复合材料 走上民用飞机大舞台?

复合材料 走上民用飞机大舞台?-复合材料网在中国巡演的A350 MSN2号测试机,机尾特别喷涂了放大的碳纤维结构。

在日前结束的第十一届珠海航展上,身披碳纤维特殊涂装的空中客车A350WB超宽体客机备受关注。在航展中,A350WB进行了静态和飞行展示,并在海口、北京、上海、广州和成都等五城进行巡演。
A350WB是空中客车公司与波音B787“梦想客机”竞争的新一代机型,其中XWB意为超宽体客机(eXtra Wide—Body),是在空客A330的基础上改进,迄今为止被认为复合材料用量占全机结构重量比例最大的一种客机:以碳纤维增强树脂基复合材料为代表的新型材料,能够有效降低机体重量,降低油耗,并减少维修成本,颇受航空公司欢迎。
占重达53%,史上复合材料最多的客机
此次飞抵中国的A350MSN2号测试机,远看涂装类似于“蛇皮袋”,其实这是特别设计的碳纤维涂装,其机身的特殊喷涂是放大的碳纤维结构,而A350是迄今为止被认为复合材料用量占全机结构重量比例最大的一种客机。
复合材料、钛和新一代铝合金被广泛应用于A350WB宽体飞机,空客根据这些材料的最佳特性将它们分别应用于机身的不同部位。据介绍,复合材料占A350WB机体重量达53%,为民用飞机史上最高。空客方面的宣传称,新型材料的广泛使用使A350WB的整体机身疲劳和耐腐蚀性维护工作减少60%。
值得注意的是,在最初的设计中,该系列飞机的方案是采用占机体重量35%的复合材料,但在波音B787复合材料占重达机体重量50%的压力下,空客不得不“三易其稿”,终于诞生了这台史上复合材料使用率最高的民用飞机。
A350WB机身是由四个部分的复合材料面板组装至碳纤维框架而成,其中有两块侧面板、一块顶面板及一块机腹面板。
A350WB的机翼主要由碳纤维复合材料制成,空客通过广泛使用计算流体力学技术和风洞试验对其进行优化,从而使A350WB拥有更快的0.85马赫的巡航速度。这不仅缩短了飞行时间,为航空公司提升了运营效率,而且进一步拓展了飞机的航程。A350WB系列的两个型号采用同样的机翼平台——翼展64.7米,总面积442平方米及大角度后掠机翼。但是,A350WB不同机型机翼的内部结构将有所不同,从而满足每个特定机型的不同要求。
此外,A350WB的发动机也有升级:采用了罗尔斯·罗伊斯公司生产的新型高效遄达XWB发动机,能够降低燃油消耗25%,降低排放25%,维护成本也大幅下降。对于乘客来说,A350WB客舱还拥有更大的舷窗、更大的头顶行李舱。
复合材料优势:提高乘客舒适度 降低油耗
长期以来,民用飞机大量使用铝合金作为主要材质。而随着材料科学发展,以碳纤维为代表的复合材料逐渐开始被大量应用。
航空制造领域专家、北京航空航天大学教授范玉青介绍,先进复合材料及其相关技术经过多年的研究和应用的发展,不仅其技术日趋成熟,价格也大幅降低,“由于复合材料具有比强度和比模量高,抗疲劳性能、耐腐蚀性能和整体成形性好等许多优异特性,将其用于飞机结构上,可比常规的金属结构减重25%到30%,而且使飞机隐身、气动弹性等综合性能得到改善和提高。”
中国材料研究学会常务理事唐见茂认为,就复合材料而言,在航空航天领域,目前和今后20—30年的发展主流是用于制造空天飞行器结构件的碳纤维增强树脂基复合材料。
2007年下线的“梦想客机”波音B787机体的主要结构机身和机翼几乎都由此类复合材料制成,仅少数机体部位应用铝合金,以防飞鸟的碰撞和发动机高温的影响。唐见茂评价称,空客A350WB和B—787的复合材料用量分别达到53%和50%,这标志着航空航天复合材料发展新的里程碑。
唐见茂介绍,早在上世纪60年代,美国就陆续将碳纤维增强树脂基复合材料用在军机上,现在复合材料的用量已经占军用飞机结构质量的20%—50%。
唐见茂说,复合材料在军机上的应用从起步到主结构件的应用,也就是10多年;而在民机上的应用从20世纪80年代开始到大范围的应用,经历了30多年。不过,航空公司对于大量采用复合材料的飞机非常欢迎:复合材料重量轻,油耗降低,运营成本显着降低。
另外,复合材料还能够提高乘客舒适度。“多次乘过飞机的人都有这样的体会,当登上飞机时,会立即感到客舱内的环境令人不适,特别是在飞行过程中,客舱内干燥的空气,加上含氧量偏低,容易让人头疼、头晕,使人疲劳。”范玉青介绍,“这是由于当前的商用客机,客舱内的气压相当于海拔8000英寸(约2438米)高度的大气压强。飞机只能增压到这种高度的压强,是因为客机的机身是由铝合金壁板通过几十万到上百万个铆钉等紧固件连接组装而成,它在一定压强作用下,气密性较差,金属机身耐疲劳性能也较差;另一方面,由于金属机身在一定湿度下易受腐蚀,所以航空公司把客舱内空气湿度保持在极低水平。这就是人们乘坐飞机旅行不舒适的主要原因。”
而采用复合材料的机身,能够减少大量结构件数量。范玉青表示,“不仅在很大程度上简化了制造工艺,更重要的是,长期加湿不会对飞机造成腐蚀,舱内空气湿度可提高10%—20%。同时增加舱内的气压和空气的含氧量。”这些能够大幅提高乘客舒适度。
有计算表明,以波音B787为例,其舱压的提高仅仅使机身质量增加了70公斤;而如果使用铝合金机身,要达到这一指标,其结构质量将增加1吨。

另一方面,复合材料易于集成制造,结构件的共固化和整体成型技术能够显着减少零件和紧固件的数量,缩短生产周期,减少制造和装配工时,大幅度降低生产成本,并降低维修成本。此外,整体成型的复合材料机身比用铆钉连接的铝合金机身的表面光洁度提升不少,能有效减少机身表面的湍流噪声,为乘客提供更安静的环境。
碳纤维还是铝锂合金?
碳纤维复合材料在空客A350WB和波音B787等新一代民用飞机上的大量应用,对传统铝合金材料形成了前所未有的挑战。面对新材料的挑战,铝合金并非“束手无策”:性能更强的铝锂合金也逐渐成为航空材料的主流,并试图“反攻”碳纤维。
无可回避的是,在优点背后,碳纤维复合材料也具有一些突出的缺点,比如:工装模具需要专门设计,且一般都比较庞大和笨重;如机翼、机身这样的主承力结构件固化通常需要热压罐,能耗大且费时等等。再者,由于材料属性、设计经验和制造水平等问题,一些结构件采用复合材料后可能还不如铝合金效果好。此外,生产能力也是影响工厂选择的一个因素:例如,波音B787交付延迟有一部分原因就在于生产商的复合材料供货能力不足。
铝锂合金材料在航空航天领域应用广泛。据悉,向铝金属中每添加1%的锂,铝合金的密度就下降约3%,而其弹性模量则会上升约6%,这能够极大提升铝合金性能。另外,有数据显示,目前铝锂合金的成本仅为碳纤维复合材料的10%。
在空客的宣传中,铝锂合金也是其重要的“先进材料”。事实上,在A350WB机翼承重的翼肋部分,大量使用了铝锂合金。据了解,空客在选择该翼肋的用料时,主要以重量与成本的比值作为筛选依据,认为对于承力大的翼肋,铝锂合金优于复合材料。

而在机头材料的选取上,空客公司反复对比铝锂合金与复合材料,最终选择前者。因为若采用复合材料,还需要用钛合金来增强以抗鸟撞,而用铝锂合金,相对经济又抗冲击。

链接

A350部分复合材料结构件由中国造
值得关注的是,空客A350WB有当一部分的复合材料机身结构是交由中国制造。
2005年,空客(北京)工程技术中心成立,派遣了中国工程师前往法国图卢兹空客总部以及各飞机制造中心接受培训。2006年,首批工程师归国后开始参与A350飞机的设计工作,哈飞空客复合材料制造中心承担了相当数量的关键复合材料部件的制造。
哈飞空客复合材料制造中心是目前亚洲最先进的碳纤维复合材料飞机结构件制造中心之一,它承担了A350WB在华5%工作份额中的大部分制造工作。自2009年成立以来,首先承担A320飞机方向舵、升降舵的制造任务,继而承担A350维护舱门、方向舵、升降舵、机腹整流罩的生产任务。未来,制造中心将成为A350飞机19段维护舱门、方向舵和升降舵的唯一供应商,在A350飞机制造环节中,扮演至关重要的角色。
A350的制造分工比较复杂,总的情况是前机身在德国总成,中机身在美国总成,后机身也在德国总成,机翼在英国总成,尾翼在西班牙总成,中央翼在法国总成,最后都交到法国图鲁兹进行总装配。
其中哈尔滨生产的方向舵将交付位于德国的空客施塔德工厂,并集成到位于飞机尾部的垂直安定面,然后交付位于法国图卢兹的空客A350WB总装线。(来源:南方日报)

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