復(fù)合材料在商用大飛機(jī)上的應(yīng)用現(xiàn)狀

摘 要 復(fù)合材料在商用大飛機(jī)制造中的應(yīng)用已成為不可逆轉(zhuǎn)的主流趨勢(shì)，其使用比例不僅是衡量飛機(jī)先進(jìn)性的重要指標(biāo)，更是反映航空制造業(yè)技術(shù)水平和創(chuàng)新能力的關(guān)鍵參數(shù)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外商用大飛機(jī)上的復(fù)合材料使用占比正不斷攀升，這一趨勢(shì)不僅推動(dòng)了飛機(jī)性能的提升，也促進(jìn)了復(fù)合材料技術(shù)的快速發(fā)展。簡(jiǎn)要概述了國(guó)外商用大飛機(jī)使用復(fù)合材料的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了復(fù)合材料在商用大飛機(jī)中的應(yīng)用價(jià)值，論述了復(fù)合材料在國(guó)外商用大飛機(jī)上的應(yīng)用產(chǎn)品，并對(duì)中國(guó)商用大飛機(jī)的發(fā)展歷程進(jìn)行闡述，提出中國(guó)商用大飛機(jī)與國(guó)外先進(jìn)水平相比還需提供復(fù)合材料相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈多個(gè)環(huán)節(jié)，為后續(xù)發(fā)展提供一定參考。

關(guān)鍵詞 商用大飛機(jī)；復(fù)合材料；應(yīng)用現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢(shì)

Application of Composite Materials in Commercial

Large Aircrafts

ZHANG Chen，LIU Jiaqiu，LI Jun，WU Weiping，ZHAO Hanyu，HAO Chenwei

（Harbin FRP Institute Co.， Ltd.， Harbin 150028）

ABSTRACT The application of composite materials in the manufacturing of commercial large aircraft has emerged as an unstoppable mainstream trend. The proportion of their utilization serves as a crucial benchmark not only for evaluating the advancement of aircraft but also for mirroring the technological sophistication and innovative prowess of the aviation manufacturing industry. In recent years， the percentage of composite materials in both domestic and international commercial aircraft has been steadily ascending， a trend that has not only bolstered aircraft performance but also fueled the rapid advancement of composite material technology. This article concisely outlines the current status of composite material usage in foreign commercial large aircraft， analyzes their application value in this context， discusses the specific products incorporating composites in leading international aircraft， and delves into the developmental journey of China’s commercial aircraft. It further posits that China’s commercial large aircraft， compared to advanced foreign counterparts， necessitate enhancements across multiple segments of the composite material supply chain， thereby offering valuable insights for future progress.

KEYWORDS commercial aircraft; composite material; application status; development trends

1 引言

復(fù)合材料在商用飛機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用從最初的非承力構(gòu)件逐步發(fā)展到主承力構(gòu)件，顯著減輕了飛機(jī)重量，提高了飛行性能和燃油效率，降低了維護(hù)成本。復(fù)合材料工藝技術(shù)的發(fā)展為商用飛機(jī)大部件的整體設(shè)計(jì)與整體制造的實(shí)現(xiàn)提供了可能，使飛機(jī)結(jié)構(gòu)零部件數(shù)量大大減少，提高了飛機(jī)的生產(chǎn)效率和可靠性［1］。目前，采用復(fù)合材料取代金屬等常規(guī)材料已經(jīng)成為商用飛機(jī)制造業(yè)的主流趨勢(shì)。因此，本文分析國(guó)外商用大飛機(jī)復(fù)合材料發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用情況，分析其在提升飛機(jī)性能、促進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新等方面的重要價(jià)值，探討中國(guó)商用大飛機(jī)在復(fù)合材料應(yīng)用方面的發(fā)展歷程及未來(lái)趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)比國(guó)內(nèi)外商用大飛機(jī)在復(fù)合材料應(yīng)用上的具體案例和技術(shù)特點(diǎn)，為復(fù)合材料在國(guó)產(chǎn)商用大飛機(jī)領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用提供參考和借鑒，也對(duì)國(guó)產(chǎn)商用大飛機(jī)的發(fā)展提出建議和展望。

2 復(fù)合材料簡(jiǎn)介

2.1 復(fù)合材料特點(diǎn)

復(fù)合材料是由兩種或多種不同性質(zhì)的材料通過(guò)物理或化學(xué)方法復(fù)合而成的新型材料。與傳統(tǒng)金屬材料相比，復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、抗裂性強(qiáng)、抗沖擊性強(qiáng)、能根據(jù)商用飛機(jī)需要進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)設(shè)計(jì)等優(yōu)勢(shì)［2］。但是復(fù)合材料的層間強(qiáng)度較低、成本較高、難以回收使用等缺陷也較為突出。復(fù)合材料在20世紀(jì)70年代初開(kāi)始應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)，隨著技術(shù)的發(fā)展，如今被廣泛應(yīng)用在飛機(jī)的各種結(jié)構(gòu)中，在航空工業(yè)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用［3-4］。

2.2 復(fù)合材料主要制造工藝

復(fù)合材料按產(chǎn)品制造工藝分類(lèi)，可分為纖維預(yù)浸工藝和預(yù)成型液體成型工藝兩大類(lèi)，傳統(tǒng)復(fù)合材料成型工藝主要有手工鋪貼、模壓成型、熱壓罐成型、拉擠成型和纏繞成型等［5］，近年來(lái)自動(dòng)鋪絲法也逐漸成熟。預(yù)成型工藝如RTM、RFI、VARI等工藝也成為航空領(lǐng)域復(fù)合材料制造和研發(fā)的重點(diǎn)，主要制造工藝分類(lèi)如表1所示。

商用大飛機(jī)復(fù)合材料制造工藝以熱壓罐工藝為主，在主承力結(jié)構(gòu)上已開(kāi)始廣泛使用低成本制造技術(shù)，自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)也日趨成熟，復(fù)合材料產(chǎn)品專(zhuān)業(yè)化、規(guī)模化生產(chǎn)的逐步建立極大提高了生產(chǎn)效率和質(zhì)量穩(wěn)定性，典型復(fù)合材料的效率和成本優(yōu)勢(shì)如表2所示。

自動(dòng)鋪放技術(shù)是實(shí)現(xiàn)商用大飛機(jī)低成本制造的技術(shù)之一，主要分為自動(dòng)鋪帶和自動(dòng)鋪絲兩類(lèi)［6］，其中自動(dòng)鋪帶技術(shù)特別適用于機(jī)翼部件的制造［7］。B787機(jī)翼和中央翼蒙皮采用了A350機(jī)翼上下蒙皮均由自動(dòng)鋪帶成型技術(shù)制造，如圖1所示。

B787、A350機(jī)身與B777X、MS21機(jī)翼蒙皮則是采用了自動(dòng)鋪絲技術(shù)進(jìn)行制造，如圖2所示。

3 商用飛機(jī)應(yīng)用的復(fù)合材料

3.1 國(guó)外大型商用飛機(jī)應(yīng)用復(fù)合材料情況

大型商用飛機(jī)對(duì)安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和舒適性有較高的需求，因此先進(jìn)復(fù)合材料產(chǎn)品成為解決以上需求的首選。并且衡量大型商用飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)用量使用部位及范圍已經(jīng)成為判斷其先進(jìn)性的重要指標(biāo)，復(fù)合材料在商用大飛機(jī)上的應(yīng)用呈現(xiàn)4個(gè)特點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)用量跨越式增長(zhǎng)；（2）主承力結(jié)構(gòu)大量使用；（3）運(yùn)用整體、共固化成型工藝；（4）自動(dòng)化制造工藝和設(shè)備迅速發(fā)展。

國(guó)外制造商用大飛機(jī)的公司主要為波音公司和空客公司，采用復(fù)合材料制造商用飛機(jī)發(fā)展時(shí)間較早，經(jīng)驗(yàn)較為豐富，發(fā)展過(guò)程如表3和表4所示。

兩家公司的主要機(jī)型都大量使用了復(fù)合材料進(jìn)行制造并廣泛應(yīng)用于機(jī)身筒段、中央翼、機(jī)翼、垂/平尾翼等主承力結(jié)構(gòu)［11］。圖3為波音和空客公司在主要機(jī)型上的復(fù)合材料用量占比。

波音公司B787飛機(jī)是復(fù)合材料使用量首次達(dá)到50 %的大型民用飛機(jī)型號(hào)，其機(jī)翼、升降舵和方向舵等均采用了碳纖維復(fù)合材料，整流罩則采用了玻璃纖維。在制造機(jī)體的過(guò)程中使用了整體成型技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)壁板整合結(jié)構(gòu)，整體成型機(jī)身段如圖4所示，該突破性的工藝使連接件減少近4萬(wàn)個(gè)，不僅讓整機(jī)質(zhì)量和裝配工時(shí)極大下降，機(jī)身的氣密性和抗疲勞性得到增強(qiáng)，還增強(qiáng)了整體的堅(jiān)固性，降低油耗［14］。

客機(jī)A380的中央翼盒、機(jī)翼前緣、翼肋、機(jī)翼后緣操縱面、機(jī)身上蒙皮壁板、客艙地板梁、后壓力框、機(jī)身尾段、尾翼、機(jī)身機(jī)翼整流罩和起落架艙門(mén)等大量采用復(fù)合材料，用量達(dá)到30 t，占總質(zhì)量的25 %，開(kāi)創(chuàng)了大型商用飛機(jī)大量使用復(fù)合材料的先河。其機(jī)身上的蒙皮采用了27塊GLARE板（玻璃纖維增強(qiáng)鋁合金板）如圖5所示，總面積達(dá)到470 m2［12］。

空客A350是迄今為止復(fù)合材料用量占全機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大的民用飛機(jī)，整體占比為52 %，超過(guò)了波音787復(fù)合材料的用量。A350的機(jī)身段是由4塊碳纖維復(fù)合材料壁板連接而成，這種制造方式不需要采用大型熱壓罐，可以根據(jù)不同位置的具體需求進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)及優(yōu)化。由機(jī)身的鋁合金框架將4塊復(fù)合材料板進(jìn)行裝配連接如圖6所示。

3.2 國(guó)內(nèi)大型商用飛機(jī)應(yīng)用復(fù)合材料情況

截至目前，我國(guó)商用大飛機(jī)有3個(gè)型號(hào)，除C929外ARJ21和C919均已實(shí)現(xiàn)商用運(yùn)營(yíng)，主要特點(diǎn)如表5所示。

中國(guó)商用大飛機(jī)型號(hào)復(fù)合材料應(yīng)用占比發(fā)展趨勢(shì)與國(guó)外基本一致。C919大型客機(jī)是中國(guó)首個(gè)主承力結(jié)構(gòu)采用使用T800級(jí)高強(qiáng)碳纖維復(fù)合材料的民機(jī)型號(hào)。其復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用比例達(dá)到12 %左右，主要用于機(jī)頭、機(jī)身、機(jī)翼、艙門(mén)、雷達(dá)罩等部分。這一比例相比之前的機(jī)型（如ARJ21支線客機(jī)，復(fù)合材料使用量約為2 %）有了顯著提升，與B777和A340相當(dāng)。C919復(fù)合材料應(yīng)用范圍與典型應(yīng)用部位如圖 7和圖 8所示。

中國(guó)商飛C929寬體客機(jī)主體結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料應(yīng)用占比將超過(guò)50 %，對(duì)標(biāo)空客A350和波音787。這一比例的提升將進(jìn)一步減輕飛機(jī)重量，增強(qiáng)設(shè)計(jì)靈活性，并提升飛機(jī)的整體性能。C929復(fù)合材料典型應(yīng)用部位如圖9所示。

C929寬體客機(jī)對(duì)復(fù)合材料的大量使用將對(duì)我國(guó)的航空復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)鏈提出更高要求。這包括材料研發(fā)、生產(chǎn)制造、檢測(cè)認(rèn)證等多個(gè)環(huán)節(jié)。同時(shí)，這也為我國(guó)航空復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了前所未有的發(fā)展機(jī)遇。

4 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

復(fù)合材料是制造商用大飛機(jī)材料的首選之一，復(fù)合材料使用占比是體現(xiàn)產(chǎn)品先進(jìn)性和競(jìng)爭(zhēng)力的標(biāo)志。國(guó)外復(fù)合材料在商用大飛機(jī)上的應(yīng)用現(xiàn)狀，揭示了其作為現(xiàn)代航空制造業(yè)核心材料的重要地位。通過(guò)詳細(xì)分析如波音和空客等國(guó)外商用大飛機(jī)制造商在復(fù)合材料應(yīng)用上的發(fā)展歷程，以及中國(guó)商用大飛機(jī)在復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)展，預(yù)對(duì)復(fù)合材料在商用大飛機(jī)上的發(fā)展趨勢(shì)做出以下預(yù)測(cè)：

（1）復(fù)合材料的應(yīng)用已成為推動(dòng)商用大飛機(jī)性能提升和技術(shù)創(chuàng)新的關(guān)鍵因素。從最初的非承力構(gòu)件到如今的主承力構(gòu)件，復(fù)合材料的廣泛采用顯著減輕了飛機(jī)重量，提高了燃油效率，降低了維護(hù)成本，并增強(qiáng)了飛機(jī)的整體性能和可靠性。未來(lái)商用大飛機(jī)的設(shè)計(jì)將更加注重復(fù)合材料的集成與應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)更高效的飛行性能和更低的運(yùn)營(yíng)成本。

（2）復(fù)合材料在商用大飛機(jī)上的應(yīng)用將呈現(xiàn)更加多元化和深入的發(fā)展態(tài)勢(shì)。一方面，隨著材料科學(xué)的不斷進(jìn)步，新型復(fù)合材料的研發(fā)將更加注重性能優(yōu)化和成本降低，以滿足商用大飛機(jī)對(duì)材料性能、制造工藝及環(huán)境友好性的更高要求；另一方面，復(fù)合材料制造工藝的自動(dòng)化和智能化水平將不斷提升，以推動(dòng)復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)鏈的整體升級(jí)。

（3）國(guó)際合作與交流將進(jìn)一步加強(qiáng)。面對(duì)復(fù)合材料在商用大飛機(jī)應(yīng)用中的復(fù)雜性與挑戰(zhàn)性。通過(guò)共享研究成果、協(xié)同技術(shù)創(chuàng)新及優(yōu)化供應(yīng)鏈管理，各國(guó)將能夠共同應(yīng)對(duì)復(fù)合材料應(yīng)用的難題，促進(jìn)全球航空制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

綜上所述，復(fù)合材料在商用大飛機(jī)上的應(yīng)用前景廣闊，其發(fā)展趨勢(shì)將深刻影響未來(lái)航空制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)格局和技術(shù)走向。中國(guó)商用大飛機(jī)產(chǎn)業(yè)應(yīng)緊跟時(shí)代步伐，加大復(fù)合材料技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用力度，為實(shí)現(xiàn)航空強(qiáng)國(guó)的夢(mèng)想奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

參 考 文 獻(xiàn)

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