文章編號 :100026893 (2008) 0320701206
特邀
一代材料技術 ,一代大型飛機
曹春曉 1 ,2
(1.北京航空材料研究院 ,北京 100095)
(2.南昌航空大學材料科學與工程學院 ,江西南昌 330063)
Cao Chunxiao1 ,2
(1.Beijing Institute of Aeronautical Materials , Beijing 100095 , China)
料技術的成功推出 ,其中包括復合材料整體機身段、全鈦發動機掛架、纖維金屬層板、第 3代鋁鋰合金、新型高強鋁合金 7085、新型高強高韌鈦合金 Ti255531等。最后 ,對中國剛立項研制的大型飛機的選材原則提出了建議。關鍵詞 :大型飛機 ;客機 ;運輸機 ;材料 ;復合材料 ;鈦合金 ;鋁合金中圖分類號 : V25 文獻標識碼 :A Abstract : The present development and tendency of new materials used in large aircraft are introduced. The primary structural materials used for current American and European large airframes are undergoing a transi2 tionfromaluminumalloysto advancedcomposites,and50%of compositesseemsto bea startingpointforfu2 ture aircraft. The material technology for new generation large aircraft will be characterized primarily by the record2high application of composite materials and titanium alloys , in order to reduce the structural weight and fuel consumption significantly. The new generation aircraft material technology is also featured by the success2 ful introduction of innovative materials , including integrated composite fuselage section , all2titanium engine py2 lon , fiber2reinforced metal laminate , third generation Al2Li alloy , new high2strength aluminum alloy 7085 and new high2strength and high2toughness titanium alloy Ti255531 , etc. In the end , suggestions are made to the principle of material selection for the newly launched National Large Aircraft Research Program.
Key words : largeaircraft;airliner;transportaircraft; material;composites;titaniumalloy;aluminumalloy
2007年 2月 26日 ,溫家寶總理主持召開國則的建議。務院常務會議 ,原則批準大型飛機研制重大科技表 1 飛機各發展階段機體材料的變化 專項正式立項 ,引起了國內外的高度關注。Table 1 Change of airframe material application at diffe
一百多年來 ,材料與飛機一直在相互推動下rent aircraft development stages不斷發展。 “一代材料 ,一代飛機”正是世界航空發展階段年代機體材料發展史的一個真實寫照。飛機機體材料結構在大第 1階段 1903～20世紀 10年代木、布體上經歷了 4個階段的發展后 ,正跨入第 5階第 2階段 20世紀 20年代～ 40年代鋁、鋼第 3階段 20世紀 50年代～ 70年代鋁、鈦、鋼段[122] ,見表 1。鋁、鈦、鋼、復合材料
顯然 ,大型飛機在機體材料上的變化正反映第 4階段 20世紀 80年代～ 21世紀初(鋁為主 )
復合材料、鋁、鈦、鋼
了這一趨勢 ,并在選材等方面充分體現了 “一代材第 5階段 21世紀初～(復合材料為主 ) 料技術 ,一代大型飛機”這一辯證的互動關系。
作為借鑒 ,本文首先歸納分析了歐美新一代大型飛機的材料技術特色 ,然后在此基礎上結合1 歐美新一代大型飛機的材料技術特色 中國具體情況提出一些關于中國大型飛機選材原11 1 復合材料和鈦合金的用量創歷史新高 [229]
收稿日期 :2007211215 ;修訂日期 :2007212220通訊作者 :曹春曉 E2mail :chunxiao. cao @biam. ac. cn由圖 1可知 ,從波音 787開始 ,50 %用量的復
合材料成為未來飛機的起點 ,也就是說 ,飛機機體以復合材料為主的時代從此起步。繼波音 787之后 ,空客 A350改進型 (A350XWB)的復合材料用量從原來的 37 %提高至 52 %,波音 737后繼機和空客 A320后繼機的復合材料用量也將高達 50 %左右 ,甚至可能逼近 60 %。
圖 1 大型客機上復合材料用量隨年代的變化 Fig1 1 Change of composite application in large airliners as time goes on
從表 2可知 ,在 20世紀 90年代推出的 C217軍用運輸機和剛推出的 A380客機上 ,鋁合金的用量還是排第 1位 ,但在即將投入運營的波音 787、A350客機和歐洲 A400M軍用運輸機上 ,材料用量排第 1位的均為復合材料。
表 2 新一代客機和軍用運輸機的材料用量 Table 2 Material application in new generation airliners and military transports
機型 鋁合金 結構重量比 / %復合材料鈦合金 鋼 其他
A380 61 22 10 14 6
A350 19 ① 53 ② 14 ② 6 8
波音 787 20 50 15 10 5
C217 A400M 6913 81 1 35～40 1013 121 3 2
注 :①原設計的用量為 34 %含鋁鋰合金 ;②原設計的復合材料和鈦合金的用量分別為 37 %和 9%。
圖 2表明 ,大型飛機上鈦合金用量與日俱增 ,波音 787上 15 %鈦用量則打破了客機歷史最高記錄。波音 787上大量用鈦的原因有兩個 :首先 ,為了減輕結構重量 ;其次 ,由于大型飛機復合材料用量猛增 ,鋁合金與復合材料中的碳纖維之間存在顯著的電位差 ,因此與復合材料接觸的緊固件等零件通常采用鈦合金 ,以避免電化學腐蝕的發生。
圖 2 大型客機和軍用運輸機上鈦合金用量隨年代的變化 Fig1 2 Change of titanium application in large airliners and military transports as time goes on
直至 2006年 ,波音 787仍出現超重問題 ,波音公司為了實現減重 2 500 kg的目標 ,決定在 2006和 2007年度再投入 3億美元研究在飛機一些部位用鈦合金取代鋁合金制成零部件 ,并聲稱不會影響波音 787投入運營的進度。
11 2 一些具有新意的材料技術嶄露頭角
(1)波音 787采用復合材料整體機身段新型
技術 [4 ,10211 ]
復合材料與金屬材料相比 ,更適合于制備整體結構件。波音 787機身由若干段復合材料大型整體結構件組成 ,減少了 1 500個零件和 (4～5)萬個連接件 ,顯著地減輕結構重量 ,提高安全可靠性和降低制造、裝配、油耗、維修等成本。然而 ,要制成這么大型和復雜的機身段整體件 (見圖 3)還是有很大難度的。比如在 2006年初 ,該機身段就出現孔隙率過高的關鍵問題 ,甚至有可能影響適航認證 ,迫使公司投入更多人力財力進行試驗研究。
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