復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在MA700飛機(jī)上的應(yīng)用

王新年，姚雄華

(中航工業(yè)一飛院，西安710089)

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在MA700飛機(jī)上的應(yīng)用

王新年，姚雄華

(中航工業(yè)一飛院，西安710089)

闡述了MA700飛機(jī)采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的必要性，介紹了當(dāng)前國外渦槳支線飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用情況，以及國內(nèi)民用飛機(jī)復(fù)合材料應(yīng)用及技術(shù)發(fā)展情況，并對MA700飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用的指導(dǎo)思想、材料和工藝方法選用、先進(jìn)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)應(yīng)用等方面情況進(jìn)行了說明，并從安全性、設(shè)計(jì)與制造能力、成本與效益、關(guān)鍵技術(shù)及解決途徑等方面，對MA700飛機(jī)復(fù)合材料應(yīng)用方案可行性進(jìn)行了綜合論證。在MA700飛機(jī)的設(shè)計(jì)過程中，安全性、長服役壽命、最小重量、可維護(hù)性4個主要方面的性能是必須要考慮的。MA700飛機(jī)應(yīng)用復(fù)合材料是我國航空實(shí)現(xiàn)跨越發(fā)展的迫切需求，同時(shí)也是我國航空復(fù)合材料發(fā)展到了一定程度的必然結(jié)果。MA700飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用方案的制定以國內(nèi)設(shè)計(jì)、制造能力為基礎(chǔ)，借鑒國外飛機(jī)復(fù)合材料應(yīng)用和國內(nèi)轉(zhuǎn)包生產(chǎn)的成功經(jīng)驗(yàn)，切合實(shí)際，具有可行性。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)；MA700渦槳支線飛機(jī)；應(yīng)用可行性

0 前言

飛機(jī)設(shè)計(jì)的研究和發(fā)展一直與采用性能優(yōu)越的新材料密切相關(guān)，材料的變革會引起飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重大變革。減輕結(jié)構(gòu)重量、提高飛機(jī)性能是飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師追求的永恒目標(biāo)。近年來，各航空大國為實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的高結(jié)構(gòu)效率和改善飛機(jī)氣動彈性等綜合性能，對新型航空材料開展了廣泛、深入的研究，在新型號和改進(jìn)型號中不同程度地并盡可能多地應(yīng)用新型航空材料[1]。

先進(jìn)復(fù)合材料屬于新型航空材料，是指結(jié)構(gòu)性能相當(dāng)或優(yōu)于鋁合金的復(fù)合材料。先進(jìn)復(fù)合材料是60年代后期崛起的一種新型材料，具有比強(qiáng)度和比剛度高、可設(shè)計(jì)性好、耐介質(zhì)腐蝕性好、疲勞特性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，一經(jīng)問世就顯示出了強(qiáng)大的生命力。目前，先進(jìn)復(fù)合材料在航空航天結(jié)構(gòu)上獲得了廣泛的應(yīng)用。90年代以來，新研制飛機(jī)中復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)用比例逐步加大，已明顯出現(xiàn)了飛機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料化趨勢，“復(fù)合材料是航空航天結(jié)構(gòu)的未來”的觀點(diǎn)正在或已經(jīng)形成。隨著航空航天工業(yè)的發(fā)展，復(fù)合材料的品種、性能及相應(yīng)的設(shè)計(jì)、工藝技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展[2]。

MA700飛機(jī)是一型以渦槳發(fā)動機(jī)為動力的中、短程先進(jìn)支線飛機(jī)，擁有我國自主知識產(chǎn)權(quán)、能夠滿足國內(nèi)外市場需求，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性領(lǐng)先于競爭對手，滿足CAAC、FAA適航要求的新一代70座級國產(chǎn)先進(jìn)渦槳支線飛機(jī)。為了滿足飛機(jī)的高定位要求，提高結(jié)構(gòu)效率，保證飛機(jī)性能，適應(yīng)當(dāng)今飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展趨勢，應(yīng)該盡可能多地采用先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，加大復(fù)合材料的應(yīng)用比例，并通過MA700飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)用同時(shí)帶動國內(nèi)民用飛機(jī)復(fù)合材料技術(shù)水平的發(fā)展。

1 國外先進(jìn)民機(jī)復(fù)合材料應(yīng)用概況

1.1 歐美國家復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展策略

歐美國家航空復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展采用的策略是：根據(jù)技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用需求制定一系列研究計(jì)劃，根據(jù)研究計(jì)劃開展材料、設(shè)計(jì)、工藝及應(yīng)用等研究，再將成熟、可靠的技術(shù)轉(zhuǎn)移到民用飛機(jī)制造業(yè)，從而促進(jìn)關(guān)鍵航空技術(shù)快速發(fā)展，保持世界領(lǐng)先地位。復(fù)合材料在國外先進(jìn)軍用飛機(jī)上的應(yīng)用水平在上世紀(jì)末產(chǎn)生飛躍，進(jìn)入21世紀(jì)，這種飛躍同時(shí)出現(xiàn)在對結(jié)構(gòu)可靠性和經(jīng)濟(jì)可承受性具有苛刻要求的民用飛機(jī)上。

1.2 復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用里程劃分

以美國為例，復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用里程大致可分為以下4個階段[3]：

(1) 第一階段是應(yīng)用于受力不大、形狀簡單的零部件，如艙門、口蓋、整流罩、方向舵、襟翼、副翼、雷達(dá)罩、起落架艙門等，該階段于70年代中期結(jié)束。

(2) 第二階段是應(yīng)用于受力大、規(guī)模較大的部件，如安定面、全動平尾、前機(jī)身段、鴨翼等，該階段于90年代中期結(jié)束。

(3) 第三階段是應(yīng)用于受力復(fù)雜、規(guī)模大的部件，如機(jī)翼翼盒、中機(jī)身段等，該階段于90年代末開始。

(4) 第四階段是應(yīng)用于受力很大的部件，用以代替鋼結(jié)構(gòu)，如起落架后撐桿、直升機(jī)起落架等，該階段于21世紀(jì)初開始。

1.3 復(fù)合材料在國外渦槳支線飛機(jī)上的應(yīng)用

目前運(yùn)營的國外渦槳支線飛機(jī)主要有ATR72飛機(jī)和Q400飛機(jī)。

1.3.1 復(fù)合材料在ATR72飛機(jī)上的應(yīng)用

ATR72項(xiàng)目1986年正式啟動，1989年9月通過法國適航當(dāng)局適航審定，同年11月取得FAA適航證。ATR72飛機(jī)大量采用復(fù)合材料，復(fù)合材料應(yīng)用比例約為22%，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)用擴(kuò)展到尾翼、外翼翼盒主結(jié)構(gòu)。在民用飛機(jī)發(fā)展史上，ATR72飛機(jī)外翼翼盒第一次實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料在飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。ATR72飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用情況見圖1。

1.3.2 復(fù)合材料在Q400飛機(jī)上的應(yīng)用

龐巴迪公司Q400項(xiàng)目1995年6月啟動，1998年1月31日首飛，1999年獲得美國FAA適航證，2000年初開始交付使用。Q400飛機(jī)復(fù)合材料應(yīng)用比例約為6%，應(yīng)用部位主要包括機(jī)翼和尾翼的前后緣、短艙蒙皮、翼身整流罩等次承力結(jié)構(gòu)，用量較少。Q400飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用情況見圖2。

2 國內(nèi)民用飛機(jī)復(fù)合材料應(yīng)用及技術(shù)發(fā)展情況

2.1 民用飛機(jī)復(fù)合材料應(yīng)用情況

我國民用飛機(jī)型號發(fā)展較慢，以前設(shè)計(jì)的民用飛機(jī)如運(yùn)七、運(yùn)八、運(yùn)十二等很少采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，甚至次結(jié)構(gòu)件也很少采用。

多年前在MPC-75飛機(jī)發(fā)展初期，西德MBB公司向中方轉(zhuǎn)讓了部分復(fù)合材料技術(shù)，使我國民機(jī)復(fù)合材料技術(shù)有了一定技術(shù)基礎(chǔ)。通過應(yīng)用這些技術(shù)并結(jié)合自主研發(fā)，603所、640所、西飛公司、623所等單位共同實(shí)施了運(yùn)七復(fù)合材料垂尾項(xiàng)目，將運(yùn)七垂尾和方向舵的大部分金屬結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)成復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，前后歷時(shí)八年，完成了項(xiàng)目論證、設(shè)計(jì)、選型實(shí)驗(yàn)、強(qiáng)度分析、制造裝配、適航審定試驗(yàn)(包括組件試驗(yàn)、雷擊試驗(yàn)、濕熱環(huán)境條件下的全尺寸損傷容限試驗(yàn)、剩余強(qiáng)度試驗(yàn)、地面振動試驗(yàn))及裝機(jī)試飛，取到了適航審定中心頒發(fā)的單機(jī)適航證。但由于各種因素，復(fù)合材料垂尾沒有進(jìn)行批量生產(chǎn)，因此也就沒能取得復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的使用經(jīng)驗(yàn)。之后由于沒有型號需求，民機(jī)復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展緩慢。

ARJ21-700飛機(jī)的復(fù)合材料用量較小，約占結(jié)構(gòu)總重的1%，應(yīng)用部位也主要是方向舵、擾流板、翼稍小翼、機(jī)翼機(jī)身整流罩等次承力部件；在ARJ21-900飛機(jī)預(yù)研工作中，結(jié)合國家民機(jī)專項(xiàng)科研項(xiàng)目的支持，對復(fù)合材料全尺寸尾翼研究工作進(jìn)行了課題立項(xiàng)，目前已完成了試驗(yàn)件制造和強(qiáng)度試驗(yàn)工作。

正在研制的C919飛機(jī)的尾翼翼盒、襟翼、副翼、方向舵、升降舵等部位應(yīng)用復(fù)合材料，復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中的應(yīng)用比例約為18%。

2.2 材料及基礎(chǔ)技術(shù)研究

國內(nèi)碳纖維研發(fā)已取得突破性進(jìn)展。國產(chǎn)碳纖維CCF-1經(jīng)綜合評定，其性能達(dá)到了日本東麗公司T300量級纖維的水平，并已基本完成了軍用飛機(jī)結(jié)構(gòu)工程化應(yīng)用研究工作，進(jìn)入批生產(chǎn)階段，基本上滿足了武器裝備研制對碳纖維材料的需求。航空工業(yè)系統(tǒng)中621所、623所、625所及有關(guān)生產(chǎn)廠為適應(yīng)軍機(jī)型號研制要求，在復(fù)合材料樹脂體系、試驗(yàn)驗(yàn)證、成形工藝技術(shù)、檢測及修補(bǔ)技術(shù)等方面進(jìn)行了研究并取得了一定發(fā)展，部分產(chǎn)品已在飛機(jī)上應(yīng)用。盡管這些技術(shù)與民機(jī)要求還有一定差距，但為我國民機(jī)復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

在基礎(chǔ)研究工作方面，工信部相關(guān)部門已完成了多項(xiàng)國防科技工業(yè)民機(jī)科研項(xiàng)目，通過發(fā)揮全行業(yè)技術(shù)優(yōu)勢，對復(fù)合材料在飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼等主承力構(gòu)件中的應(yīng)用所需要的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

近年來，國內(nèi)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)研制單位積極參與國際合作，加強(qiáng)對外交流，促進(jìn)了國內(nèi)復(fù)合材料應(yīng)用能力的提高，縮短了與國外在同類技術(shù)方面的差距。先后獲得了B787飛機(jī)方向舵、垂尾前緣、翼身整流罩，以及B747-8復(fù)材內(nèi)襟翼等部件制造權(quán)；西飛公司與美國古德里奇公司合資成立股份公司主要從事于復(fù)合材料短艙研制業(yè)務(wù)；西飛公司成功收購了奧地利FACC公司，并且雙方共同建立了菲舍爾(鎮(zhèn)江)公司；哈飛公司與空客聯(lián)合成立研制基地，主要用于A350 XWB飛機(jī)復(fù)材件的制造等。

3 MA700飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用

3.1 指導(dǎo)思想

制定MA700飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用方案的指導(dǎo)思想是：以國外同類飛機(jī)的成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，以較大幅度的降低結(jié)構(gòu)重量和降低飛機(jī)全壽命周期成本為目標(biāo)，考慮國內(nèi)設(shè)計(jì)、工藝技術(shù)水平和可能的國際合作因素。

3.2 材料選用和工藝方法

考慮適航對飛機(jī)材料的嚴(yán)格要求，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的原材料將選用國外民用飛機(jī)上已成熟應(yīng)用的材料。

3.2.1 材料選用

原材料類型主要包括：纖維、樹脂、預(yù)浸料、蜂窩芯材、泡沫芯材、膠粘劑、防雷擊銅箔網(wǎng)。

3.2.2 結(jié)構(gòu)形式

結(jié)構(gòu)形式主要有：環(huán)氧實(shí)體層壓加筋板結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)纖維/芳綸紙蜂窩(泡沫)夾層壁板、全高度碳纖維/芳綸紙蜂窩(泡沫)夾層結(jié)構(gòu)。

3.2.3 成形工藝方法

零件制造成形工藝方法主要采用手工鋪貼和熱壓罐工藝，尾翼盒段壁板采用自動鋪帶方式鋪貼，擾流板采用真空輔助樹脂滲透工藝(VARI)低成本生產(chǎn)工藝技術(shù)。

3.3 結(jié)構(gòu)應(yīng)用部位

MA700飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)占機(jī)體結(jié)構(gòu)重量的比例約為15%，與金屬結(jié)構(gòu)相比，減重目標(biāo)為10%～15%。

MA700飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用主要部位見圖3，具體應(yīng)用情況見表1。

表1 MA700飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用情況

3.4 先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用

3.4.1 大型復(fù)合材料主結(jié)構(gòu)整體化設(shè)計(jì)

復(fù)合材料成本過高仍是制約飛機(jī)結(jié)構(gòu)大量應(yīng)用復(fù)合材料的障礙，復(fù)合材料成本70%以上來自制造工藝。目前，國外復(fù)合材料應(yīng)用的最新理念是整體化設(shè)計(jì)與制造。復(fù)合材料整體化技術(shù)的意義在于可以通過減少零件數(shù)目、緊固件數(shù)量和協(xié)調(diào)/連接裝配工作量進(jìn)一步減輕結(jié)構(gòu)重量，降低成本。同時(shí)，由于連接釘釘孔數(shù)量減少，可改善結(jié)構(gòu)的承載能力，采用整體成型技術(shù)還可以減少結(jié)構(gòu)分段、對接、間隙和臺階，使機(jī)體表面更加光滑，提高結(jié)構(gòu)氣動表面質(zhì)量。

MA700飛機(jī)大型復(fù)合材料主結(jié)構(gòu)整體化設(shè)計(jì)的典型構(gòu)件為平尾盒段壁板和平尾后梁。MA700飛機(jī)尾翼采用“T”型尾翼，水平尾翼固定在垂直尾翼頂部，平尾盒段采用梁肋式結(jié)構(gòu)布局，無設(shè)計(jì)工藝分離面和工藝分離面；上下壁板和后梁為左右貫通整體結(jié)構(gòu)形式，壁板筋條截面為“T”形，后梁截面為“[”形，材料選用CYCOM 977-2-35-12KHTS-134和M21/34%/UD134/AS7-12K高溫固化增韌環(huán)氧樹脂標(biāo)模碳纖維單向帶預(yù)浸料，材料幅寬150 mm。上下壁板長度輪廓尺寸為8.64 m，最大寬度尺寸約為0.95 m，最小寬度尺寸約為0.42 m；蒙皮最大厚度尺寸為4 mm；后梁長度輪廓尺寸為9.14 m，最大高度尺寸約為0.21 m，最小寬度尺寸約為0.15 m；緣條最大厚度尺寸為6 mm。

MA700飛機(jī)平尾盒段壁板和平尾后梁結(jié)構(gòu)示意圖見圖4。

3.4.2 新型多功能結(jié)構(gòu)材料與緊固件的應(yīng)用

對于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，由于復(fù)合材料的低導(dǎo)熱率和高阻抗，遭受雷擊時(shí)比金屬結(jié)構(gòu)更容易破壞，同時(shí)，未受保護(hù)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)對機(jī)載電子、電氣系統(tǒng)電磁屏蔽保護(hù)能力一般不如金屬，因此進(jìn)行MA700飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須采取有效的措施，解決閃電防護(hù)問題。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)閃電防護(hù)常采用金屬箔、噴涂鋁、金屬絲網(wǎng)三類雷擊防護(hù)層，金屬絲網(wǎng)系統(tǒng)防護(hù)效能最優(yōu)。目前金屬絲網(wǎng)主要包括鋁網(wǎng)和銅網(wǎng)兩種，空客經(jīng)過多年研究，認(rèn)為采用了銅箔材料代替由極細(xì)銅絲組成的導(dǎo)電網(wǎng)的傳統(tǒng)作法，可以保證良好的導(dǎo)電性能而又減重，該技術(shù)成果在A350XWB飛機(jī)上已成功應(yīng)用[4]。MA700飛機(jī)主要采用銅箔材料進(jìn)行復(fù)合材料的閃電防護(hù)，并采用襯套螺栓作為導(dǎo)電釘與銅箔網(wǎng)、金屬條帶、搭鐵線構(gòu)成導(dǎo)電通路。

襯套螺栓是一種高強(qiáng)度，高抗疲勞的緊固件。最早設(shè)計(jì)使用在高載荷區(qū)域。之后被波音等公司選用用于復(fù)合材料的連接，在復(fù)合材料上連接可以起到填滿安裝孔，分散載荷，提高強(qiáng)度，增強(qiáng)抗疲勞能力以及防雷擊的作用。

雷擊防護(hù)用銅箔網(wǎng)與襯套螺栓示意圖見圖5。

前期已完成了標(biāo)準(zhǔn)平板試件的大電流直接效應(yīng)試驗(yàn)、掃掠通路試驗(yàn)及壓縮剩余強(qiáng)度試驗(yàn)等項(xiàng)目的雷擊模擬選型試驗(yàn)，試驗(yàn)取得良好效果，可以認(rèn)為所選用的銅箔網(wǎng)能夠滿足雷電防護(hù)要求。目前正在進(jìn)行復(fù)合材料典型結(jié)構(gòu)雷電防護(hù)選型試驗(yàn)，主要驗(yàn)證結(jié)構(gòu)導(dǎo)電通路電流傳導(dǎo)的有效性和可靠性。

復(fù)合材料典型結(jié)構(gòu)雷電防護(hù)選型試驗(yàn)件示意圖見圖6。

3.5 先進(jìn)制造技術(shù)應(yīng)用

3.5.1 蒙皮自動鋪帶技術(shù)

整體成型技術(shù)已廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料構(gòu)件的制造，當(dāng)復(fù)合材料零件的尺寸較大時(shí)，人工鋪層難度大、產(chǎn)品質(zhì)量也難以保證，因此，相應(yīng)的自動鋪帶技術(shù)(ATL)和纖維自動鋪放技術(shù)(AFP)等自動化制造技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

MA700飛機(jī)尾翼復(fù)合材料整體壁板結(jié)構(gòu)尺寸較大，不適于手工制造，只能采用自動鋪帶制造技術(shù)。目前已開展全尺寸平尾盒段下壁板試驗(yàn)件的工藝驗(yàn)證試驗(yàn)工作。自動鋪帶技術(shù)工藝設(shè)備示意圖見圖7。

3.5.2 VARI低成本成形技術(shù)

復(fù)合材料液體成型工藝是目前在汽車、航空以及船舶制造業(yè)應(yīng)用的、最重要的復(fù)合材料低成本生產(chǎn)工藝之一[5]。

由于液體成型工藝具有因?yàn)檩^低的材料成本和材料固化成本等眾多的優(yōu)點(diǎn)，在歐美復(fù)合材料結(jié)構(gòu)研究開發(fā)計(jì)劃中受到重點(diǎn)關(guān)注。目前，VARI工藝是較成熟的低成本成形工藝技術(shù)，國外兩大民用飛機(jī)主要生產(chǎn)廠家波音與空客都己經(jīng)起步，將液體成型工藝分別應(yīng)用于新機(jī)型波音787(襟翼、副翼等)以及空客A380(艙壁)上。國內(nèi)液體成型技術(shù)尚處于技術(shù)積累及推廣應(yīng)用階段，復(fù)合材料液體成型工藝在民機(jī)上的應(yīng)用還是空白。

MA700飛機(jī)擾流板由擾流板本體和三個接頭組件組成，結(jié)構(gòu)示意圖見圖8。

擾流板本體結(jié)構(gòu)為泡沫夾層整體結(jié)構(gòu)形式，材料選用RTM6-2/G0926碳纖維環(huán)氧樹脂材料，采用VARI工藝制造。目前已完成全尺寸試驗(yàn)件的制造和承載能力試驗(yàn)，依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果基本可證明VARI工藝在擾流板本體結(jié)構(gòu)應(yīng)用具有較強(qiáng)的可行性。

3.5.3 先進(jìn)裝配連接技術(shù)

飛機(jī)裝配中的連接質(zhì)量極大地影響飛機(jī)壽命。為了實(shí)現(xiàn)飛機(jī)長壽命、高可靠性的設(shè)計(jì)目標(biāo)，MA700飛機(jī)關(guān)鍵與重要區(qū)域復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件采用自動鉆鉚工藝方法進(jìn)行制孔和連接裝配[6]。

機(jī)械連接仍將是MA700飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)主要連接方法，包括鉚接和螺接等，而螺接包括普通螺栓連接和高鎖螺栓等特種緊固件連接。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)連接一直是復(fù)合材料應(yīng)用中的薄弱環(huán)節(jié)，制約著復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用。

實(shí)施自動鉆鉚技術(shù)不只是工藝機(jī)械化、自動化的要求，更主要是飛機(jī)本身性能的要求[7]。關(guān)鍵、重要連接區(qū)采用手工鉚接難以保證穩(wěn)定的連接質(zhì)量，自動鉆鉚技術(shù)能高質(zhì)量、高效率的安裝緊固件，特別是能滿足現(xiàn)代飛機(jī)高疲勞壽命、高營運(yùn)經(jīng)濟(jì)效益的要求。西方航空發(fā)達(dá)國家已研發(fā)了大量復(fù)合材料自動鉆鉚設(shè)備，并得到良好應(yīng)用。

目前已開展了相關(guān)MA700飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)自動鉆鉚工藝驗(yàn)證試驗(yàn)，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)自動鉆鉚工藝設(shè)備示意圖見圖9。

3.6 數(shù)字化設(shè)計(jì)/制造/管理一體化技術(shù)應(yīng)用

在MA700飛機(jī)設(shè)計(jì)中，全面采用三維數(shù)字化定義(DPD)、數(shù)字化預(yù)裝機(jī)(DPA)和并行工程(CE)，基本實(shí)現(xiàn)無紙?jiān)O(shè)計(jì)，建立從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)到管理的全數(shù)字化信息流。

4 應(yīng)用可行性分析

4.1 安全性分析

波音公司公布B787飛機(jī)使用50%復(fù)合材料之初，空客曾懷疑過其安全性。但美國人認(rèn)為是安全的，因?yàn)閺纳鲜兰o(jì)70年代至今，復(fù)合材料在飛機(jī)上已經(jīng)應(yīng)用了40多年，在各方面做了很多實(shí)驗(yàn)，技術(shù)也已十分成熟，將用量擴(kuò)大至50%是安全的；同時(shí)復(fù)合材料已接受了軍用飛機(jī)多年的實(shí)踐檢驗(yàn)，證明完全可以確保它的安全性，使用了60%復(fù)合材料的B2遠(yuǎn)程戰(zhàn)略轟炸機(jī)在美國空軍服役已超過20年?？湛凸居捎谑艿讲ㄒ艄緩?fù)合材料高用量的威脅，將繼A380之后的下一代商用飛機(jī)A350XWB的復(fù)合材料用量由最初的37%提高到52%，以形成與B787飛機(jī)的競爭。ATR72飛機(jī)1988年首飛，復(fù)合材料應(yīng)用比例約為22%，到目前已安全飛行20多年。

國內(nèi)外復(fù)合材料應(yīng)用情況表明，軍機(jī)、民機(jī)從未發(fā)生過因大量使用復(fù)合材料而造成的飛行事故。MA700飛機(jī)復(fù)合材料部件與組件將通過精細(xì)化的設(shè)計(jì)與分析、可控的材料體系與制造工藝及積木式的試驗(yàn)驗(yàn)證工作，確保研發(fā)質(zhì)量。因此，MA700飛機(jī)應(yīng)用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)是安全的。

4.2 設(shè)計(jì)與制造能力分析

國內(nèi)目前已經(jīng)積累了一定的復(fù)合材料技術(shù)基礎(chǔ)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度分析、制造、檢測和試驗(yàn)等方面都具有一定的水平和經(jīng)驗(yàn)，可以說達(dá)到了尾翼級部件應(yīng)用復(fù)合材料的設(shè)計(jì)、制造能力。此外，多年來對外國際合作形成的成果和國外民機(jī)研制經(jīng)驗(yàn)，可以供MA700飛機(jī)應(yīng)用復(fù)合材料借鑒。開發(fā)和應(yīng)用國外先進(jìn)國家比較成熟的技術(shù)，聘請國外專家進(jìn)行技術(shù)咨詢，進(jìn)行適當(dāng)?shù)膰H合作等，都可以提高M(jìn)A700飛機(jī)復(fù)合材料技術(shù)的起點(diǎn)和降低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

中航工業(yè)復(fù)材中心、哈飛、成飛、沈飛及西飛公司在復(fù)合材料成形工藝技術(shù)方面都積累了較豐富的經(jīng)驗(yàn)；623所有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)方面的經(jīng)驗(yàn)；603所和640所有民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)；601和611所有軍機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)/分析的經(jīng)驗(yàn)。隨著近年來國內(nèi)主要航空單位對復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)的日益重視，不斷加大資金投入，軟件和工藝設(shè)備配置規(guī)模和質(zhì)量都有較大程度的提高，能夠滿足大型復(fù)雜主承力復(fù)合材料構(gòu)件制造對硬件建設(shè)方面的需求，與國外發(fā)達(dá)國家的差距明顯縮小。

因此，充分利用國內(nèi)設(shè)計(jì)、制造力量，必要時(shí)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膰H合作，MA700飛機(jī)應(yīng)用復(fù)合材料的目標(biāo)是能夠?qū)崿F(xiàn)的。

4.3 材料選用分析

國內(nèi)研制的幾類不同性能的樹脂體系已在軍用飛機(jī)上應(yīng)用。國產(chǎn)碳纖維CCF-1經(jīng)過綜合評定，性能已達(dá)到了日本T300量級纖維的水平，已基本完成了軍用飛機(jī)結(jié)構(gòu)工程化應(yīng)用研究工作，進(jìn)入批生產(chǎn)階段，基本上滿足了武器裝備研制對碳纖維材料的需求。

但是，國產(chǎn)碳纖維和樹脂體系都沒有取得適航部門的認(rèn)證，而這個認(rèn)證過程需完成大量多批次的測試工作，周期漫長且費(fèi)用很高，難以滿足MA700飛機(jī)的研制要求。所以，MA700飛機(jī)復(fù)合材料原材料(包括樹脂、纖維和預(yù)浸料等)需從國外專業(yè)材料公司進(jìn)口。

美國的Hexcel公司和Cytec公司為全球知名的復(fù)合材料供應(yīng)商，均取得了美國FAA適航認(rèn)證，其產(chǎn)品為多家飛機(jī)制造公司選用(例如波音、空客等)，在國內(nèi)轉(zhuǎn)包生產(chǎn)中也已經(jīng)應(yīng)用。Hexcel公司和Cytec公司已在中國的天津、上海建預(yù)浸料廠，分別為中國的葉片和大飛機(jī)生產(chǎn)提供預(yù)浸料。Hexcel公司和Cytec公司的復(fù)合材料能夠滿足MA700飛機(jī)復(fù)合材料選材要求，材料進(jìn)口途徑暢通，同時(shí)為飛機(jī)取得CAAC/FAA適航證創(chuàng)造了有利條件。

由于復(fù)合材料所具有的特殊性，設(shè)計(jì)、工藝、標(biāo)準(zhǔn)等部門應(yīng)成立聯(lián)合工作，制定MA700飛機(jī)復(fù)合材料標(biāo)準(zhǔn)和工藝文件，形成復(fù)合材料應(yīng)用的體系文件。有轉(zhuǎn)包生產(chǎn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)體系文件的借鑒，以及ARJ21和C919飛機(jī)研究成果的支持，相信能夠解決MA700飛機(jī)復(fù)合材料材料供應(yīng)渠道和體系文件的建立。

4.4 成本效益分析

4.4.1 復(fù)合材料的特點(diǎn)

與鋁合金結(jié)構(gòu)相比較，復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)主要有：(1)重量輕；(2)抗腐蝕性好；(3)抗疲勞損傷性能好；(4)機(jī)械加工量少；(5)可設(shè)計(jì)性好，可按所需強(qiáng)度或剛度方向確定纖維方向；(6)適合生產(chǎn)形狀復(fù)雜或混合固化零件；(7)適用于整體結(jié)構(gòu)，組合件數(shù)量和緊固件數(shù)量均減少。

與鋁合金結(jié)構(gòu)相比較，復(fù)合材料的缺點(diǎn)主要有：(1)材料及制造成本高；(2)需通過大量試驗(yàn)確定材料及設(shè)計(jì)許用值；(3)受濕熱影響，機(jī)械特性會降低；(4)抗沖擊損傷特性差；(5)雷電防護(hù)設(shè)計(jì)技術(shù)要求較高[3]。

4.4.2 成本效益分析

民用飛機(jī)復(fù)合材料應(yīng)用的高成本主要體現(xiàn)在形成工程和工藝數(shù)據(jù)庫的高成本、較高的取證費(fèi)用、加工成本費(fèi)用、以及可能給航空公司帶來的飛機(jī)使用和維護(hù)成本的增加。波音、空客等飛機(jī)公司對于復(fù)合材料的應(yīng)用進(jìn)行了大量材料和制造成本的分析，在開展大量前期研究的基礎(chǔ)上，逐步推進(jìn)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中應(yīng)用。從波音、空客、ATR等公司的研究和應(yīng)用結(jié)果看，飛機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)用復(fù)合材料是實(shí)現(xiàn)機(jī)體結(jié)構(gòu)減重、實(shí)現(xiàn)機(jī)體結(jié)構(gòu)高效率和降低直接運(yùn)營成本的有效途徑，應(yīng)用復(fù)合材料具有較高的性價(jià)比，能夠降低整個壽命期飛行成本，為航空公司帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益，飛機(jī)產(chǎn)品具有更強(qiáng)的競爭力。因此，盡管前期研究成本很高，但綜合效益較好。

MA700飛機(jī)應(yīng)用復(fù)合材料的效益如何？飛機(jī)性能改善和研制成本的關(guān)系如何？由于國內(nèi)復(fù)合材料的研究和應(yīng)用起步較晚，一些關(guān)鍵/基礎(chǔ)技術(shù)還處于研究階段，原材料還依賴進(jìn)口，因此，效益問題目前還無法定量給出。但通過國外復(fù)合材料的應(yīng)用，明顯看出了復(fù)合材料的發(fā)展和應(yīng)用趨勢，應(yīng)用復(fù)合材料所帶來的良好效益是肯定的。

可以預(yù)見，在MA700飛機(jī)上逐步、適量的應(yīng)用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，必將帶來好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

4.5 關(guān)鍵技術(shù)及解決途徑

長期以來，國外主要航空大國投入了大量人力、物力開展復(fù)合材料應(yīng)用研究，到目前已基本解決了飛機(jī)型號中的關(guān)鍵技術(shù)問題，能夠滿足適航對飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的要求。復(fù)合材料應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)目前仍為國外公司控制，與國內(nèi)技術(shù)的與國內(nèi)技術(shù)的交流受到限制。

國內(nèi)對復(fù)合材料的研究一直沒有間斷，但由于組織體系等原因，未能形成較為系統(tǒng)并可工程應(yīng)用的研究成果。近年來，國家加大了對復(fù)合材料應(yīng)用的研究力度，部分關(guān)鍵技術(shù)研究已取得突破性進(jìn)展，可望在飛機(jī)型號中應(yīng)用。

MA700飛機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)用復(fù)合材料需要解決以下關(guān)鍵技術(shù)并完成相應(yīng)工作：(1)材料體系、材料性能及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)許用值的確定。(2)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析和設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)。(3)低成本設(shè)計(jì)和制造技術(shù)。(4)雷電與靜電防護(hù)設(shè)計(jì)技術(shù)。(5)大型復(fù)雜復(fù)合材料加筋整體壁板成形工藝。(6)真空輔助樹脂滲透工藝(VARI)低成本成形工藝。(7)結(jié)構(gòu)損傷維修和修理技術(shù)。(8)適航驗(yàn)證技術(shù)。

解決上述關(guān)鍵技術(shù)，完成相關(guān)工作，要充分利用國內(nèi)資源，總結(jié)已有成果，必要時(shí)適當(dāng)進(jìn)行國際合作。為解決以上MA700飛機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)，制訂了攻關(guān)計(jì)劃并開展了相關(guān)研究和試驗(yàn)工作，現(xiàn)已取得階段性成果。

5 結(jié)束語

(1) 在MA700飛機(jī)的設(shè)計(jì)過程中，安全性、長服役壽命、最小重量、可維護(hù)性四個主要方面的性能是必須要考慮的。在MA700飛機(jī)上應(yīng)用復(fù)合材料是我國航空實(shí)現(xiàn)跨越發(fā)展的迫切需求，同時(shí)也是我國航空復(fù)合材料發(fā)展到了一定程度的必然結(jié)果。

(2) MA700飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用方案的制定以國內(nèi)設(shè)計(jì)、制造能力為基礎(chǔ)，借鑒國外飛機(jī)復(fù)合材料應(yīng)用和國內(nèi)轉(zhuǎn)包生產(chǎn)的成功經(jīng)驗(yàn)；該方案切合實(shí)際，具有可行性；與國外同類飛機(jī)相比，MA700飛機(jī)復(fù)合材料用量低于ATR72飛機(jī)，高于Q400飛機(jī)，主要是為了適應(yīng)MA700飛機(jī)總體設(shè)計(jì)目標(biāo)和要求需要，以便得到更好的性能價(jià)格比，滿足項(xiàng)目成功需要。

[1]中國航空研究院.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊[M].北京：航空工業(yè)出版社，2001：1-2.

[2]楊乃賓，章怡寧.復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2002：2-3.

[3]沈真.復(fù)合材料及其在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用論文[C].先進(jìn)復(fù)合材料制造技術(shù)培訓(xùn)，哈爾濱，2011：5-8.

[4]陳亞莉.A350XWB的選材思路分析論文[C].航空復(fù)合材料專家論壇，西安，2009：2-38.

[5]牛春勻.實(shí)用飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造[M].北京：航空工業(yè)出版社，2010：17-18.

[6]中國航空研究院.復(fù)合材料連接設(shè)計(jì)手冊[M].北京：航空工業(yè)出版社，2014：223-225.

Application of Composite Structures in MA700 Aircraft

Wang Xinnian，Yao Xionghua

(FAI-AVIC，Xi’an 710089)

This paper expounds the necessity of using composite structures in MA700 aircraft，and introduces the application situation of composite structures in current foreign turboprop regional aircrafts and the application and technological developments of composites in domestic civil aircrafts.Next，the paper describes the guidelines for using composite structures in MA700 aircraft and comprehensively demonstrates the feasibility of the scheme of using composites in MA700 aircraft in terms of safety，design and manufacturing capabilities，cost and benefit，key technologies and solutions.In the design of MA700 aircraft，the safety，long service life，minimum weight and maintenance are four main aspects that must be considered.The use of composites in MA700 aircraft is not only the urgent demand of leap-type development of Chinese airlines，but also an inevitable result of the development of China’s aviation composites to certain extent.

composite structure；MA700 turboprop regional aircraft；application feasibility

TQ171.77+7

A

2016-11-15

王新年，男，1973年生，高級工程師。主要從事飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的研究。

修回日期：2016-12-05