在不久前結束的第十一屆珠海航展上，身披碳纖維特殊涂裝的空中客車A350WB超寬體客機備受關注。在航展中，A350WB進行了靜態和飛行展示，并在?？凇⒈本?、上海、廣州和成都等五城進行巡演。

    A350WB是空中客車公司與波音B787“夢想客機”競爭的新一代機型，其中XWB意為超寬體客機（eXtra Wide—Body），是在空客A330的基礎上改進，迄今為止被認為復合材料用量占全機結構重量比例最大的一種客機：以碳纖維增強樹脂基復合材料為代表的新型材料，能夠有效降低機體重量，降低油耗，并減少維修成本，頗受航空公司歡迎。

    占重達53%，史上復合材料最多的客機

    此次飛抵中國的A350MSN2號測試機，遠看涂裝類似于“蛇皮袋”，其實這是特別設計的碳纖維涂裝，其機身的特殊噴涂是放大的碳纖維結構，而A350是迄今為止被認為復合材料用量占全機結構重量比例最大的一種客機。

    復合材料、鈦和新一代鋁合金被廣泛應用于A350WB寬體飛機，空客根據這些材料的最佳特性將它們分別應用于機身的不同部位。據介紹，復合材料占A350WB機體重量達53%，為民用飛機史上最高。空客方面的宣傳稱，新型材料的廣泛使用使A350WB的整體機身疲勞和耐腐蝕性維護工作減少60%。

    值得注意的是，在最初的設計中，該系列飛機的方案是采用占機體重量35%的復合材料，但在波音B787復合材料占重達機體重量50%的壓力下，空客不得不“三易其稿”，終于誕生了這臺史上復合材料使用率最高的民用飛機。

    A350WB機身是由四個部分的復合材料面板組裝至碳纖維框架而成，其中有兩塊側面板、一塊頂面板及一塊機腹面板。

    A350WB的機翼主要由碳纖維復合材料制成，空客通過廣泛使用計算流體力學技術和風洞試驗對其進行優化，從而使A350WB擁有更快的0.85馬赫的巡航速度。這不僅縮短了飛行時間，為航空公司提升了運營效率，而且進一步拓展了飛機的航程。A350WB系列的兩個型號采用同樣的機翼平臺——翼展64.7米，總面積442平方米及大角度后掠機翼。但是，A350WB不同機型機翼的內部結構將有所不同，從而滿足每個特定機型的不同要求。

    此外，A350WB的發動機也有升級：采用了羅爾斯·羅伊斯公司生產的新型高效遄達XWB發動機，能夠降低燃油消耗25%，降低排放25%，維護成本也大幅下降。對于乘客來說，A350WB客艙還擁有更大的舷窗、更大的頭頂行李艙。

    復合材料優勢：提高乘客舒適度 降低油耗

    長期以來，民用飛機大量使用鋁合金作為主要材質。而隨著材料科學發展，以碳纖維為代表的復合材料逐漸開始被大量應用。

    航空制造領域專家、北京航空航天大學教授范玉青介紹，先進復合材料及其相關技術經過多年的研究和應用的發展，不僅其技術日趨成熟，價格也大幅降低，“由于復合材料具有比強度和比模量高，抗疲勞性能、耐腐蝕性能和整體成形性好等許多優異特性，將其用于飛機結構上，可比常規的金屬結構減重25%到30%，而且使飛機隱身、氣動彈性等綜合性能得到改善和提高。”

    中國材料研究學會常務理事唐見茂認為，就復合材料而言，在航空航天領域，目前和今后20—30年的發展主流是用于制造空天飛行器結構件的碳纖維增強樹脂基復合材料。

    2007年下線的“夢想客機”波音B787機體的主要結構機身和機翼幾乎都由此類復合材料制成，僅少數機體部位應用鋁合金，以防飛鳥的碰撞和發動機高溫的影響。唐見茂評價稱，空客A350WB和B—787的復合材料用量分別達到53%和50%，這標志著航空航天復合材料發展新的里程碑。

    唐見茂介紹，早在上世紀60年代，美國就陸續將碳纖維增強樹脂基復合材料用在軍機上，現在復合材料的用量已經占軍用飛機結構質量的20%—50%。

    唐見茂說，復合材料在軍機上的應用從起步到主結構件的應用，也就是10多年；而在民機上的應用從20世紀80年代開始到大范圍的應用，經歷了30多年。

    不過，航空公司對于大量采用復合材料的飛機非常歡迎：復合材料重量輕，油耗降低，運營成本顯著降低。

    另外，復合材料還能夠提高乘客舒適度。“多次乘過飛機的人都有這樣的體會，當登上飛機時，會立即感到客艙內的環境令人不適，特別是在飛行過程中，客艙內干燥的空氣，加上含氧量偏低，容易讓人頭疼、頭暈，使人疲勞。”范玉青介紹，“這是由于當前的商用客機，客艙內的氣壓相當于海拔8000英寸（約2438米）高度的大氣壓強。飛機只能增壓到這種高度的壓強，是因為客機的機身是由鋁合金壁板通過幾十萬到上百萬個鉚釘等緊固件連接組裝而成，它在一定壓強作用下，氣密性較差，金屬機身耐疲勞性能也較差；另一方面，由于金屬機身在一定濕度下易受腐蝕，所以航空公司把客艙內空氣濕度保持在極低水平。這就是人們乘坐飛機旅行不舒適的主要原因。”

    而采用復合材料的機身，能夠減少大量結構件數量。范玉青表示，“不僅在很大程度上簡化了制造工藝，更重要的是，長期加濕不會對飛機造成腐蝕，艙內空氣濕度可提高10%—20%。同時增加艙內的氣壓和空氣的含氧量。”這些能夠大幅提高乘客舒適度。

    有計算表明，以波音B787為例，其艙壓的提高僅僅使機身質量增加了70公斤；而如果使用鋁合金機身，要達到這一指標，其結構質量將增加1噸。

    另一方面，復合材料易于集成制造，結構件的共固化和整體成型技術能夠顯著減少零件和緊固件的數量，縮短生產周期，減少制造和裝配工時，大幅度降低生產成本，并降低維修成本。此外，整體成型的復合材料機身比用鉚釘連接的鋁合金機身的表面光潔度提升不少，能有效減少機身表面的湍流噪聲，為乘客提供更安靜的環境。

    碳纖維還是鋁鋰合金？

    碳纖維復合材料在空客A350WB和波音B787等新一代民用飛機上的大量應用，對傳統鋁合金材料形成了前所未有的挑戰。面對新材料的挑戰，鋁合金并非“束手無策”：性能更強的鋁鋰合金也逐漸成為航空材料的主流，并試圖“反攻”碳纖維。

    無可回避的是，在優點背后，碳纖維復合材料也具有一些突出的缺點，比如：工裝模具需要專門設計，且一般都比較龐大和笨重；如機翼、機身這樣的主承力結構件固化通常需要熱壓罐，能耗大且費時等等。再者，由于材料屬性、設計經驗和制造水平等問題，一些結構件采用復合材料后可能還不如鋁合金效果好。此外，生產能力也是影響工廠選擇的一個因素：例如，波音B787交付延遲有一部分原因就在于生產商的復合材料供貨能力不足。

    鋁鋰合金材料在航空航天領域應用廣泛。據悉，向鋁金屬中每添加1%的鋰，鋁合金的密度就下降約3%，而其彈性模量則會上升約6%，這能夠極大提升鋁合金性能。另外，有數據顯示，目前鋁鋰合金的成本僅為碳纖維復合材料的10%。

    在空客的宣傳中，鋁鋰合金也是其重要的“先進材料”。事實上，在A350WB機翼承重的翼肋部分，大量使用了鋁鋰合金。據了解，空客在選擇該翼肋的用料時，主要以重量與成本的比值作為篩選依據，認為對于承力大的翼肋，鋁鋰合金優于復合材料。

    而在機頭材料的選取上，空客公司反復對比鋁鋰合金與復合材料，最終選擇前者。因為若采用復合材料，還需要用鈦合金來增強以抗鳥撞，而用鋁鋰合金，相對經濟又抗沖擊。

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