11 3 B787的应用
美国波音飞机公司正在研制 B787“梦想” (Dreamliner)飞机 ,并已于 2007年 7月 8日成功下线 ,即将首飞并交付航线使用。该机要大幅度减轻结构重量 ,提高燃油效率 20 %,所以大量采用了复合材料。
B787共用复合材料 50 %左右 ,考虑到复合材料密度仅为 11 6 g/ cm3 ,故全机主要结构均将采用复合材料制成 ,从外表面看 ,除机翼、尾翼前缘 (防鸟撞 ),发动机挂架 (防高温 )外几乎看不到
大型客机 ,其应用水平远远超过 B777和 A380 ,为世界之最 ,世界公认这是复合材料发展史上一个重要的里程碑。
B787的主要用材体系为 T800S/ 390022,纤维为日本东丽公司产品 ,树脂为改性的韧性环氧 , 177℃固化 ,已基本在 B777上完成使用和验证。所用的新技术还包括 Ti Gr层板 ,即碳纤维增强钛板 ,由 IM6/ PEEK与钛箔相间制成 ,又是一种新的超混杂复合材料 ,同样具有优异的抗疲劳性能 ,同时耐高温 ;结构健康监控技术 ,以光纤系统为传感器 ,连续探测损伤 ,监视结构完整性 ,而且是在线监控 ,预报早期的结构修理、维护要求。波音认为复合材料除减重外 ,还可提供更好的耐久性、耐腐蚀性 ,可降低使用维护要求和成本 ,较 B767降低成本 30 %,增加未来发展的潜力和空间。
波音人强调指出 ,在人类有动力飞行进入第二个百年之后 ,波音如此地选材决定将使其在先进材料技术领域占领世界的制高点 ,声言要领跑飞机设计技术 ,称“复合材料为航空航天的未来”。我们已经知道 ,复合材料在军机、直升机、无人机包括无人作战飞机上的用量已经达到或超过了 50 %,如今大型客机上的用量也超过了 50 %,这给业已存在的飞机结构复合材料化又涂上了浓墨重彩的一笔。
11 4 A400M和 A350的应用
A400M是欧洲空客集团正在研发的一架大型军用运输机 ,为大量减重以增加有效载荷已决定大量应用复合材料 ,复合材料约占其结构总重欧洲宣称 A400M和 A350均将采用欧洲最
新的复合材料技术 ,以迎接美国 B787复合材料
技术的挑战 ,欧美在竞争复合材料技术和应用的“霸主”地主。
A380 ,B787 ,A400M ,A350等几大机种广泛
使用复合材料 ,形成了复合材料在航空领域迅猛
发展的新态势 ,也直接导致了目前世界性的碳纤
维严重短缺的事实 ,引爆了世界性的碳纤维危机。
长期以来空客和波音在复合材料的应用上 ,
特别是机身应用的问题上 ,双方是有不同观点 ,并
存在较严重的分歧与争论。空客认为波音在
B787上如此应用复合材料是在冒大的风险 ,特别
是机身 “会导致非优化的设计方案” ,损伤容限也
成为问题 ,会影响安全 ,此外成本、修理等也成问
题。波音回之以技术上不成问题 ,安全上更不会
有问题 ,只承认成本上会高一些。争论以后空客
还是走到波音的路上来了 ,殊途同归在 A350上
采用了复合材料机身 ,但不是筒段机身而是板段
机身。实质上这与空客在自动化制造技术上落后
于美国有关。
那么波音是否存在风险呢 ?实质上波音是存
在风险的 ,如果 B787上的复合材料技术失败 ,则
会导致波音与空客总体竞争上的失败。机遇与挑
战同在 ,效益与风险并存。目前 B787已正式宣
布推迟进度半年 ,说明风险与技术上的问题均是
客观存在的。
2 应用的技术基础
先进复合材料在大型客机上如此大踏步前进的应用态势是始料不及的 ,应用的情况固然重要 ,但笔者认为认真分析其应用的技术基础尤为必 工作卓有成效地推动了应用的进展。
21 3 低成本复合材料技术是重要的前提
复合材料在飞机结构上扩大应用的主要障碍是成本较高 ,特别是制造成本较高。鉴于此 ,以美国为首的西方发达国家纷纷制订了低成本复合材料计划 ,复合材料的低成本化已形成了当今世界上复合材料技术发展研究的核心问题。美国国防部联合 NASA ,FAA和工业界共同发起并制订了低成本复合材料 (Composite Affordbility Initia2 tive ,CA I)计划 ,该计划自 1996年至 2007年共分 4个阶段执行 ,已于 2006年结束 ,正在做总结 ,认为取得了巨大的成功。 CA I的目标是要降低成本 50 %,其核心是要共同努力创造一个设计 /制造上示范性的转变 ,最终降低复合材料单位质量的成本数。
低成本复合材料技术包括了低成本的设计技术、低成本的制造技术和低成本的材料技术 ,核心是低成本的制造技术。为此发展了以自动铺放技术 ,包括自动铺带技术 (A TL )和自动纤维铺放技术 (AFP) ,为核心的自动化制造技术。同时大力发展了以共固化 /共胶接为核心的大面积整体成形技术 ,这使得 B787实现了与金属零件数比为 1 ∶19的可喜成果。
21 4 复合材料技术的进步是坚实的保障
先进复合材料历经 30多年的研究、发展和应用已取得了长足的进步 ,从设计、材料、制造到试验验证逐步走向了规范化、标准化和成熟化 ,即复合材料技术上的进步 ,形成了如 B787上大规模应用复合材料的坚实保障。
根据经充分论证确定的合理目标 ,有针对性地规划预研课题 ,尽快启动预研工作 ,争取用有限的时间 ,突破必要的关键技术 ,形成强有力的技术支撑。
(2)注意突破关键技术。所谓关键技术系指缺了它不行的技术 ,对大型飞机而言关键的复合材料技术应包括以下诸点 :
革新的设计技术和理念 ,以 DFM技术为核心的数字化设计技术 ,并注意材料许用值和结构设计值的合理确定、损伤容限和修理等问题的合理解决、工程计算分析方法的研发和相关设计软
(9) :9213. (in Chinese
)
件 ,如规范手册等的编写和制订。
Hinrichsen J. Material and technology develop2 发展并确定先进的材料体系
,关键是碳纤维ments for the A380[C] ∥Proceedings of the 22nd Interna2 的问题 ,用国产的还是进口的 ?哪个档次哪个品tional SAMPE Europe Conference. 2001 :1232134.
种的 ?其次是高韧性环氧树脂的研究与开发和较大丝束纤维的应用。早定材料体系 ,以便开展工作 ,积累经验和数据。 中国航空网 www.aero.cn 航空翻译 www.aviation.cn 本文链接地址：航空学报08大飞机专刊(62)
