复合材料技术与大型飞机.pdf





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1、?第 29 卷?第 3 期航?空?学?报Vol?29 No?3?2008 年?5 月ACTA AERONAUTICA ET ASTRONAUT ICA SINICAMay?2008特邀收稿日期:2008?01?29;修订日期:2008?02?21通讯作者:陈绍杰 E?mail:wubin1028 ?文章编号:1000?6893(2008)03?0605?06复合材料技术与大型飞机陈绍杰(沈阳飞机设计研究所,辽宁 沈阳?110035)Composite Technology and Large AircraftChen Shaojie(Shenyang Aircraft Design and R
2、esearch Institute,Shenyang?110035,China)摘?要:给出了先进复合材料在大型飞机上应用的历史和现状,特别是在 B787 和 A380 等机种上的近期应用。指出了应用是从小到大、从少到多、从弱到强,一步一步走过来的。分析了应用的技术基础,说明了复合材料是一个性能优异的新材料,这是前提基础;其次应用是各种预研计划认真执行的结果;低成本复合材料技术是应用的重要前提,包括低成本的设计技术、制造技术和材料技术;30 多年来复合材料技术的进步是坚实的保障。指出了中国于复合材料技术领域存在的问题和差距,提出了发展中国大型飞机复合材料技术的相关建议。关键词:复合材料;技术;
3、大型飞机;应用;建议中图分类号:V214?8;V222?文献标识码:AAbstract:The history and present status of the development and application of advanced composites on largeaircraft,especially on B787 and A380 are provided,which indicates that the application developed step by stepfrom small to large,from little to much,from weak
4、to strong.The technology bases of application are ana?lyzed.The fact that composites are excellent materials is the primary condiction for its widespread applicationin aircraft.Secondly.the application is also a result of carrying out various research plans.Affordability ofcomposite technology is an
5、 important premise,including low cost design technology,manufacture technology,and material technology.The advance of composite technology over the last 30 odd years is a powerful guaran?tee for its application.The paper discusses the issues and disparity in the field of composite materials technolo
6、?gy in China and puts forward suggestions for developing composite technology on large aircraft in the country.Key words:composite;technology;large aircraft;application;suggestion?研制大型飞机已被列入中国中长期科技发展规划。2007 年 2月 26 日,在国务院常务会议上,原则批准了大型飞机研制重大科技专项正式立项,并将组建大型客机公司具体管理运作此事,确保研制工作按计划加速推进,这引起了国内外高度的关注。2007
7、年 7 月 8 日美国波音飞机公司的 B787正式下线,其焦点、亮点和难点主要就是复合材料技术及其应用。飞机性能的不断提高一直与采用性能优异的新材料密切相关,一代飞机,一代材料。研制我国的大型飞机,复合材料无疑将是其关键技术之一,因而形成了当前人们议论和研发的热点。本文旨在介绍复合材料在大型飞机上应用的历史和沿革,应用的现状和实例;分析中国于该领域存在的问题和差距;提出发展中国大型飞机复合材料技术的相关建议。1?大型飞机上复合材料的应用大型客机目前突出强调安全性、经济性、舒适性和环保性,这些性能上的高要求决定其对复合材料需求的迫切性和必然性。先进复合材料诞生于 20 世纪 60 年代末,大型客
8、机早于 20世纪 70 年代初就开始了先进复合材料应用的历史进程。1?1?历史与沿革以美国而言,应用大致分为 4 个阶段,首先应用于受力很小的构件,如前缘、口盖、整流罩、扰流板等;第二阶段用于受力较小的部件,如升降舵、方向舵、襟副翼等,已有了一定的规模;第三阶段用于受力较大的部件,如水平尾翼、垂直尾翼、发房等部件,规模已较大;第四阶段,即现阶段,用于?航?空?学?报第 29 卷机翼、机身等主承力结构,规模已很大。从中明显可见应用是由小到大、由少到多、由弱到强,循序渐进,一步一步走过来的。如第三阶段中完成了B737平尾、DC?10 垂尾、L?1011 垂尾 3 个尾翼的研制、试用和鉴定,此后在
9、B737,B747,B757 和B767上复合材料进入正式批生产应用。在较新研制的 B777 上则正式应用于平尾、垂尾和机身地板梁等处,用量达 9 900 kg,占结构总重量的11%,已具备相当的规模。再看欧洲的情况。欧洲空中客车工业集团,亦于 20 世纪 70 年代中期开始了复合材料应用的进程,走过的路和美国相似,先上舵面,再上尾翼,1978 年始研制 A320 的复合材料垂尾,至 1985年完成,实现减重 20%。此后 A320,A330,A340 等机种上均大量使用了复合材料,把复合材料的用量推广到 15%左右,此时情况比美国尚有所超出。大型民机上复合材料的应用情况详见图 1,从图中可见
10、近年来应用的进展是很快的。图 1?大型客机复合材料应用情况Fig?1?Application of composites on large aircraft over time?多年来波音和空客在民机市场上竞争激烈,技术上先进复合材料的应用则是其主要的对峙内容之一,他们要竞争复合材料技术的?霸主?地位。下面介绍应用的近况,由此可窥一斑。1?2?A380 的应用空客集团已研制成超大型客机 A380,虽推迟进度近两年,但目前已首飞并正式交付航线使用。该机共用复合材料 25%,主要应用部件包括中央翼、外翼、垂尾、平尾、机身地板梁和后承压框等,仅中央翼盒就用复合材料 5 300 kg,实现减重 1 5
11、00 kg,板厚可达 45 mm,对接主交点处厚达 160 mm,受载很大。其水平尾翼的大小超过 A320 的机翼,半展长 19 m,内装燃油,号称世界上正在飞行的最大复合材料整体油箱。其机身后承压框 6?2 m?5?5m,上有泡沫塑料充填的加筋,用 RFI(树脂膜溶塑)技术成形,号称世界上最大的 RFI 整体成形构件。机身 I 型地板梁,跨度近 6 m,两端固支,受载很大,由日本的 JAMCO 公司采用创新的拉挤技术制造,拉进去的是预浸料而不是纤维。A380 上机身还大量应用了 Glare 层板,共用 27 块达 470 m2之多,约占结构总重的 3%4%,与相应 的铝合 金板 比实 现减重
12、 25%30%,疲劳寿命提高 10 15 倍,长达 14 m 的垂尾前缘也拟采用此层板。Glare 是玻纤增强铝合金层板,中国称作超混杂复合材料,由荷兰 Delft大学最先研究开发,已有 20 多年的历史,较之以前应用的 ARALL 层板,芳纶增强铝合金层板有更好的双周疲劳性能,且成本较低,只是密度稍大一些。A380 是第一个将复合材料用于中央翼盒的大型民机,开创了大型民机上大规模应用复合材料的先河。606?第 3 期陈绍杰:复合材料技术与大型飞机?1?3?B787 的应用美国波音飞机公司正在研制 B787?梦想?(Dreamliner)飞机,并已于 2007 年 7 月 8 日成功下线,即将
13、首飞并交付航线使用。该机要大幅度减轻结构重量,提高燃油效率 20%,所以大量采用了复合材料。B787共用复合材料 50%左右,考虑到复合材料密度仅为 1?6 g/cm3,故全机主要结构均将采用复合材料制成,从外表面看,除机翼、尾翼前缘(防鸟撞),发动机挂架(防高温)外几乎看不到金属。主要应用部位包括机翼、机身、垂尾、发房、地板梁、部分舱门、整流罩等。甚至还包括了起落架后撑杆、发动机机匣、叶片等部位。应该特别指出这是世界上第一个采用复合材料机翼和机身的大型客机,其应用水平远远超过 B777 和 A380,为世界之最,世界公认这是复合材料发展史上一个重要的里程碑。B787 的主要用材体系为 T80
14、0S/3900?2,纤维为日本东丽公司产品,树脂为改性的韧性环氧,177?固化,已基本在 B777 上完成使用和验证。所用的新技术还包括 T iGr 层板,即碳纤维增强钛板,由 IM6/PEEK 与钛箔相间制成,又是一种新的超混杂复合材料,同样具有优异的抗疲劳性能,同时耐高温;结构健康监控技术,以光纤系统为传感器,连续探测损伤,监视结构完整性,而且是在线监控,预报早期的结构修理、维护要求。波音认为复合材料除减重外,还可提供更好的耐久性、耐腐蚀性,可降低使用维护要求和成本,较B767 降低成本 30%,增加未来发展的潜力和空间。波音人强调指出,在人类有动力飞行进入第二个百年之后,波音如此地选材决
15、定将使其在先进材料技术领域占领世界的制高点,声言要领跑飞机设计技术,称?复合材料为航空航天的未来?。我们已经知道,复合材料在军机、直升机、无人机包括无人作战飞机上的用量已经达到或超过了50%,如今大型客机上的用量也超过了 50%,这给业已存在的飞机结构复合材料化又涂上了浓墨重彩的一笔。1?4?A400M 和 A350 的应用A400M 是欧洲空客集团正在研发的一架大型军用运输机,为大量减重以增加有效载荷已决定大量应用复合材料,复合材料约占其结构总重的 40%左右,主要应用部件包括机翼、垂尾、平尾、部分机身和 32 个螺旋桨桨叶,仅浆叶就用复合材料 2 000 kg 多。机翼主承力盒已于 200
16、6 年底前装配下线,23 m?4 m,重达3 000 kg,为空客迄今为止最大的复合材料制件,该机预定今年首飞,2009 年交付使用。空客 前 不 久 宣 布 了 新 型 超 宽 体 客 机A350XWB 计划,该机因面临 B787 的严重竞争,结构选材方案先后经 6 次修改,主要是复合材料用量和机身复合材料应用问题,最后决定:复合材料用到 52%,甚至超过了 B787 50%的水平,并表示要重新评价复合材料机身的价值。机身共分 5段,中间 3 段为金属骨架,复合材料蒙皮,每段各4大块层压板,这不同于波音是完整的筒段。欧洲宣称 A400M 和 A350 均将采用欧洲最新的复合材料技术,以迎接美
17、国 B787 复合材料技术的挑战,欧美在竞争复合材料技术和应用的?霸主?地主。A380,B787,A400M,A350 等几大机种广泛使用复合材料,形成了复合材料在航空领域迅猛发展的新态势,也直接导致了目前世界性的碳纤维严重短缺的事实,引爆了世界性的碳纤维危机。长期以来空客和波音在复合材料的应用上,特别是机身应用的问题上,双方是有不同观点,并存在较严重的分歧与争论。空客认为波音在B787上如此应用复合材料是在冒大的风险,特别是机身?会导致非优化的设计方案?,损伤容限也成为问题,会影响安全,此外成本、修理等也成问题。波音回之以技术上不成问题,安全上更不会有问题,只承认成本上会高一些。争论以后空客
18、还是走到波音的路上来了,殊途同归在 A350 上采用了复合材料机身,但不是筒段机身而是板段机身。实质上这与空客在自动化制造技术上落后于美国有关。那么波音是否存在风险呢?实质上波音是存在风险的,如果 B787 上的复合材料技术失败,则会导致波音与空客总体竞争上的失败。机遇与挑战同在,效益与风险并存。目前 B787 已正式宣布推迟进度半年,说明风险与技术上的问题均是客观存在的。2?应用的技术基础先进复合材料在大型客机上如此大踏步前进的应用态势是始料不及的,应用的情况固然重要,但笔者认为认真分析其应用的技术基础尤为必607?航?空?学?报第 29 卷要,这有助于从中发现问题、看到差距、认清方向,为大
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