現(xiàn)代噴氣式飛機(jī)，如波音787和空客A350，已經(jīng)出現(xiàn)采用復(fù)合材料制造機(jī)身結(jié)構(gòu)的趨勢(shì)。這似乎將成為新飛機(jī)設(shè)計(jì)的前進(jìn)方向。雖然存在一些挑戰(zhàn)，但較低的客機(jī)重量能顯著提升飛行效率并降低運(yùn)營(yíng)成本。

波音787為首款采用復(fù)合材料制造機(jī)身的客機(jī)

鋁金屬機(jī)身

飛機(jī)并非一直采用金屬制造。許多早期飛機(jī)使用木材制造，不僅僅是雙翼飛機(jī)這樣的小型飛機(jī)，被稱為“云杉鵝”運(yùn)輸機(jī)的霍華德·休斯H4也是木制結(jié)構(gòu)。

“云杉鵝”運(yùn)輸機(jī)于1947年推出，是世界上最大的木制飛機(jī)。

木材是一種實(shí)用的材料，成本低，重量也很輕。但對(duì)于高速飛行來說，木材不夠堅(jiān)固。隨著飛行速度的提高，當(dāng)然也隨著噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的引入，金屬材料成為飛機(jī)制造的更佳選擇。.

鋁金屬曾是飛機(jī)制造材料的最佳選擇，耐用、輕便，且相對(duì)便宜。事實(shí)上，鈦金屬更好，但成本太高。折衷之舉是使用鋁合金來減少應(yīng)力疲勞和腐蝕的問題。直到最近，這種鋁合金一直是所有噴氣式飛機(jī)機(jī)身的基礎(chǔ)材料。此外，還會(huì)使用少量的其他金屬(如鋼或鐵)，但它們本身太重，在高溫下會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力。

長(zhǎng)期以來，噴氣式飛機(jī)以鋁合金材料為主。

轉(zhuǎn)向復(fù)合材料

許多現(xiàn)代飛機(jī)，尤其是波音787和空客A350，都已改用復(fù)合材料進(jìn)行建造。這順應(yīng)了近年來飛機(jī)運(yùn)行效率更高、成本更低、排放更低的趨勢(shì)。

早期飛機(jī)已經(jīng)開始朝這個(gè)方向轉(zhuǎn)變。例如，空客A380的復(fù)合材料占比約為20%，波音777的復(fù)合材料占比約為12%。有趣的是，最新的波音777X將保留鋁制機(jī)身。

以波音787為例，大約50%的材料是碳纖維增強(qiáng)塑料(CRFP)和其他復(fù)合材料。鋁仍占20%，鈦占15%，鋼占10%。

波音787機(jī)身大約50%是碳纖維復(fù)合材料及其他復(fù)合材料。

空客A350也使用了CRFP。空客公司在其網(wǎng)站上提供了關(guān)于使用CRFP的詳細(xì)描述:

“在CFRP的生產(chǎn)中，數(shù)千根極細(xì)的碳纖維絲捆綁在一起，形成每一根纖維束，許多這樣的纖維束通過樹脂粘合在一起，以達(dá)到所需的剛性水平。復(fù)合材料組件是由精確成型的薄片相互疊加，然后粘合而成，通常是在稱為高壓釜的烘箱中加熱和加壓，從而產(chǎn)生高性能的復(fù)合材料。”

飛機(jī)制造向復(fù)合材料的轉(zhuǎn)變?cè)诤艽蟪潭壬弦獨(dú)w功于波音公司。波音公司選擇追隨波音777(迄今最暢銷的寬體客機(jī))的成功，采用全新的波音787飛機(jī)設(shè)計(jì)，使波音進(jìn)入了此前未經(jīng)驗(yàn)證的復(fù)合材料機(jī)身市場(chǎng)。不過各大航空公司給出了積極的反應(yīng)。受此影響，空客公司也決定修改空客A350的計(jì)劃，并采用空客A350XWB設(shè)計(jì)一款全新的復(fù)合材料寬體客機(jī)。

波音787是第一架大量采用復(fù)合材料制造的飛機(jī)，比空客A350XWB早4年推出。

復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)

復(fù)合材料用于飛機(jī)制造的主要優(yōu)點(diǎn)是減輕重量，從而降低飛機(jī)燃料消耗和排放，最終降低各大航空公司的座席成本。而且，復(fù)合材料還具有抗腐蝕性和抗疲勞性，這能減少航空公司的維護(hù)時(shí)間和維護(hù)成本。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件可以被模塑成任何形狀。這一特點(diǎn)使得整個(gè)機(jī)身的“桶”段部分可以在不同地點(diǎn)進(jìn)行制造，而無需像鋁板一樣必須使用螺栓固定在一起。波音公司在建造787客機(jī)時(shí)廣泛使用了這種方法。機(jī)身部分在不同的地方(包括意大利和日本)完成制造，然后空運(yùn)到到波音的美國(guó)工廠進(jìn)行最后組裝。

在最終組裝階段，對(duì)不同的復(fù)合材料787機(jī)身進(jìn)行連接。

另一個(gè)不同之處就是機(jī)身舷窗更大。由于復(fù)合材料機(jī)身抗疲勞性能更強(qiáng)，機(jī)身舷窗尺寸可以增大。波音787擁有所有客機(jī)中最大的舷窗，隨著復(fù)合材料性能的進(jìn)一步提升，未來我們能看到更大的機(jī)身舷窗。

波音787擁有目前所有飛機(jī)中最大的機(jī)身舷窗。

復(fù)合材料的局限性

隨著復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展，至少應(yīng)用于商用客機(jī)的復(fù)合材料技術(shù)正在快速發(fā)展，復(fù)合材料還存在什么缺點(diǎn)嗎?在某種程度上，成本是其中之一。CFRP組件的生產(chǎn)成本比標(biāo)準(zhǔn)的金屬部件要高(隨著生產(chǎn)和使用的擴(kuò)大，這種情況可能會(huì)改變)。但隨著時(shí)間的推移，這一成本可以被較低的維護(hù)成本所抵消。

此外，還有人對(duì)復(fù)合材料機(jī)身受損的檢測(cè)表示擔(dān)憂。撞擊損傷不像金屬機(jī)身那樣可見或易于檢測(cè)。監(jiān)管機(jī)構(gòu)提出的緩解該問題的建議包括更好的培訓(xùn)以及對(duì)潛在的機(jī)身接觸進(jìn)行更多的監(jiān)管和報(bào)告。其他測(cè)試(包括光學(xué)、電子和聲學(xué))也可以檢查復(fù)合材料機(jī)身?yè)p壞。

另一個(gè)挑戰(zhàn)是飛機(jī)改裝。目前已經(jīng)出現(xiàn)了有關(guān)貨機(jī)改裝的問題——在復(fù)合材料機(jī)身上切割裝貨門比在鋁制機(jī)身上切割裝貨門更具挑戰(zhàn)性。但隨著機(jī)身重量的減輕以及飛行效率的提升，運(yùn)營(yíng)商會(huì)樂于接受上述問題。

本文由中國(guó)復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會(huì)編譯，文章不用于商業(yè)目的，僅供行業(yè)人士交流。轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來自中國(guó)復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會(huì)。