復(fù)合材料,，航空航天領(lǐng)域的重要結(jié)構(gòu)材料

寂靜天花板

從0到53%的跨越,，復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域結(jié)構(gòu)材料中扮演著越來(lái)越重要的角色,。
自1959年德國(guó)斯圖加特大學(xué)研制出第一架全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的滑翔機(jī)“Phönix”以來(lái),，復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域結(jié)構(gòu)材料中扮演著越來(lái)越重要的角色,。
2 n5 L2 Y# C! a' t復(fù)合材料具有較高的比剛度與比強(qiáng)度,、出色的耐疲勞性能和抗腐蝕等特點(diǎn)，能滿足民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)輕量化,、高可靠性,、使用壽命長(zhǎng)、效能高等性能需求,。此外,，復(fù)合材料其他功能性的應(yīng)用潛力，如一體化傳感器等,，也成為其得以廣泛應(yīng)用的又一優(yōu)勢(shì),。目前，復(fù)合材料已成為繼鋁合金后,，航空航天領(lǐng)域又一重要的結(jié)構(gòu)材料,。
( a/ g% q$ S1 v- l, z; c) `大體而言，復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用可以分為三個(gè)階段：
第一階段是應(yīng)用于受載不大的簡(jiǎn)單零部件,，如各類口蓋,、舵面、阻力板,、起落架艙門等,；
第二階段是應(yīng)用于承力較大的尾翼級(jí)主承力結(jié)構(gòu)，如垂直安定面,、水平安定面,、全動(dòng)平尾、鴨翼等,；
  S9 a4 O1 X! p% ]& E+ v4 {第三階段是應(yīng)用于主承力結(jié)構(gòu),，如機(jī)翼盒段、機(jī)身等,。
" [2 [5 p" _" ]/ j20世紀(jì)70年代中期,，空客首次將復(fù)合材料應(yīng)用于第三代大型民用飛機(jī)A300飛機(jī)的垂尾。80年代，在A310的活動(dòng)面和垂尾上成功應(yīng)用了復(fù)合材料之后,，空客逐漸增加了復(fù)合材料在其他結(jié)構(gòu)部件上的應(yīng)用,。在第四代大型民用飛機(jī)A320上，空客將復(fù)合材料應(yīng)用擴(kuò)大到了尾翼,，并使A321,、A319,、A330基本保持了相同的應(yīng)用水平,。在隨后的第五代大型民用飛機(jī)A340上，復(fù)合材料的比重提高到8%,。
在第六代大型民用飛機(jī)A380的研制中,，空客再次進(jìn)行大膽創(chuàng)新，在中央翼盒,、機(jī)翼前緣,、翼肋、機(jī)翼后緣操縱面,、機(jī)身上蒙皮壁板,、地板梁、后承壓隔框,、機(jī)身尾段,、尾翼、整流罩和起落架艙門等處廣泛使用了復(fù)合材料,，使復(fù)合材料的比重達(dá)到25%,，用量高達(dá)30噸。
在A380之后,，為了與波音787競(jìng)爭(zhēng),，空客研制了載客量和航程與波音787處于同一級(jí)別的A350飛機(jī)。在2004年底空客最初宣布的A350方案中,，其結(jié)構(gòu)減重目標(biāo)是比A330輕8噸,。為此，空客計(jì)劃將A350的復(fù)合材料用量提高到結(jié)構(gòu)重量的約40%,。
此后,，迫于客戶的壓力和波音787取得的市場(chǎng)成功，空客先后數(shù)次對(duì)A350的結(jié)構(gòu)選材和設(shè)計(jì)進(jìn)行修改,，在2006年12月提出的A350XWB方案中,，全機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料用量上升到53%，其中央翼盒和外翼盒均采用碳纖維復(fù)合材料制造,，復(fù)合材料使用面積約達(dá)442m2,。
( |. @! T; Y; U( d# Q" W波音公司在第二代至第四代大型民用飛機(jī)737、757和767等機(jī)型中，復(fù)合材料的應(yīng)用僅涉及起落架艙門,、整流罩,、升降舵、方向舵,、襟翼和副翼等次承力結(jié)構(gòu),。到了20世紀(jì)90年代中期，在第五代大型民用飛機(jī)777研制中,，波音將復(fù)合材料應(yīng)用擴(kuò)大到了垂直安定面和水平安定面等主結(jié)構(gòu),，使復(fù)合材料的用量達(dá)到了10%。
鑒于復(fù)合材料研究的進(jìn)展和在軍機(jī)上應(yīng)用的成功經(jīng)驗(yàn),，波音在第六代大型民用飛機(jī)787研制中,，將復(fù)合材料的應(yīng)用擴(kuò)大到了50%。因此,，波音787也被人們戲稱為“塑料飛機(jī)”,。
復(fù)合材料優(yōu)異的抗裂紋擴(kuò)展性能使波音787的檢修變得更容易，通常只要通過目視檢查沒有發(fā)現(xiàn)損傷,，就不必進(jìn)行修理,，其日常維護(hù)費(fèi)用比波音777降低32%。
此外,，復(fù)合材料優(yōu)異的抗疲勞特性為波音787客艙的大尺寸舷窗設(shè)計(jì)提供了可能,，其窗口面積比空客A330/A340增大了78%，有效提升了旅客的乘坐體驗(yàn),。同時(shí),，由于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)比鋁合金結(jié)構(gòu)具有更好的耐腐蝕性，有利于提高客艙的壓力和濕度,，使旅客感到更加舒適,。
俄羅斯是傳統(tǒng)的航空強(qiáng)國(guó)，在其重振航空工業(yè)的代表性產(chǎn)品MS-21上,，俄羅斯聯(lián)合飛機(jī)公司（UAC）采用自動(dòng)鋪絲工藝進(jìn)行纖維干絲鋪貼預(yù)成型體,，然后利用液體成型工藝制造MS-21的外翼。

MS-21是一種單通道商用飛機(jī),，其復(fù)合材料用量達(dá)到31%,。UAC公司認(rèn)為，如果MS-21能夠通過使用復(fù)合材料降低飛機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)的重量和制造成本,，俄航空企業(yè)將能在競(jìng)爭(zhēng)激烈的單通道商用飛機(jī)市場(chǎng)取得成功,。
# w3 c& }3 c( _4 ]4 `MS-21采用液體成型工藝在降低機(jī)翼結(jié)構(gòu)制造成本上的作用主要有兩個(gè)方面：
首先，由于MS-21機(jī)翼結(jié)構(gòu)尺寸較大,，量產(chǎn)后飛機(jī)在材料以及設(shè)備上的成本降低會(huì)十分可觀,。
其次,，機(jī)翼結(jié)構(gòu)的整體化設(shè)計(jì)和制造大幅減少了緊固件數(shù)量以及工人勞動(dòng)量。UAC表示,，相對(duì)于熱壓罐工藝,，液體成型工藝能實(shí)現(xiàn)減重10%，成本降低30%,，能源損耗降低50%,，工時(shí)減少30%。雖然上述數(shù)據(jù)有待證實(shí),，但液體成型工藝的成本優(yōu)勢(shì)毋庸置疑,。
' r) v9 O( I' G2 v4 g  P1 D" b7 d另一家飛機(jī)制造商加拿大龐巴迪公司也在嘗試擴(kuò)大對(duì)復(fù)合材料的應(yīng)用。在其最新研制的C系列飛機(jī)中,，復(fù)合材料的用量達(dá)到20%,，主要用于中央翼,、后機(jī)身,、尾錐和平尾等處。

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kayex

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