不容辞的责任和义务。（4）积极进行对内整合，对外合作。国内复合材料技术已有近40年的发展历程，也有了一定的规模和基础。发展大型飞机的复合材料技术应在此基础上充分注意整合国内现有的技术力量和人力资源，并注意发挥业已存在并将要兴起的民用复合材料产业的技术和力量。复合材料的技术发展呈现国际化趋势，如B787的复合材料制件65%以上外包，A350也计划50%以上外包。我们在发展大型飞机的复合材料技术以至其结构制造时，也应以开放的思维充分注意国际合作、国际交流，充分吸收国际上的先进技术、经验和教训，努力做到成果共享、风险共担。