復合材料技術在民用飛機上的應用簡述

蘇大帥

摘 要：復合材料在民用飛機上應用多寡，直接關乎民用飛機的先進性與否。隨著我國民用飛機制造事業(yè)的興起，復合材料技術在國際先進民機上的應用可以為我國民用飛機上復合材料的應用提供借鑒和指導。本文著重分析國際先進民機上復合材料的應用，以期進一步加深復合材料在先進民機上應用情況的理解，并為我國民機事業(yè)的發(fā)展提供思路與借鑒，逐漸提高我國民機先進性，提升競爭力。

關鍵詞： 復合材料，民用飛機，A380，B787

一、引言

我國民用飛機市場份額巨大，據(jù)天津民航大學附近濱海國際機場考察每幾分鐘就有一架飛機起飛或著陸，航空運輸已是相當?shù)姆泵?！相比于此，國航及東航這些大的民航機場繁忙程度可想而知！我國的航空運輸已經(jīng)進入繁榮發(fā)展階段，航空運輸?shù)倪\輸工具—大型飛機的需求與日俱增。據(jù)波音公司2006年10月預測，未來20年中國將增添近2900架新的客貨新飛機，價值約2800億美元。而我國天空上飛行的大型民用飛機幾乎沒有國產(chǎn)的，全部被波音和空客壟斷，而未來我國2800億美元的大型飛機市場價值完全可以買的下兩個波音和空客公司（波音的市值不過500億美元左右）！我們需要發(fā)展自己的大型飛機，擁有自己的大型民用飛機，在民用飛機這一高附加值領域占得一席之地，要滿足國內(nèi)市場需求，還要滿足國際市場需求；要打破國內(nèi)市場為國外民機壟斷的局面，也要進軍國際市場并獲得一定市場份額；要結(jié)束一億件襯衫換一架飛機的時代，也要開啟自己掌握高端技術的時代。

中國要在民用飛機這一領域占得一席之地，就要有先進的民用飛機。而復合材料的多寡代表了一個型號民機的先進性，也代表了其經(jīng)濟性，更代表其競爭力。復合材料技術在大型飛機上的應用已經(jīng)是未來飛機制造的趨勢，是評判一架飛機是否先進的重要指標，也是客戶是否決定購買的一個重要因素。2005年首飛，并已經(jīng)交付客戶的“空中巨無霸”A380飛機復合材料應用已達到25%，2009年首飛的“夢幻飛機”B787復合材料用量達到了50%，而2005年開始研制的A350XWB飛機預計復合材料用量達到52%?？梢姀秃喜牧系挠昧恳呀?jīng)是評判一架飛機是否先進的重要指標，復合材料的應用已經(jīng)是一種趨勢。我國自主研制的民用飛機也離不開復合材料，也需不斷提高復合材料的應用比例，要提高復合材料的比例，就需了解民機的那些地方更適合使用復合材料，更易由易到難的逐漸實現(xiàn)復合材料化。

本文主要闡述以A380和B787為典型代表的復合材料大用量飛機，在具體部位復合材料的使用情況， 以確定民機各個部段使用復合材料的優(yōu)先次序， 以便為我國民用飛機復合材料的應用提供借鑒和參考。

二、民用飛機復合材料的優(yōu)點

（1）復合材料比強度高、比剛度高、比模量高、且便于整體結(jié)構(gòu)化。這樣可以顯著減輕飛機結(jié)構(gòu)重量，相應的減少燃油消耗，降低成本。例如B787整個機身段由若干個復合材料整體成型的整體機身段組成，從而減少了1500個零件和4～5萬個連接件，顯著減輕了結(jié)構(gòu)重量，大幅度地降低了制造、裝配、運營和維護成本，營運中也會降低燃油消耗和排放。

（2）復合材料具有優(yōu)異的疲勞性能及復合材料性能具有可設計性。例如，基于這兩點性能，就可以使機身座艙壓差增大， 從而B787把巡航高度定在有利于乘客健康的6000m，（而不是現(xiàn)有一般客機的8000m），同時，加大了機身窗口，使乘客有更大視野。

（3）復合材料不易腐蝕。這允許設計人員增加客艙濕度，解決鋁合金易腐蝕、客艙濕度不能提高的難題。例如B787的客艙濕度就要比以往飛機的高，讓乘客在空中旅行時，不會覺得太過干燥，增加舒適度。

（4）可以植入健康檢測技術。復合材料在鋪層的過程中，可以將用于健康檢測的部件一起植入，從而達到健康檢測的目的。復合材料健康檢測技術與優(yōu)異的疲勞性能和耐腐蝕性一起使飛機可靠性提高， 維修周期延長。

（5）“使用復合材料的最大好處是減輕了結(jié)構(gòu)重量，從而大大減少了油耗和排放，并降低了運營成本”。（摘自：空中客車A380技術和創(chuàng)新廣告）

三、復合材料技術在典型民機上的應用

（1）復合材料技術在A380上的應用

A380是空客公司最新研制的超大型客機，載客量550-650人，號稱“空中巨無霸”，該機共用復合材料比例達到了結(jié)構(gòu)總重的25%，而成為該機的一大亮點。該機采用的復合材料技術包括：自動鋪絲技術（AFP）、自動鋪帶技術（ATL）、樹脂膜浸滲技術（RFI）、樹脂模塑技術（RTM）、先進拉擠技術（Pullrusion）及熱塑性樹脂成型/焊接技術等，如圖1。

A380-800飛機上先進復合材料用量最高達30-35t[1]，主要是碳/環(huán)氧復合材料，也包括GLARE（玻璃纖維增強鋁）和玻纖/環(huán)氧。此外，還有30t玻纖/酚醛復合材料，用于飛機的內(nèi)裝修。A380飛機機翼固定翼面并未采用復合材料，但外側(cè)襟翼采用了碳纖維增強復合材料（CFRP），ATL技術成型，機翼前緣采用了可以防鳥撞的玻璃纖維增強熱塑性復合材料，中央翼盒率先采用了復合材料是新一代大型飛機材料技術的一個亮點，ATL技術成型，襟翼導軌面板采用CFRP材料RTM技術成型，另外，A380擾流板、副翼、發(fā)動機艙罩、襟翼滑軌整流罩、起落架艙門均采用復合材料。垂直尾翼和水平尾翼均采用CFRP材料ATL成型。上艙門地板梁采用CFRP拉擠成型，非增壓后機身采用CFRP材料AFP成型。后機身承壓框采用CFRP材料RFI成型， 6.2m×5.5m，上有泡沫塑料充填的加筋，用RFI（樹脂膜浸滲）技術成形，號稱世界上最大的RFI整體成形構(gòu)件。A380上機身還大量應用了Glare層板，共用27塊達470 mm2之多，約占結(jié)構(gòu)總重的3%～4%。

（2）復合材料技術在B787上的應用

B787“夢想”飛機是波音公司正在研發(fā)的干線客機，其復合材料的用量達到全機結(jié)構(gòu)重量的50% 以上，如圖2。由于復合材料的密度小，這意味著：全機主要結(jié)構(gòu)均將采用復合材料制成，從外表面看，除機翼、尾翼前緣（防鳥撞），發(fā)動機掛架（防高溫）外幾乎看不到金屬。主要應用部位包括機翼、機身、垂尾、地板梁、部分艙門、整流罩等，甚至還包括了起落架后撐桿、發(fā)動機機匣、葉片等部位，各種材料具體應用部位和比例見圖3。

B787 的主要結(jié)構(gòu)采用RTM 和RFI 工藝制造，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的整體化，與全金屬結(jié)構(gòu)相比減重大約18t，如B787整體機身的中段和前段結(jié)構(gòu)進行了結(jié)構(gòu)的整體化。另外，整體結(jié)構(gòu)的耐腐蝕、較高的損傷容限以及良好的抗疲勞特性均會為結(jié)構(gòu)件減重帶來潛在的效果。

四、結(jié)束語

從目前世界上最先進的兩款民機上復合材料技術的應用可以看到使用較多的復合材料為碳纖維層壓板，其次還有夾心結(jié)構(gòu)、玻纖等。

從用量上來看，兩款先進民機都大量采用了復合材料，A380相對比例上低于B787，絕對量上數(shù)十噸。

對于運用的部段上，復合材料運用比例較少的A380上主要運用在平尾和垂尾上，機翼上也有一定應用，而B787基本各個部段都采用了復合材料技術，從外觀上看基本上可以稱為全復合材料飛機或叫做塑料飛機，在機翼這樣主承力部段都采用了復合材料技術。

對于我國民用飛機復合材料技術發(fā)展起步階段，可以在垂尾和平尾等部段先采用復合材料結(jié)構(gòu)，隨著民用飛機項目的牽引，復合材料技術的發(fā)展，日后在機身、機翼等部段逐漸采用復合材料結(jié)構(gòu)，以達到甚至國際最先進水平。

隨著我國民用飛機項目的持續(xù)發(fā)展，復合材料技術必然逐步提升，復合材料用量必然越來越多，我國民用飛機先進性將越來越高，競爭力也將越來越強。

參考文獻

[1] 趙稼祥. 碳纖維復合材料在民用航空上的應用[J].高科技纖維與應用，2003，28（3）.