通用飛機(jī)用復(fù)合材料應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

黨婧　高麗紅　楊利

摘要：綜述了通用飛機(jī)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了復(fù)合材料在通用飛機(jī)上的應(yīng)用及其發(fā)展歷程，指出了通用飛機(jī)用復(fù)合材料發(fā)展亟待解決的主要問題。闡述了Cessna 350、SR22和DA40 3種通用飛機(jī)的復(fù)合材料應(yīng)用情況，展望了飛機(jī)用復(fù)合材料的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：通用飛機(jī)；復(fù)合材料；發(fā)展趨勢

中圖分類號：TQ050.4 +3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2013）07-0073-04

通用航空的發(fā)展水平標(biāo)志著一個國家科技水平、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和生活水平的高低。根據(jù)民用航空總局《通用航空飛行管理條例》規(guī)定，通用飛機(jī)是指是除軍事、警務(wù)、海關(guān)緝私飛行和公共航空運輸飛機(jī)之外20座以下所有飛機(jī)的總稱[1～3]。

1 通用飛機(jī)分類及發(fā)展現(xiàn)狀[4，5]

1.1 通用飛機(jī)分類

從用途上看，通用飛機(jī)包括多用途飛機(jī)、公務(wù)機(jī)、農(nóng)業(yè)飛機(jī)和娛樂旅游飛機(jī)等；從類型上看，包括固定翼飛機(jī)和旋翼機(jī)（見圖1）。

1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

目前全世界從事通用飛機(jī)科研或整機(jī)經(jīng)營的國家約40多個，主要分布在加拿大、美國、意大利及歐洲其他發(fā)達(dá)國家。美國是世界上通用航空最發(fā)達(dá)的國家，2004年已有通用航空飛機(jī)22萬架，占全球總數(shù)的72%。

我國通用航空作業(yè)始于1951年，主要制造商為中國航空工業(yè)集團(tuán)公司（簡稱“中航工業(yè)”），生產(chǎn)的通用飛機(jī)有Y5、Y11、Y12和N5A系列等。21世紀(jì)，飛機(jī)制造商采用國際合作方式生產(chǎn)通用飛機(jī)。如中航工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計研究院（603所）與石家莊飛機(jī)公司合作生產(chǎn)“小鷹500”輕型多用途飛機(jī)；2005年濱州大高通用航空城有限責(zé)任公司與奧地利鉆石飛機(jī)制造公司簽署成立濱奧飛機(jī)制造有限公司，研制出第1架鉆石DA-40型飛機(jī)；2011年中航通用飛機(jī)有限責(zé)任公司成功并購了美國的西銳設(shè)計公司，擁有了國際領(lǐng)先的通用飛機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈。

2.1 通用飛機(jī)使用復(fù)合材料的市場

目前，軍用飛機(jī)已完成了從鋁材到復(fù)合材料的轉(zhuǎn)變。隨著波音公司波音787機(jī)身采用復(fù)合材料，對飛機(jī)制造技術(shù)、方式及戰(zhàn)略帶來根本性的轉(zhuǎn)變。

飛機(jī)用復(fù)合材料主要用于制造航空器的結(jié)構(gòu)件和內(nèi)飾部件。復(fù)合材料在先進(jìn)飛機(jī)上的應(yīng)用比例逐年提高，空客從A310的5%，到A380的23%，到A350XWB（寬體飛機(jī)）的53%用量的復(fù)合材料。波音787飛機(jī)復(fù)合材料用量也占到結(jié)構(gòu)總量的50%。據(jù)波音、空客公司網(wǎng)站資料顯示，到2020年生產(chǎn)的大型客機(jī)將全部采用復(fù)合材料。

隨著先進(jìn)復(fù)合材料及加工技術(shù)的快速發(fā)展，新型通用飛機(jī)開始越來越多地使用先進(jìn)復(fù)合材料。統(tǒng)計表明，2007年通用飛機(jī)上復(fù)合材料用量在總材料用量中比例高達(dá)57%，預(yù)計到2020年，這一數(shù)字將達(dá)69%。許多小飛機(jī)的復(fù)合材料用量甚至超過結(jié)構(gòu)總量的90%。

目前我國已經(jīng)建立了航空航天復(fù)合材料的基本體系，無論是材料品種、工藝還是綜合性能均滿足了我國現(xiàn)役飛機(jī)型號對先進(jìn)復(fù)合材料的需求。但由于我國通用飛機(jī)起步較晚，復(fù)合材料的使用仍然較少。如“小鷹”500 飛機(jī)是我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的輕型多用途飛機(jī)，該款飛機(jī)的發(fā)動機(jī)罩、尾錐和座艙部分側(cè)蒙皮采用了玻璃纖維復(fù)合材料。

目前，我國對通用飛機(jī)的需求呈指數(shù)增加，這對中國通用飛機(jī)及其復(fù)合材料發(fā)展是一種巨大的推動力。專業(yè)人士估計，2014年通用飛機(jī)使用復(fù)合材料的市場將超過11 億美元。

2.2 通用飛機(jī)使用復(fù)合材料存在的問題

復(fù)合材料用于通用飛機(jī)結(jié)構(gòu)可獲減重/功能雙重功效。但在實際使用過程中存在以下問題：材料自身耐熱性差，不適用高溫工作環(huán)境；材料設(shè)計、制造成本和檢測費用較高；材料結(jié)構(gòu)損傷的修理方法和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)匱乏。

3 Cessna 350、SR22和DA40通用飛機(jī)中復(fù)合材料的應(yīng)用[11，12]

3.1 Cessna 350通用飛機(jī)中復(fù)合材料的應(yīng)用

賽斯納飛機(jī)公司是全球最大的通用航空飛機(jī)專業(yè)制造商。Cessna 350是由賽斯納飛機(jī)公司推出的一種帶固定減速器的活塞式飛機(jī)。

Cessna 350的結(jié)構(gòu)件用無緯織物預(yù)浸帶經(jīng)手工鋪疊而成。翼梁、機(jī)身梁、安定面、操縱面及其他承受高載荷的結(jié)構(gòu)件均采用碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料。機(jī)身及機(jī)翼蒙皮則采用E玻纖/環(huán)氧復(fù)合材料。機(jī)體重量中碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的比例約為15%。機(jī)身夾層材料為左右2半粘接而成。蒙皮為玻纖/環(huán)氧復(fù)合材料，芯子采用樹脂浸漬芳綸纖維。機(jī)翼有2根C型梁，采用機(jī)械緊固件與加強(qiáng)的復(fù)合材料機(jī)身座相連。每根梁有上下2根由碳纖維/環(huán)氧無緯預(yù)浸條帶制成的緣條，腹板用玻纖/環(huán)氧預(yù)浸帶與蜂窩芯子組成。

3.2 SR22通用飛機(jī)中復(fù)合材料的應(yīng)用

在當(dāng)今美國通用飛機(jī)制造商中，西銳飛機(jī)設(shè)計制造公司堪稱頭號復(fù)合材料飛機(jī)制造商。SR22飛機(jī)號稱“空中寶馬”，是世界上同級別機(jī)型中銷量最大的。SR22是全復(fù)合材料單發(fā)活塞飛機(jī)（四座、單發(fā)、復(fù)合材料的飛機(jī)），2000年獲得FAA型號許可證。

SR22飛機(jī)大部分機(jī)構(gòu)采用E玻纖/環(huán)氧，部分采用S-2玻纖環(huán)氧預(yù)浸帶。機(jī)身為硬殼式結(jié)構(gòu)，由復(fù)合材料制成；機(jī)身結(jié)構(gòu)的大面積區(qū)采用夾層結(jié)構(gòu)，機(jī)身沿縱向分為左右2半部，典型2芯/2結(jié)構(gòu)，E玻纖/環(huán)氧蒙皮覆蓋在DHT（航空級）閉孔泡沫芯子上。在機(jī)身頂部引入無緯S-2玻纖預(yù)浸帶形成護(hù)頭架結(jié)構(gòu)。機(jī)翼蒙皮、翼梁和翼肋均由復(fù)合材料制成；機(jī)翼主梁采用碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料；主起落架減震支柱由耐疲勞性復(fù)合材料構(gòu)成。

3.3 DA40通用飛機(jī)中復(fù)合材料的應(yīng)用

奧地利鉆石飛機(jī)公司是世界領(lǐng)先的復(fù)合材料飛機(jī)制造商。DA40是由鉆石飛機(jī)公司推出的一種活塞式飛機(jī)，2000年獲得認(rèn)證并投產(chǎn)。

Da40飛機(jī)采用了大量的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，如機(jī)身、機(jī)翼等。機(jī)身由2個半機(jī)身和1個中間部件粘接而成，為玻璃纖維增強(qiáng)材料（GFRP）半硬殼式結(jié)構(gòu)，部分區(qū)域使用碳纖維增強(qiáng)材料（CFRP），使機(jī)身具有足夠的強(qiáng)度和剛度，又最大限度減輕飛機(jī)自重。駕駛艙門為碳纖維材料，內(nèi)、外框用樹脂粘接而成；機(jī)翼采用半硬殼式結(jié)構(gòu)，有2個碳纖維材料工字梁；腹板用GFRP和夾芯結(jié)構(gòu)組成，夾芯結(jié)構(gòu)的上、下翼面蒙皮，夾芯為硬質(zhì)閉孔泡沫；翼肋為GFRP。

值得一提的是，山東“濱奧飛機(jī)制造有限公司”生產(chǎn)的鉆石DA40型飛機(jī)復(fù)合材料的使用率達(dá)97%，是目前世界上復(fù)合材料使用率最高的飛機(jī)，該機(jī)于2008年12月4日舉行了自主生產(chǎn)批量交付儀式。

4 通用飛機(jī)用復(fù)合材料發(fā)展趨勢[7， 13，14]

我國航空復(fù)合材料技術(shù)的研究工作取得了可觀的成果并積累了寶貴的經(jīng)驗，復(fù)合材料的垂直尾翼、水平尾翼、前機(jī)身等已在多種型號通用飛機(jī)上使用。機(jī)翼、直升機(jī)旋翼、尾梁等主承力結(jié)構(gòu)也已裝機(jī)試飛成功。

今后，通用飛機(jī)用復(fù)合材料可以在以下6個方面得到發(fā)展：

1）高性能化。國內(nèi)外先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料發(fā)展主要圍繞提高工作溫度、改善濕/熱性能和增大斷裂韌性等幾個關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行。因此，通用飛機(jī)用復(fù)合材料的高性能化趨勢主要體現(xiàn)在力學(xué)、耐熱和耐環(huán)境性等方面。

2）結(jié)構(gòu)/功能一體化。通用飛機(jī)用先進(jìn)復(fù)合材料將逐步實現(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料與功能復(fù)合材料的一體化，即結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的功能化和功能復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)化，向結(jié)構(gòu)/功能（多功能）一體化方向發(fā)展。先進(jìn)復(fù)合材料應(yīng)至少具備2種或2種以上功能，如承力/耐高溫/減振、結(jié)構(gòu)/阻尼/減振、承力/減振/降噪一體化是通用飛機(jī)結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料的重要發(fā)展方向。

3）智能化。智能化是通用飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計亟需關(guān)注的研究方向。開發(fā)飛機(jī)結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料自感知、自診斷、自修復(fù)和自適應(yīng)智能化技術(shù)，可以實現(xiàn)復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)噪聲抑制、振動控制、主動變形和性能監(jiān)測。

4）低成本化。通用飛機(jī)制造商、復(fù)合材料供應(yīng)商、科研機(jī)構(gòu)和高等院校以及航空機(jī)構(gòu)（航空局、宇航局和航空公司）要精誠合作，努力實現(xiàn)“制造技術(shù)、設(shè)計方法和全壽命”低成本化，進(jìn)一步拓寬復(fù)合材料在通用飛機(jī)上的應(yīng)用范圍。

5）制造過程數(shù)字化。發(fā)展通用飛機(jī)用復(fù)合材料制造過程模擬與工藝參數(shù)優(yōu)化技術(shù)，實現(xiàn)復(fù)合材料制造過程數(shù)字化與飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)字化趨向相適應(yīng)，減少試驗次數(shù)，縮短研制周期，節(jié)約研發(fā)資金，降低廢品率及提高生產(chǎn)效率。

6）設(shè)計制造一體化。采用全新的設(shè)計理念和手段，將設(shè)計和制造融為一體，是通用飛機(jī)用復(fù)合材料發(fā)展的又一個重要趨勢。

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