通用飛機(jī)的低成本研究

李春威 馬瑛劍

摘 要：通用飛機(jī)是目前世界上種類最多、數(shù)量最大、用途最廣的一類飛機(jī)，是民用航空活動(dòng)的重要工具之一。通用飛機(jī)的低成本模式已經(jīng)成為世界通用飛機(jī)制造商必須要面對(duì)和解決的問題之一。本文從通用飛機(jī)的選材、設(shè)計(jì)和制造等周期進(jìn)行分析研究，為我國(guó)通用飛機(jī)低成本發(fā)展提供研究參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：通用飛機(jī)；復(fù)合材料；低成本；設(shè)計(jì)；制造

在高油價(jià)時(shí)代，復(fù)合材料以其結(jié)構(gòu)輕巧、維修費(fèi)用低廉的優(yōu)勢(shì)極大地沖擊了鋁材承力結(jié)構(gòu)一統(tǒng)天下的局面。統(tǒng)計(jì)表明，2007年通用飛機(jī)上復(fù)合材料的用量，在總材料用量中所占比例已經(jīng)高達(dá)57%。預(yù)計(jì)未來(lái)10年這一數(shù)字將上升到69%。復(fù)合材料在通用飛機(jī)中的大量使用為復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展注入了強(qiáng)大的活力，然而復(fù)合材料的高成本成為限制其擴(kuò)大應(yīng)用與發(fā)展的主要因素之一，鑒于此，一些國(guó)家紛紛制定了低成本復(fù)合材料計(jì)劃，例如美國(guó)在低成本復(fù)合材料技術(shù)方面實(shí)施ACT（Advanced Composite Technology）計(jì)劃，使得復(fù)合材料低成本化成為復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展研究的核心問題。

1 材料的選擇

選材是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，也是低成本復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)研究的前提。通用飛機(jī)的選材應(yīng)以低成本為出發(fā)點(diǎn)，綜合考慮重量、性能等因素，與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)相適應(yīng)，合理地確定出適用于通用飛機(jī)的材料體系。另一方面，材料成本是復(fù)合材料制件總成本的重要組成部分，應(yīng)用低成本復(fù)合材料本身就是降低通用飛機(jī)成本的技術(shù)途徑之一。玻璃纖維復(fù)合材料因其價(jià)格低，并適于低成本制造技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)通用飛機(jī)低成本復(fù)合材料結(jié)構(gòu)選材的有效途徑。但對(duì)飛機(jī)的主結(jié)構(gòu)，還是要采用高性能碳纖維復(fù)合材料。碳纖維成本在材料成本中占主要份額，對(duì)材料成本有著重要的影響。飛機(jī)結(jié)構(gòu)上應(yīng)用的碳纖維，過去一直以小絲束（3K）為主，價(jià)格較高，而研究推廣低成本大絲束碳纖維的應(yīng)用可顯著降低碳纖維復(fù)合材料成本，譬如說美國(guó)西銳公司的SR20、 SR22型飛機(jī)和EPIC公司的四款公務(wù)機(jī)等通用類飛機(jī)都是以大絲束碳纖維T700-12K為飛機(jī)結(jié)構(gòu)的主要材料。

圖1 復(fù)合材料制件成本構(gòu)成圖

具體來(lái)說選擇滿足通用飛機(jī)的載荷要求的材料；

（1）關(guān)重件：選擇高性能碳纖維預(yù)浸料

（2）次承力件：選擇滿足設(shè)計(jì)要求的混雜材料（碳纖維織物與玻璃纖維織物混雜等

（3）非承力件：選擇玻璃纖維織物預(yù)浸料

在材料的選取過程中，首先選擇已經(jīng)在國(guó)外通用飛機(jī)上有所應(yīng)用的低成本材料，借鑒國(guó)外用于制造低成本通用飛機(jī)的材料體系。為了加快材料認(rèn)證進(jìn)程，優(yōu)先選擇已經(jīng)被AGATE數(shù)據(jù)庫(kù)收錄的材料體系，通過FAA可以接受的1批次材料等同性試驗(yàn)，最快的等同數(shù)據(jù)庫(kù)中材料許用值，來(lái)達(dá)到降低材料取證周期、材料費(fèi)用、試驗(yàn)費(fèi)用的目的。

2 成型工藝的選擇

2.1 中溫固化手糊成型工藝

手糊也叫層貼成型，是以手工業(yè)為主成型的復(fù)合材料制造方法。手糊成型工藝最大的特點(diǎn)是以手工操作為主，適用于多品種、大批量生產(chǎn)，且不受產(chǎn)品尺寸和形狀的限制。通過對(duì)國(guó)外通用飛機(jī)制造技術(shù)的考察了解到，針對(duì)通用飛機(jī)滿足小載荷承力要求的特點(diǎn)，現(xiàn)有主承力及部分次承力構(gòu)件均采用中溫固化手糊成型工藝制造。通過傳統(tǒng)預(yù)浸料+熱壓罐復(fù)合材料應(yīng)用體系中的高成本因素對(duì)比與低成本應(yīng)用開發(fā)的基于預(yù)浸料+固化爐的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)可以通過固化爐與熱壓罐的數(shù)據(jù)對(duì)比考察，如圖2、圖3所示：

圖2 某碳纖維預(yù)浸料推薦中溫固化工藝曲線（固化爐）

同容量固化爐與熱壓罐的數(shù)據(jù)比較如表1所示。

圖3 某碳纖維預(yù)浸料推薦的高溫固化曲線（熱壓罐）

通過以上數(shù)據(jù)可以得出：預(yù)浸料+固化爐復(fù)合材料應(yīng)用體系在繼承傳統(tǒng)預(yù)浸料優(yōu)勢(shì)和部分熱壓罐工藝特點(diǎn)的基礎(chǔ)上擺脫熱壓罐限制，消除了熱壓罐購(gòu)置和高成本的使用環(huán)節(jié)，能有效降低最終產(chǎn)品的成本，可以在通用飛機(jī)的主、次承力結(jié)構(gòu)中進(jìn)行應(yīng)用。

表1 熱壓罐、固化爐成本數(shù)據(jù)

2.2 RTM工藝

該技術(shù)已獲得了較為廣泛的應(yīng)用，是先進(jìn)復(fù)合材料低成本制造技術(shù)的主要發(fā)展方向之一。該工藝避免了預(yù)浸料的生產(chǎn)工序，能夠適應(yīng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的批量、多品種的生產(chǎn)特點(diǎn)。它可以減少裝袋的麻煩和最大程度地降低材料的浪費(fèi)。但是，在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，還要結(jié)合模具的資金投入來(lái)決定是否應(yīng)該選擇RTM工藝。

2.3 自動(dòng)鋪放技術(shù)

自動(dòng)鋪放技術(shù)包括自動(dòng)鋪帶和自動(dòng)鋪絲兩部分。目前，該技術(shù)在速度和準(zhǔn)確度上有了很大改進(jìn)，以自動(dòng)鋪放技術(shù)為代表的自動(dòng)化成型技術(shù)能夠降低生產(chǎn)成本，提高復(fù)合材料構(gòu)件質(zhì)量。但是由于應(yīng)用規(guī)模的限制，全自動(dòng)化生產(chǎn)往往會(huì)造成有限規(guī)模的復(fù)合材料成本較高。因此，一定程度上的自動(dòng)化生產(chǎn)，仍是復(fù)合材料低成本制造比較經(jīng)濟(jì)的手段。

2.4 其他

近年來(lái)，更多的復(fù)合材料低成本成形、制造方法得到了應(yīng)用，如復(fù)合材料低成本工裝等技術(shù)在近年來(lái)得到了業(yè)界專家的格外關(guān)注，國(guó)外開展了一些新的低成本方法，例如復(fù)合材料快步成型法縮短了固化時(shí)間，流動(dòng)成形法在大型零件的成型制造中大大地降低了高比強(qiáng)度復(fù)合材料的成本等等。

3 結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，通常采用整體化的設(shè)計(jì)模式，構(gòu)件的共固化、整體成型能夠成型大型整體部件，可以明顯地減少零件、緊固件和模具的數(shù)量，盡而減少工裝數(shù)量節(jié)約成本。同時(shí)，減少裝配數(shù)量既是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)減重的重要措施，也是降低其成本的有效方法，如圖1說明所示。

整體成型技術(shù)是充分發(fā)揮復(fù)合材料優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)的高效、低成本技術(shù)。在滿足結(jié)構(gòu)總體性能要求的前提下，整體成型技術(shù)可將多個(gè)零件集成為整體結(jié)構(gòu)一次固化成型，降低了成型過程中的設(shè)備使用成本和工時(shí)。整體成型技術(shù)減少了零件數(shù)量和緊固件數(shù)量，進(jìn)而減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，降低成本，特別是制造成本，是一種降低通用飛機(jī)制造成本的有效方法。目前國(guó)外大部分通用飛機(jī)都是采用整體設(shè)計(jì)和整體成型技術(shù)，中航通飛研制的幾款商務(wù)機(jī)都是采用這種技術(shù)。機(jī)身由上下兩部分分別固化成型，后經(jīng)過二次膠接成型。機(jī)翼也是由上下蒙皮膠接固化成型。

復(fù)合材料材料結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向是力求實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的整體化，但由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝、檢查維修的需要，必須安排一定的設(shè)計(jì)和工藝分離面。因此，低成本復(fù)合材料結(jié)構(gòu)連接技術(shù)是不可缺少的。但連接部位通常是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，對(duì)于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)來(lái)說，70%以上的破壞發(fā)生在連接部位。復(fù)合材料各向異性和脆性的特點(diǎn)，使復(fù)合材料連接部位的應(yīng)力集中比金屬更嚴(yán)重，連接設(shè)計(jì)較金屬結(jié)構(gòu)也更為復(fù)雜。

缺陷的存在是影響結(jié)構(gòu)完整性的一個(gè)重要因素，低成本復(fù)合材料結(jié)構(gòu)需要通過可靠的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，為低成本復(fù)合材料結(jié)構(gòu)提供質(zhì)量信息，檢測(cè)結(jié)果既可作為評(píng)價(jià)復(fù)合材料制件質(zhì)量的依據(jù)，也為工藝分析提供參考信息。無(wú)損檢測(cè)技術(shù)與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)快速制造技術(shù)已融為一體，成為影響復(fù)合材料結(jié)構(gòu)生產(chǎn)效率的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。通用飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)正向著整體化、模塊化方向發(fā)展，結(jié)構(gòu)尺寸越來(lái)越大，結(jié)構(gòu)形式愈來(lái)愈復(fù)雜。

4 結(jié)構(gòu)連接形式的選取

在傳統(tǒng)飛機(jī)的制造過程中需要大量的鉚釘將金屬板連接起來(lái)（一架小型飛機(jī)需要上萬(wàn)個(gè)鉚釘），現(xiàn)代復(fù)合材料結(jié)構(gòu)飛機(jī)，若采用膠接代替鉚接（緊固件的數(shù)量由上萬(wàn)降低為千個(gè)以下），可使飛機(jī)質(zhì)量減輕20%、強(qiáng)度提高30%，而減輕結(jié)構(gòu)重量對(duì)通用飛機(jī)具有特殊的重要意義。

某些通用飛機(jī)采用全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，故膠接是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)主要的連接形式。膠接的主要優(yōu)點(diǎn)有：膠粘劑與基體通常是同一種材料體系，因而能夠保證材料間的相容性；膠接可以防止腐蝕，在結(jié)構(gòu)件連接的同時(shí)還可以形成密封，比采用緊固件連接的接頭形式的重量輕；膠接區(qū)域面積大，分布的應(yīng)力較小，且不需制孔，不會(huì)引起復(fù)合材料分層破壞，進(jìn)而達(dá)到提升接頭強(qiáng)度的目的；膠接不同于焊接技術(shù)容易受到材料品種及厚度的限制，而且不同材料間連接無(wú)電偶腐蝕，從而可以拓寬設(shè)計(jì)選材和降低成本；膠接有阻止裂紋擴(kuò)展的作用，破損安全性好，疲勞壽命強(qiáng)；膠接能獲得光滑的氣動(dòng)外形。

因此，膠接結(jié)構(gòu)在通用飛機(jī)結(jié)構(gòu)連接形式中的比重越來(lái)越大，在通用飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中大范圍地使用膠接連接對(duì)提高產(chǎn)品性能、減輕結(jié)構(gòu)重量、簡(jiǎn)化制造工藝和低成本設(shè)計(jì)等具有明顯的作用。

5 輔助軟件的應(yīng)用

對(duì)通用飛機(jī)復(fù)合材料零部件采用數(shù)字化設(shè)計(jì)制造，應(yīng)用復(fù)合材料制造和分析軟件FiberSIM對(duì)演示驗(yàn)證件進(jìn)行數(shù)字化制造，打通了復(fù)合材料零件由設(shè)計(jì)到制造的生產(chǎn)流程，通過數(shù)字化設(shè)計(jì)制造，為通用飛機(jī)低成本設(shè)計(jì)制造流程提供支撐及依據(jù)。

表2 主要預(yù)浸料材料報(bào)價(jià)

以國(guó)內(nèi)某全復(fù)合材料通用飛機(jī)為例，整機(jī)結(jié)構(gòu)除了機(jī)翼主起加強(qiáng)肋和一些連接結(jié)構(gòu)件為金屬材料其余全為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，以碳纖維預(yù)浸料為例，設(shè)計(jì)人員將理論尺寸提交給工藝后，工藝人員要依據(jù)理論尺寸給出工人操作等等余量在150%以上。以某公司主要預(yù)浸料材料報(bào)價(jià)為依據(jù)，如表2所示。使用FiberSIM軟件設(shè)備報(bào)價(jià)清單如表3所示。

由表4得出結(jié)論，使用FiberSIM設(shè)計(jì)制造后單架機(jī)主要結(jié)構(gòu)節(jié)約費(fèi)用5.25萬(wàn)元，而原型機(jī)為全復(fù)合材料飛機(jī)，故整機(jī)使用軟件后節(jié)約成本約在6萬(wàn)元以上。通過表2、3對(duì)比分析得出原型機(jī)在銷售達(dá)到146架機(jī)時(shí)候（按照年產(chǎn)150架機(jī)計(jì)算），一年收回初期軟件及設(shè)備投入成本；在一年以后每架機(jī)節(jié)約費(fèi)用超過6萬(wàn)元，年節(jié)約費(fèi)用超過900萬(wàn)元。

表3 使用設(shè)備報(bào)價(jià)清單

以上數(shù)據(jù)為單方面從投入產(chǎn)出比計(jì)算效益，而軟件及設(shè)備投入后在人力成本及產(chǎn)品報(bào)廢率方面都會(huì)有更可觀的收益。

表4 使用FiberSIM設(shè)計(jì)制造后單架機(jī)的節(jié)約費(fèi)用

6 制造模具的選擇

模具的選擇對(duì)控制通用飛機(jī)的成本也起到至關(guān)重要的作用，對(duì)于我們通用飛機(jī)而言高產(chǎn)量低成本始終應(yīng)該放在最重要的位置（以原型機(jī)年產(chǎn)150架份考察）：

6.1 金屬工裝

金屬工裝雖然成本投入較低，但一般均使用在小尺寸、外形簡(jiǎn)單的復(fù)合材料零件上面，對(duì)于大曲面、大尺寸零件來(lái)說，熱膨脹系數(shù)、搬運(yùn)操作困難都是難以克服的缺點(diǎn)。

6.2 復(fù)材工裝

復(fù)材工裝雖說可以做到與零件同膨脹系數(shù)，而且理論上可以達(dá)到200次的使用壽命，但是根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)來(lái)講基本在80架機(jī)后會(huì)出現(xiàn)工裝變形、漏氣等一系列問題，所以按照以上年產(chǎn)來(lái)講產(chǎn)出比很低。

6.3 殷鋼工裝

殷鋼36的熱膨脹系數(shù)非常低，具有 “不變”尺寸的特點(diǎn)適合用作熱塑性復(fù)合材料工裝的生產(chǎn)，以現(xiàn)有產(chǎn)量為前提雖然初期投入成本較高，但是由于通用飛機(jī)批量生產(chǎn)的特殊性原因，從使用產(chǎn)出比來(lái)看仍然是低成本運(yùn)作的最佳選擇。

7 結(jié)語(yǔ)

本文從通用飛機(jī)選材、設(shè)計(jì)、制造等周期進(jìn)行分析研究，給出通用飛機(jī)低成本設(shè)計(jì)制造思路，低成本理論分析及實(shí)際數(shù)據(jù)說明為低成本研究提出合理建議。

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