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复合材料,航空航天领域的重要结构材料

自1959年德国斯图加特大学研制出第一架全复合材料结构的滑翔机“Ph?nix”以来,复合材料在航空航天领域结构材料中扮演着越来越重要的角色。

复合材料具有较高的比刚度与比强度、出色的耐疲劳性能和抗腐蚀等特点,能满足民用飞机结构轻量化、高可靠性、使用寿命长、效能高等性能需求。此外,复合材料其他功能性的应用潜力,如一体化传感器等,也成为其得以广泛应用的又一优势。目前,复合材料已成为继铝合金后,航空航天领域又一重要的结构材料。

大体而言,复合材料在飞机结构上的应用可以分为三个阶段:

第一阶段是应用于受载不大的简单零部件,如各类口盖、舵面、阻力板、起落架舱门等;

    

第二阶段是应用于承力较大的尾翼级主承力结构,如垂直安定面、水平安定面、全动平尾、鸭翼等;

    

第三阶段是应用于主承力结构,如机翼盒段、机身等。

20世纪70年代中期,空客首次将复合材料应用于第三代大型民用飞机A300飞机的垂尾。80年代,在A310的活动面和垂尾上成功应用了复合材料之后,空客逐渐增加了复合材料在其他结构部件上的应用。在第四代大型民用飞机A320上,空客将复合材料应用扩大到了尾翼,并使A321、A319、A330基本保持了相同的应用水平。在随后的第五代大型民用飞机A340上,复合材料的比重提高到8%。

在第六代大型民用飞机A380的研制中,空客再次进行大胆创新,在中央翼盒、机翼前缘、翼肋、机翼后缘操纵面、机身上蒙皮壁板、地板梁、后承压隔框、机身尾段、尾翼、整流罩和起落架舱门等处广泛使用了复合材料,使复合材料的比重达到25%,用量高达30吨。

在A380之后,为了与波音787竞争,空客研制了载客量和航程与波音787处于同一级别的A350飞机。在2004年底空客最初宣布的A350方案中,其结构减重目标是比A330轻8吨。为此,空客计划将A350的复合材料用量提高到结构重量的约40%。

此后,迫于客户的压力和波音787取得的市场成功,空客先后数次对A350的结构选材和设计进行修改,在2006年12月提出的A350WB方案中,全机结构复合材料用量上升到53%,其中央翼盒和外翼盒均采用碳纤维复合材料制造,复合材料使用面积约达442m2。

波音公司在第二代至第四代大型民用飞机737、757和767等机型中,复合材料的应用仅涉及起落架舱门、整流罩、升降舵、方向舵、襟翼和副翼等次承力结构。到了20世纪90年代中期,在第五代大型民用飞机777研制中,波音将复合材料应用扩大到了垂直安定面和水平安定面等主结构,使复合材料的用量达到了10%。

鉴于复合材料研究的进展和在军机上应用的成功经验,波音在第六代大型民用飞机787研制中,将复合材料的应用扩大到了50%。因此,波音787也被人们戏称为“塑料飞机”。

复合材料优异的抗裂纹扩展性能使波音787的检修变得更容易,通常只要通过目视检查没有发现损伤,就不必进行修理,其日常维护费用比波音777降低32%。

此外,优异的抗疲劳特性为波音787客舱的大尺寸舷窗设计提供了可能,其窗口面积比空客A330/A340增大了78%,有效提升了旅客的乘坐体验。同时,由于复合材料结构比铝合金结构具有更好的耐腐蚀性,有利于提高客舱的压力和湿度,使旅客感到更加舒适。

俄罗斯是传统的航空强国,在其重振航空工业的代表性产品MS-21上,俄罗斯联合飞机公司(UAC)采用自动铺丝工艺进行纤维干丝铺贴预成型体,然后利用液体成型工艺制造MS-21的外翼。

MS-21是一种单通道商用飞机,其复合材料用量达到31%。UAC公司认为,如果MS-21能够通过使用复合材料降低飞机机翼结构的重量和制造成本,俄航空企业将能在竞争激烈的单通道商用飞机市场取得成功。

MS-21采用液体成型工艺在降低机翼结构制造成本上的作用主要有两个方面:

首先,由于MS-21机翼结构尺寸较大,量产后飞机在材料以及设备上的成本降低会十分可观。

其次,机翼结构的整体化设计和制造大幅减少了紧固件数量以及工人劳动量。UAC表示,相对于热压罐工艺,液体成型工艺能实现减重10%,成本降低30%,能源损耗降低50%,工时减少30%。虽然上述数据有待证实,但液体成型工艺的成本优势毋庸置疑。

另一家飞机制造商加拿大庞巴迪公司也在尝试扩大对复合材料的应用。在其最新研制的C系列飞机中,复合材料的用量达到20%,主要用于中央翼、后机身、尾锥和平尾等处。

来源:中国航空新闻网

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