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復(fù)合材料在國內(nèi)外航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

2018-10-31 12:21:12 作者：本網(wǎng)整理來源：宇宙解碼分享至：

由于復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、較高的比強(qiáng)度、比模量、較好的延展性、抗腐蝕、導(dǎo)熱、隔熱、隔音、減振、耐高（低）溫、耐燒蝕、透電磁波，吸波隱蔽性、可設(shè)計性、制備的靈活性和易加工性等特點，所以是制造飛機(jī)、火箭、航天飛行器等軍事武器的理想材料。

自從先進(jìn)復(fù)合材料投入航空航天應(yīng)用以來，有三件值得一提的成果。第一件是美國全部用碳纖維復(fù)合材料制成一架八座商用飛機(jī)-里爾2100號并試飛成功；第二件是采用大量先進(jìn)復(fù)合材料制成的哥倫比亞號航天飛機(jī)，這架航天飛機(jī)用碳纖維/環(huán)氧樹脂制作長18.2m、寬4.6m的主貨艙門，用凱芙拉纖維/環(huán)氧樹脂制造各種壓力容器。在這架代表近代最尖端技術(shù)成果的航天飛機(jī)上使用了樹脂、金屬和陶瓷基復(fù)合材料；第三件是使用了先進(jìn)復(fù)合材料作為主承力結(jié)構(gòu)，制造了可載80人的波音-767大型客運(yùn)飛機(jī)，不僅減輕了重量，還提高了飛機(jī)的各種飛行性能。

復(fù)合材料在這幾個飛行器上的成功應(yīng)用，表明了復(fù)合材料的良好性能和技術(shù)的成熟，對于復(fù)合材料在重要工程結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用是一個極大的推動。

圖1 龐巴迪里爾45XR商務(wù)飛機(jī)

圖2 哥倫比亞號航天飛機(jī)（右上角為失事現(xiàn)場圖片）

圖3 波音767

航空領(lǐng)域

固定翼飛機(jī)，直升機(jī)，特種飛行器

先進(jìn)復(fù)合材料用于加工主承力結(jié)構(gòu)和次承力結(jié)構(gòu)、其剛度和強(qiáng)度性能相當(dāng)或超過鋁合金的復(fù)合材料。目前被大量地應(yīng)用在飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)制造上和小型無人機(jī)整體結(jié)構(gòu)制造上。

飛機(jī)用復(fù)合材料經(jīng)過近40年的發(fā)展，已經(jīng)從最初的非承力構(gòu)件發(fā)展到應(yīng)用于次承力和主承力構(gòu)件，可獲得減輕質(zhì)量（20-30）% 的顯著效果。目前已進(jìn)入成熟應(yīng)用期，對提高飛機(jī)技戰(zhàn)術(shù)水平、可靠性、耐久性和維護(hù)性已無可置疑，其設(shè)計、制造和使用經(jīng)驗已日趨豐富。迄今為止戰(zhàn)斗機(jī)使用的復(fù)合材料占所用材料總量的30%左右，新一代戰(zhàn)斗機(jī)將達(dá)到40%；直升機(jī)和小型飛機(jī)復(fù)合材料用量將達(dá)到（70-80）%左右，甚至出現(xiàn)全復(fù)合材料飛機(jī)。“科曼奇”直升機(jī)的機(jī)身有70% 是由復(fù)合材料制成的，但仍計劃通過減輕機(jī)身前下部質(zhì)量以及將復(fù)合材料擴(kuò)大到配件和軸承中，以使飛機(jī)再減輕15%的質(zhì)量。“阿帕奇”為了減輕質(zhì)量，將采用復(fù)合材料代替金屬機(jī)身。

近10年來，國內(nèi)飛機(jī)上也較多的使用了復(fù)合材料。例如由國內(nèi)3家科研單位合作開發(fā)研制的某殲擊機(jī)復(fù)合材料垂尾壁板，比原鋁合金結(jié)構(gòu)輕21kg，減重30%。北京航空制造工程研究所研制并生產(chǎn)的QY8911/HT3。雙馬來酰亞胺單向碳纖維預(yù)浸料及其復(fù)合材料已用于飛機(jī)前機(jī)身段、垂直尾翼安定面、機(jī)翼、阻力板、整流壁板等構(gòu)件。由北京航空材料研究院研制的PEEK/AS4C熱塑性樹脂單向碳纖維預(yù)浸料及其復(fù)合材料具有優(yōu)異的抗斷裂韌性、耐水性、抗老化性、阻燃性和抗疲勞性能，適合制造飛機(jī)主承力構(gòu)件，可在120℃下長期工作，已用于飛機(jī)起落架艙護(hù)板前蒙皮。

據(jù)波音公司估算，噴氣客機(jī)質(zhì)量每減輕1kg,飛機(jī)在整個使用期限內(nèi)即可節(jié)省2200美元。

1 固定翼飛機(jī)

1）國外

國外大飛機(jī)復(fù)合材料使用情況可以通過以下圖片展示出來：

圖4-7 國外大型飛機(jī)復(fù)合材料使用情況

輕型運(yùn)動飛機(jī)（Light sport aircraft，LSA）是美國FAA于2004年提出的一種飛機(jī)分類名稱。這類飛機(jī)最大起飛重量不超過600 kg（水上起降的飛機(jī)，最大起飛重量不超過650kg），最大平飛速度不超過222 km/h，失速速度不超過83 km/h，與傳統(tǒng)的通用飛機(jī)失速不相上下，但耗油量減半，性能優(yōu)于傳統(tǒng)的通用飛機(jī)。單座或者雙座，固定起落架，使用不可變槳矩，或只能地面調(diào)整槳矩的螺旋槳，動力裝置限定為一臺電動機(jī)，或活塞式發(fā)動機(jī)。輕型運(yùn)動飛機(jī)對于維修方面的限制很少，可以由傳統(tǒng)的飛機(jī)維修技術(shù)人員來維修和檢查，可以由有修理輕型運(yùn)動飛機(jī)資格的個人來維修，有些情況下也可以由飛行員或者所有者來檢查和維修。

與客機(jī)和軍用飛機(jī)相比，輕型運(yùn)動飛機(jī)的尺寸比較小，結(jié)構(gòu)簡單，使用環(huán)境溫和，適航標(biāo)準(zhǔn)也更寬松，所以復(fù)合材料在輕型運(yùn)動飛機(jī)上的應(yīng)用所受到的限制很小，并且制造成本更低。輕型運(yùn)動飛機(jī)一般復(fù)合材料用量超過70%，屬于全復(fù)合材料飛機(jī)。復(fù)合材料具有重量輕、高強(qiáng)度、高模量、結(jié)構(gòu)功能一體化和設(shè)計制造一體化、易于成大型制品等優(yōu)點，采用復(fù)合材料的部件可在滿足同樣強(qiáng)度要求的情況下，比金屬材料的部件更輕。

美國研制的Lear Fan2100型飛機(jī)，是世界上第一架以先進(jìn)復(fù)合材料為主的全復(fù)合材料飛機(jī)，主要以CFRP和KFRP為主，結(jié)構(gòu)減重達(dá)40%。中、法、新合作研制的輕型直升機(jī)EC120，除旋翼槳葉外，機(jī)身、垂尾、尾梁、水平安定面等多處結(jié)構(gòu)也都用了復(fù)合材料。美國AASI公司研制的JETCRUZER500型6座公務(wù)機(jī)，其整個機(jī)身有碳/環(huán)氧復(fù)合材料制成。

輕型運(yùn)動飛機(jī)市場很大，相關(guān)的制造商和機(jī)型也很多，目前該領(lǐng)域主要集中在歐美一些發(fā)達(dá)國家，知名的制造公司有美國塞斯納飛機(jī)公司、西瑞設(shè)計公司（已被中航通飛收購）、奧地利鉆石飛機(jī)公司、德國飛行設(shè)計公司等。

其中德國飛行設(shè)計公司（Flight Design GmbH）是全球領(lǐng)先的、設(shè)計和生產(chǎn)輕型運(yùn)動類飛機(jī)的專業(yè)廠家，所開發(fā)的CT系列輕型運(yùn)動飛機(jī)基本均采用碳纖維復(fù)合材料機(jī)身。德國Remos飛機(jī)公司的生產(chǎn)的Remos飛機(jī)大部分是碳纖維復(fù)合材料，機(jī)翼是全碳纖維制造，重量輕，線條圓滑。該機(jī)型可能是目前為止制造工藝最先進(jìn)的輕型運(yùn)動飛機(jī)機(jī)型。奧地利鉆石飛機(jī)公司DA42“雙子星”飛機(jī)機(jī)翼等主要部件均采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。

國外軍機(jī)復(fù)合材料使用情況如下圖所示：

國外軍機(jī)復(fù)合材料使用情況

國內(nèi)

運(yùn)-10（Y-10）是由上海飛機(jī)制造廠研制的四發(fā)動機(jī)噴氣式運(yùn)輸機(jī)，是中國首次自行研制、自行制造的大型噴氣式客機(jī)，基于當(dāng)時的工業(yè)基礎(chǔ)和條件，運(yùn)-10基本沒有采用復(fù)合材料件。

中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司研制的雙發(fā)動機(jī)支線客機(jī)ARJ21翔鳳客機(jī)，翼梢及次要結(jié)構(gòu)件使用國產(chǎn)碳纖維減重。

C919是中國自主設(shè)計的第二款國產(chǎn)大型客機(jī)。該機(jī)機(jī)翼，水平尾翼，中央翼盒使用了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件。

下面幾張圖是波音公司在中國的轉(zhuǎn)包情況：

波音737中國轉(zhuǎn)包情況

波音747中國轉(zhuǎn)包情況

波音787中國轉(zhuǎn)包情況

哈飛公司向空客集團(tuán)成員和/或空客指定的供應(yīng)商提交及交付空客A350及空客A320系列復(fù)合材料飛機(jī)零部件；參與現(xiàn)在或?qū)砜湛惋w機(jī)項目的研究、開發(fā)、工業(yè)化及批量生產(chǎn)；為空客所指定的第三方制造、銷售、經(jīng)銷和配送復(fù)合材料飛機(jī)零部件。公司與空客及其一級供應(yīng)商簽訂了7個工作包合同，包括A320升降舵、方向舵、平尾梁和A350升降舵、方向舵、機(jī)腹整流罩、勤務(wù)艙門等。

中航西飛生產(chǎn)的首對空客A320機(jī)翼被裝配在機(jī)身上

在國內(nèi)，民機(jī)可以采用國際采購的方式來彌補(bǔ)技術(shù)上的差距，如飛機(jī)發(fā)動機(jī)、部分機(jī)載設(shè)備、零部件和材料都可以采用這種方式。但是民機(jī)制造中仍有許多東西是用錢買不來的，如飛機(jī)的總體設(shè)計能力，尤其是集成能力得靠經(jīng)驗上的累積。又如電傳操作，這是核心技術(shù)，空客在這個方面已比較成熟，波音777也采用了電傳操作技術(shù)，其中有些還是光傳技術(shù)，這種技術(shù)人家是不會賣給我們的，只有靠自己研發(fā)。

近年來國內(nèi)眾多單位也逐漸開展了輕型運(yùn)動飛機(jī)的研制工作，取得了一定的成果。2011年9沈飛公司與美國賽斯納飛機(jī)公司簽署合作協(xié)議，研制生產(chǎn)的我國第一架以鋁合金機(jī)體為主的塞斯納162輕型運(yùn)動飛機(jī)，并成功首飛。

2012年南昌航空大學(xué)和珠海強(qiáng)恩玻璃鋼制品有限公司聯(lián)合研制的“紅嘴歐”運(yùn)動飛機(jī)，飛機(jī)結(jié)構(gòu)采用碳纖維、玻璃纖維、環(huán)氧樹脂、夾芯材料等制造成型，機(jī)身機(jī)翼等主體結(jié)構(gòu)使用碳纖維復(fù)合材料，部分隔板為玻璃纖維復(fù)合材料。局部采用夾芯結(jié)構(gòu)，外面蒙上碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料表板，飛機(jī)結(jié)構(gòu)90%為復(fù)合材料，使得飛機(jī)重量輕，強(qiáng)度好。

波東風(fēng)飛機(jī)有限公司自主研制了DF2型復(fù)合材料雙座輕型運(yùn)動飛機(jī)（如圖24所示），于2008年7月進(jìn)行了試飛。DF2型飛機(jī)主要承力結(jié)構(gòu)均采用碳纖維材料，設(shè)計起點比較高，但仍然需要進(jìn)一步的完善。

2013年6月由沈陽航空航天大學(xué)自主研制的電動雙座輕型運(yùn)動飛機(jī)在沈陽法庫財湖機(jī)場成功首飛。這款新型清潔能源飛機(jī)以鋰電池為能源，運(yùn)用全碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)機(jī)體，與傳統(tǒng)油動飛機(jī)相比，具有造價低廉、節(jié)能環(huán)保、安全實用的特點。遼寧太平洋航空工業(yè)有限公司引進(jìn)美國設(shè)計的KIS-2，KIS-4均為復(fù)合材料的2座和4座輕型飛機(jī)，其結(jié)構(gòu)以玻璃鋼為主，局部如機(jī)翼大梁，平尾等處就用了碳纖維復(fù)合材料。

目前，復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)在輕型飛機(jī)上應(yīng)用最為廣泛。夾層結(jié)構(gòu)通常是用比較薄的板材作面板，比較厚的密度小的材料作芯子膠接而成，如蜂窩夾層結(jié)構(gòu)或泡沫夾層結(jié)構(gòu)。

國內(nèi)軍機(jī)復(fù)合材料使用情況如下圖所示：