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C919大型客機機身及發動機材料大剖析

2017-06-13 17:04:36 作者：本網整理來源：粉體圈分享至：

2017年5月5日星期五，國產大型客機C919在上海浦東國際機場實現了首飛，這標志著我國民用航空領域的一次重大跨越。作為國產大型客機C919而言機體材料的選擇至關重要。

圖1國產大型客機C919首飛照片

1. C919大型客機設計特點

C919客機屬中長途商用機，基本布局如圖2所示。

圖2 C919大型客機基本布局圖

C919國產大型客機的設計特點主要包括以下幾個方面：

在使用材料上：

C919將采用大量的先進復合材料、先進的鋁鋰合金等，其中復合材料使用量將達到20%，再通過飛機內部結構的細節設計，把飛機重量往下壓縮，另外，C919將會使用占全機結構重量20-30%的國產鋁合金、鈦合金及鋼等材料，充分體現了C919大型客機帶動國內基礎工業的能力與未來趨勢。同時，由于大量采用復合材料，較國外同類型飛機80分貝的機艙噪音，C919機艙內噪音可望降到60分貝以下；

在減排方面：

C919將是一款綠色排放、適應環保要求的先進飛機，通過環保的設計理念，有望將飛機碳排放量較同類飛機降低50%；

舒適性是C919機艙設計的首要目標

機艙座位布局將采用單通道，兩邊各三座，其中中間的座位空間將加寬，有效地緩解以往坐中間座位乘客的擁擠感。據官方資料表示，C919采用先進的環控、照明設計，提供給旅客更大觀察窗，更好的客艙空間，提供給旅客更好的舒適性；同時降低剖面周長0.326%，降低剖面面積0.711%，機身結構重量降低26.7kg；

C919采用四面式風擋

該項技術是國際上先進的工藝技術，目前干線客機中只有最新的波音787采用，它的風擋面積大，視野開闊，由于開口相對少，簡化了機身加工工業，減少了飛機頭部氣動阻力。但是工藝難度相對較大，機頭需要重新吹風，優化風擋位置和安裝角，同時也有風擋玻璃面積相對較大，制造工藝復雜，成本較高。同時該設計對機頭受力和風擋間承力支柱強度提出了更高要求；

C919客艙布局

C919采用了5000 PSI（磅/平方英寸）壓力的液壓系統，與一般民用飛機采用3000 PSI（磅/平方英寸）壓力的液壓系統相比，前者可提供更大的動力。壓力的增加意味著可使用較小的管道和液壓部件傳輸動力，減輕了重量。

2. C919機身材料

為了保證國產大型客機C919的順利首飛，機身材料的選擇至關重要。C919大型客機機身材料的選擇原則為：

·滿足飛機不同部位的設計準則要求，主干材料體系基于當前先進客機使用的主流產品，兼顧成熟性和先進性；

· 疲勞、損傷容限、耐蝕性、可接受的成本（涵蓋制造和使用維護階段）以及實現結構整體化和輕量化的潛力，是材料選用的重要指標。

結合機身材料兩大選擇選擇原則，C919大型客機機身選材開創了兩個全國首次：

先進鋁鋰合金的應用，屬國內首次

由于Al-Li系鋁合金具有低密度、高彈性模量、高強度和很好的綜合物理性能，所以與一般鋁合金相比，在強度相當的情況下，密度降低10％，而彈性模量提高10％，因此C919大型客機機身上實現鋁鋰合金在地板梁、機身蒙皮、長桁上的應用，使用量約占結構重量的15％，預期實現減重5－10％；

國內首次在民用飛機的主承力結構、高溫區、增壓區使用復合材料

大型客機機身的尾翼（平尾、垂尾、升降舵）、中央翼、機翼活動面、后壓力框、尾錐、后機身均采用先進復合材料，用量將達到14％以上；

由于鈦合金的密度比鋼小得多，而強度又和鋼很接近，因此，它可以大大減輕飛機及其發動機的重量。大型客機C919機身的關鍵承力件主要使用鈦合金，綜合考慮鈦合金的成熟性、成本、交付周期等因素，C919大型客機選擇了6個鈦合金牌號，包括低強高塑性、中強中韌、中強高韌、高強高韌及系統用材。圖 3為鈦合金主要在C919大型客機上應用部位及制品形式。

圖 3 鈦合金主要在C919大型客機上應用部位及制品形式

3. C919發動機材料

實際上C919大型客機的發動機來自于CFM國際公司的LEAP-1C發動機。該發動機采用了獨特的、業內首創的全集成推進系統（IPS）。由CFM提供發動機以及由奈賽公司（Nexcelle）開發的短艙和反推裝置組成。這些部件，包括由中航工業提供的吊架，被設計為相互連接的整體系統，具備更好的空氣動力學特性，重量更輕、更易于維護。

LEAP發動機將是第一款配備陶瓷基復合材料（CMC）高壓渦輪葉冠的民用發動機。采用CMC的直接益處便是提高了渦輪前溫度和燃燒熱效率。CMC材料的耐高溫性能意味著對冷卻氣流需求的減少。傳統的渦輪罩環上密布冷卻孔，大量的冷卻氣流被引走對發動機工作循環來說是個不小的負擔。有了CMC材料制成的渦輪罩環，需要的冷卻氣流減少從而增加了工作循環氣流流量。其次，CMC是一種低密度材料，制成的罩環重量只有傳統罩環的三分之一，也不需要很多的支撐結構。CMC材料的熱學性能穩定，對保持渦輪葉尖間隙很有幫助。圖 4為LEAP發動機三維示意圖。

圖 4 LEAP發動機三維示意圖

陶瓷基復合材料（Ceramic matrix composite，簡稱CMC）是以陶瓷材料為基體，以陶瓷、碳或難熔金屬的纖維、晶須、晶片或者顆粒為增強體，通過特定的成型工藝所制備的一類復合材料。陶瓷基復合材料在在航空航天領域，用陶瓷基復合材料制作的導彈的頭錐、火箭的噴管、航天飛機的結構件、絕熱瓦、外部燃料箱等具有良好的效果。圖5為陶瓷基復合材料發動機噴管。