11 3 B787的應用
美國波音飛機公司正在研制 B787“夢想” (Dreamliner)飛機 ,并已于 2007年 7月 8日成功下線 ,即將首飛并交付航線使用。該機要大幅度減輕結構重量 ,提高燃油效率 20 %,所以大量采用了復合材料。
B787共用復合材料 50 %左右 ,考慮到復合材料密度僅為 11 6 g/ cm3 ,故全機主要結構均將采用復合材料制成 ,從外表面看 ,除機翼、尾翼前緣 (防鳥撞 ),發動機掛架 (防高溫 )外幾乎看不到
大型客機 ,其應用水平遠遠超過 B777和 A380 ,為世界之最 ,世界公認這是復合材料發展史上一個重要的里程碑。
B787的主要用材體系為 T800S/ 390022,纖維為日本東麗公司產品 ,樹脂為改性的韌性環氧 , 177℃固化 ,已基本在 B777上完成使用和驗證。所用的新技術還包括 Ti Gr層板 ,即碳纖維增強鈦板 ,由 IM6/ PEEK與鈦箔相間制成 ,又是一種新的超混雜復合材料 ,同樣具有優異的抗疲勞性能 ,同時耐高溫 ;結構健康監控技術 ,以光纖系統為傳感器 ,連續探測損傷 ,監視結構完整性 ,而且是在線監控 ,預報早期的結構修理、維護要求。波音認為復合材料除減重外 ,還可提供更好的耐久性、耐腐蝕性 ,可降低使用維護要求和成本 ,較 B767降低成本 30 %,增加未來發展的潛力和空間。
波音人強調指出 ,在人類有動力飛行進入第二個百年之后 ,波音如此地選材決定將使其在先進材料技術領域占領世界的制高點 ,聲言要領跑飛機設計技術 ,稱“復合材料為航空航天的未來”。我們已經知道 ,復合材料在軍機、直升機、無人機包括無人作戰飛機上的用量已經達到或超過了 50 %,如今大型客機上的用量也超過了 50 %,這給業已存在的飛機結構復合材料化又涂上了濃墨重彩的一筆。
11 4 A400M和 A350的應用
A400M是歐洲空客集團正在研發的一架大型軍用運輸機 ,為大量減重以增加有效載荷已決定大量應用復合材料 ,復合材料約占其結構總重歐洲宣稱 A400M和 A350均將采用歐洲最
新的復合材料技術 ,以迎接美國 B787復合材料
技術的挑戰 ,歐美在競爭復合材料技術和應用的“霸主”地主。
A380 ,B787 ,A400M ,A350等幾大機種廣泛
使用復合材料 ,形成了復合材料在航空領域迅猛
發展的新態勢 ,也直接導致了目前世界性的碳纖
維嚴重短缺的事實 ,引爆了世界性的碳纖維危機。
長期以來空客和波音在復合材料的應用上 ,
特別是機身應用的問題上 ,雙方是有不同觀點 ,并
存在較嚴重的分歧與爭論。空客認為波音在
B787上如此應用復合材料是在冒大的風險 ,特別
是機身 “會導致非優化的設計方案” ,損傷容限也
成為問題 ,會影響安全 ,此外成本、修理等也成問
題。波音回之以技術上不成問題 ,安全上更不會
有問題 ,只承認成本上會高一些。爭論以后空客
還是走到波音的路上來了 ,殊途同歸在 A350上
采用了復合材料機身 ,但不是筒段機身而是板段
機身。實質上這與空客在自動化制造技術上落后
于美國有關。
那么波音是否存在風險呢 ?實質上波音是存
在風險的 ,如果 B787上的復合材料技術失敗 ,則
會導致波音與空客總體競爭上的失敗。機遇與挑
戰同在 ,效益與風險并存。目前 B787已正式宣
布推遲進度半年 ,說明風險與技術上的問題均是
客觀存在的。
2 應用的技術基礎
先進復合材料在大型客機上如此大踏步前進的應用態勢是始料不及的 ,應用的情況固然重要 ,但筆者認為認真分析其應用的技術基礎尤為必 工作卓有成效地推動了應用的進展。
21 3 低成本復合材料技術是重要的前提
復合材料在飛機結構上擴大應用的主要障礙是成本較高 ,特別是制造成本較高。鑒于此 ,以美國為首的西方發達國家紛紛制訂了低成本復合材料計劃 ,復合材料的低成本化已形成了當今世界上復合材料技術發展研究的核心問題。美國國防部聯合 NASA ,FAA和工業界共同發起并制訂了低成本復合材料 (Composite Affordbility Initia2 tive ,CA I)計劃 ,該計劃自 1996年至 2007年共分 4個階段執行 ,已于 2006年結束 ,正在做總結 ,認為取得了巨大的成功。 CA I的目標是要降低成本 50 %,其核心是要共同努力創造一個設計 /制造上示范性的轉變 ,最終降低復合材料單位質量的成本數。
低成本復合材料技術包括了低成本的設計技術、低成本的制造技術和低成本的材料技術 ,核心是低成本的制造技術。為此發展了以自動鋪放技術 ,包括自動鋪帶技術 (A TL )和自動纖維鋪放技術 (AFP) ,為核心的自動化制造技術。同時大力發展了以共固化 /共膠接為核心的大面積整體成形技術 ,這使得 B787實現了與金屬零件數比為 1 ∶19的可喜成果。
21 4 復合材料技術的進步是堅實的保障
先進復合材料歷經 30多年的研究、發展和應用已取得了長足的進步 ,從設計、材料、制造到試驗驗證逐步走向了規范化、標準化和成熟化 ,即復合材料技術上的進步 ,形成了如 B787上大規模應用復合材料的堅實保障。
根據經充分論證確定的合理目標 ,有針對性地規劃預研課題 ,盡快啟動預研工作 ,爭取用有限的時間 ,突破必要的關鍵技術 ,形成強有力的技術支撐。
(2)注意突破關鍵技術。所謂關鍵技術系指缺了它不行的技術 ,對大型飛機而言關鍵的復合材料技術應包括以下諸點 :
革新的設計技術和理念 ,以 DFM技術為核心的數字化設計技術 ,并注意材料許用值和結構設計值的合理確定、損傷容限和修理等問題的合理解決、工程計算分析方法的研發和相關設計軟
(9) :9213. (in Chinese
)
件 ,如規范手冊等的編寫和制訂。
Hinrichsen J. Material and technology develop2 發展并確定先進的材料體系
,關鍵是碳纖維ments for the A380[C] ∥Proceedings of the 22nd Interna2 的問題 ,用國產的還是進口的 ?哪個檔次哪個品tional SAMPE Europe Conference. 2001 :1232134.
種的 ?其次是高韌性環氧樹脂的研究與開發和較大絲束纖維的應用。早定材料體系 ,以便開展工作 ,積累經驗和數據。 中國航空網 www.k6050.com 航空翻譯 www.aviation.cn 本文鏈接地址：航空學報08大飛機專刊(62)
