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飞机不再金属专制 复合材料占比已超金属

2021-08-15

  如今,复合材料在飞机上的应用已非常广泛,复合材料在总材料中的比例逐步提高,成为衡量飞机结构先进性的重要指标。相对之下,常规的金属材料占比越来越小。本期飞机小课堂以两大飞机制造商波音及空客的几大机型为例,介绍现代民机中复合材料的运用及发展趋势。

  有分析人士认为,未来将是全复合材料结构的时代,作为飞机常规材料的金属反而会成为例外的那部分,地位降低许多。这样的设想是否会成真不得而知,有待时间的验证,不过我们可以清楚地看到,近年来大型民机在结构选材方面,全金属材料过渡到全复合材料是种明显的趋势。

  美国贝奇飞机制造公司曾制造出世界上第一架全复合材料飞机。它使用了耐热性能好的碳纤维层,中间夹有环氧化物。石墨和环氧化物的保护层包裹着一种蜂窝状材料。这种复合结构要比目前普遍使用的铝、钢和钛的合金材料轻一半,强度和耐热性几乎相同。

  我们来看看现今波音及空客几大机型中,复合材料有哪些运用。首先来谈波音787梦想飞机及波音747-8飞机。

  波音787飞机主要由碳纤维复合材料制成。这种材料可像布料一样剪裁,因此新的生产工序制造出的边角余料和废料减少了。现有的飞机主要是铝制的,必须铣削和切割掉大片或大块材料来制造飞机结构。被用来制造飞机零部件的原材料中,通常有90%在生产过程中成为了边角余料。虽然这些材料可以再循环,但尽可能避免浪费无疑是更好的办法。787复合材料方案解决了这个效率问题。

  与波音777飞机相比,复合材料在波音787中的占比有很大提升,达到50%,远超过铝所占的20%。而波音777中复合材料约占12%,铝占50%。

  其中一个使用复合材料替代铝材减少零部件数量的例子,体现在第一个桶状机身段上,1,500张铝板共40,000–50,000个紧固件,紧固件减少了80%。(如图)

  再说波音747系列的新机型波音747-8,家族成员包括747-8洲际飞机和747-8货机。这款新机型体现了很多新技术,包括复合材料的使用。

  与波音777飞机一样,747-8飞机广泛采用新一代铝合金,同时,它还在襟翼、扰流板、短舱和方向舵中采用石墨复合材料。

  这些材料具有更卓越的耐用性与抗腐蚀性和抗损坏性,能减少维修,增加飞机的可用性和创收时间。质量更轻的材料有助于减轻飞机重量。重量较轻的飞机其效率得以提高,油耗、维修成本、与重量相关的导航和起降费用降低。得益于此,747-8的重量将减轻907公斤(2,000磅)。

  此外,另一飞机制造商空中客车公司也在复合材料方面不断尝试和努力。空客A380飞机、A350 XWB飞机都有这一创新性传统的体现。

  被叫做空中巨无霸的大型客机空客A380,约有25%由先进轻质复合材料制造,其中22%为碳、玻璃或者石英纤维增强塑料,3%为GLARE(一种玻璃纤维―铝层压板)材料。

  A380还采用了复合材料制成的中央翼盒,它是连接机翼与机身的非常重要的主体结构。包括后压力舱在内的后机身也有复合材料的使用。

  除复合材料外,A380还大量采用了先进的合金材料,这些材料具有易于修理和维护的好处。每一种材料都根据不同部件预计将承受的负荷、压力和损坏程度而进行优化使用。

  对于另一款新型A350 XWB宽体飞机来说,复合材料的表现更加突出,所占比例甚至超过了50%!

  它与相比同级别飞机结构相比重量更轻,超过70%的减重是由于采用了53%的复合材料以及钛合金、铝合金等先进材料。A350 XWB宽体飞机的机身采用创新性的全新碳纤维增强型塑料,进一步减少了油耗,同时更易于维护。

  早在2010年12月8日,空中客车公司就开始了首个A350XWB碳纤维结构机身桶的生产。(如图)

  2012年4月25日,用于对A350XWB宽体飞机进行静态结构测试的飞机后端机身抵达总装线米,采用的是碳纤维复合材料,由机身尾段和四块后机身蒙皮组成。(如图)

  将复合材料应用于飞机制造,需要遵循循序渐进的的方式。通过多年的实践和经验积累,复合材料使用比例逐步提高,飞机各方面的性能也因此得以逐步提升。

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