现代飞机复合材料应用与制造技术

现代飞机复合材料应用与制造技术

胡大豹

中航飞机股份有限公司复合材料厂 陕西省西安市 710089

摘要：随着人类科学技术的不断发展与进步，人们对制造工艺、制造技术、制造材料等方面的要求越来越高，特别是在现代航空领域。将复合材料应用于飞机制造，并辅以自动化制造技术完善和提高制造工艺和质量，在发达国家眼里不再是什么新鲜概念了。在这方面，波音公司与空客公司对复合材料应用于飞机制造发展的贡献还是很大的。下面本文将对现代飞机复合材料应用与制造技术的问题进行探讨。

关键词：飞机制造技术；复合材料；探讨

一、飞机复合材料应用的发展阶段

复合材料的用量与重量占比是飞机机身结构设计的关键问题，也是衡量机型水平的重要指标。以美国为例，从上世纪70年代开始，美国先进复合材料的应用研究共分成四个阶段：

1. 从上世纪70年代初期开始，美国飞机制造商致力于研究前缘、口盖、整流罩、扰流板等受力较小的构件，直至70年代中期结束前，取得了比较不错的成果。

2. 该阶段研究始于70年代中期（1975年-1976年间）所执行的ACEE计划，美国国家航空航天局着眼于包括减重、节油、增加商载在内的飞机节能计划，着手于包括升降舵、方向舵、襟副翼在内受力较小的部件研究，直至80年代初结束。

3. 该阶段复合材料的研究仍旧着眼于前一阶段所执行的ACEE计划，但侧重于研究平尾、垂尾在内的受力较大的部件，直至80年代中期完成。

4. 在第四阶段的设计应用中，波音777复合材料用量占比为15%，波音787所使用的复合材料（碳纤维）占结构总重的61%，包括机翼、机身、垂尾、平尾、发房、地板梁及部分舱门、整流罩在内的多数飞机部位均使用了复合材料，如果按体积计算，占787全机物料的80℅均为复合物料。相比于波音777，波音787所使用的复合材料更多，所以效果更加显著。

欧洲空客集团于上世纪70年代中期开始研究复合材料，起步略晚于波音公司，但成果还是比较突出的，从1978年研究A310复合材料垂尾开始，中间经历了复合材料方向舵的生产，直至1985年最终完成A310复合材料垂尾的研究，使随后生产的A320、A330等飞机的复合材料用量占结构总量的25%。总体而言，随着复合材料的普及应用，无论是民用客机还是军用飞机，均实现了航空领域的再度“起飞”。

二、飞机复合材料制造技术

（一）整体制造理念

当前国外最新的飞机复合材料制造理念是整体制造，即将复合材料设计成整体结构，这样做最大的好处就是降低成本。众所周知，将复合材料大量应用于飞机制造的最大障碍就是成本过高，主要来自于制造工艺，而应用像自动铺放、共固化或共胶接等整体制造技术，可有效解决成本问题，因此很多人把这种技术成为低成本的制造技术。其实施方法是，通过减少零件数目、紧固件数量和协调/连接装配工作量进一步减轻结构重量，降低制造成本。与此同时，钉空数量的减少，直接影响到了机身的表面的光滑度，这主要与减少机身各部分之间的对接数量、分段数量、间隙数量有关，并在一定程度上提高了飞机隐身的性能。

（二）复合材料与制造技术的关系

从当前欧美飞机制造商将复合材料应用于大型民用客机与军用飞机的机身与机翼制造中可以看出，未来飞机制造的发展趋势是在制造整体壁板、大梁、机身等复合材料构件时采用自动铺放制造技术，这使飞机复合材料的应用于飞机制造技术很紧密地联系在一起。而自动铺放制造技术最大的特点就在于，即便遇到尺寸很大的零件，也能在满足整体制造理念的前提下，使产品的质量得到保证。

（三）自动铺放技术

由上面的分析我们可知，自动铺放技术可以有效解决由于零件尺寸过大，不方便人工操作的问题，事实上，该技术就是专门为解决这个问题，以及解决成本问题而研制的。自动铺带技术是在自动铺放技术之后产生的，适用于制作像整体壁板类零件、大梁等尺寸较大，曲率相对较小的零件。由于飞机机翼壁板面积很大，手工制作的方式显然不太合适，所以只能应用自动铺带技术，如成型一个带有工字形加强筋的格栅式整体壁板。除了自动铺带技术外，还有一种叫做纤维自动铺放的技术，这种技术比较适用于制造像机身段、进气道等，尺寸较大，且形状相对较复杂的零件，帮助人们解决了传统缠绕工艺无法有效改变大型零件厚度的问题，在大型复杂型面上铺放和压实连续预浸纤维，使得纤维在芯模上的铺放完全在无压力状态下进行。无论是自动铺带技术还是纤维自动铺放技术，均在当前复合材料飞机制造中得到了广泛应用。

三、大型飞机制造商复合材料的应用情况

（一）波音公司飞机复合材料应用情况

美国波音公司研制的B787是世界上第一个采用复合材料制作机身和机翼的商用客机，制作中应用了纤维自动铺放技术。从使用效果看，B787明显好于B777，因为B787飞机上复合材料的总用量远超B777的9.9t，并且耐久性也远好于B777。波音公司认为，复合材料将成为“航空航天结构的未来”。

（二）空客公司飞机复合材料应用情况

随着复合材料的广泛应用，空客系列飞机复合材料所占结构重量比例也在不断攀升，并同样应用到了纤维自动铺放技术，其中比较有代表性的就是空客的A380，这主要是因为它是空客系列飞机中第一个将复合材料用于中央翼盒的大型民机，采用复合材料后，中央翼盒减重至5.3t，且可承受高载。目前，空客公司为了同波音公司进行竞争，重新启动了A350XWB项目，复合材料用量已突破了前所未有的65.3%，所涉及到的部件包括机翼、平尾、垂尾以及机身的各段，同样采用了纤维自动铺放技术。

结束语：

时至今日，复合材料用量的多与寡已成为衡量和比较某类型飞机性能、舒适性、先进行的重要标准，我国目前在飞机复合材料应用这方面的研究还处于比较落后的地位，特别在纤维自动铺技术方面还是空白。因此，飞机复合材料应用与自动化制造技术研制已成为我国航空实现跨越发展的迫切需求，希望能在接下来的发展中取得实质性突破。

参考文献：

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[2].德国弗劳恩霍夫研究所展示新型飞机制造技术[J].纤维复合材料,2018,35(01):38.

[3]赵普.铝合金在现代飞机上的应用及发展[J].航空材料,1983(02):46-49.