雙通道民機機身選用哪種方案
鋁合金飛機機身都是由板件組合成機身筒形段。因此，空客A350機身用4塊復合材料板，組合機身筒的方案，很容易被人接受。波音787是用預浸有樹脂的碳纖維無捻紗帶，纏繞成一個整體筒體。她較多地改變了傳統飛機設計、制造概念。因此，一些人只看到機身結構變化大、制造設備都是高新技術的龐然大物。特別是一些技術人員認為太先進、太難了，一時還很難接受。
市場反映
波音787從2011年10月26日交付第一架飛機至2014年，要交付183架，確認訂單達1048架有兩條總裝線，一條在西雅圖的埃佛雷特，另一條在南卡羅萊拉州的查爾斯頓。目前每月生產10架飛機。2016年達到每月12架，2020年要達到每月14架。波音787研發成本（包括延期交付的賠償）總計達320億美元。要收回這個巨額成本，預計要到2020年售出1000架飛機。
空客A350目前還在取證試飛中，但從客戶反映中出現了問題。與波音787-8最小型號競爭的A350-800訂單，從2009年的180架退到了34架。其中一些客戶改訂較大的A350-900?？蛻粜枨蟮淖儎?，有可能迫使空客公司放棄A350-800的生產。面對這種形式，空客又決定起用老飛機A330換新發動機的A330neo與波音787-8競爭。
與波音787強勁的市場需求相比，空客A350在市場上跌跌撞撞的表現，不得不讓我們探索這兩種飛機的設計思想、技術路線。
A350和B787都是屬于復合材料的寬體客機，前者復合材料用量53%，后者用量50%。二者最大的差別是在機身使用復合材料技術上，走了截然不同的路徑。
A350機身復合材料技術的來龍去脈
2004年以前，空客在民機上復合材料用量比波音大。上世紀 九十年代,以空客為主聯合多家飛機制造公司、研究院、學校，開展對復合材料在民機工程上應用的研究。該項目名為，APRICOS – Advanced Primary Composite Structures。在這個總項目下面又針對機身又有兩個分項目:
1. TANGO –Technology Application to the Near-Term Business Goals and Objectives of the Aerospace Industry
2. FUBACOMP – Full Barrel COMPosite
TANGO項目研究機身直徑4米以上民用飛機；FUBACOMP項目研究機身直徑2-2.5米商用飛機。
對于直徑4米以上的飛機采用4 塊復合材料板件組合成筒體。筒體帶有4條縱向連接縫。這個研究方向確定后，隨即開展了大量的工作。其中有1：1直徑的筒體試驗件。
這里關鍵的問題是，項目研究工作是在上世紀90年代開始的。從我看到的資料，無論從碳纖維、樹脂、工裝、模具、制造工藝都無法和現在相比。如，碳纖維是用東邦（TOHO Tenax）的HAT(相當于東麗的T300)。樹脂是用977-2、5250-4、XE12等。在這樣的材料、技術水平的狀態下，是無法研發、制造復合材料整體筒。
2004年4月波音公司宣布啟動787夢幻飛機。她是機身率先使用復合材料的民機。復合材料的飛機再裝上先進、節油、低排放、低噪音的發動機，使得她大受市場的青睞。空客為了盡早與波音競爭，于2005年10月推出A350。A350是在她銷售業績很好的A330基礎上做三項改進的新飛機。
這三項改進是：
- 采用先進的氣動外形；
- 換裝先進、新型發動機；
- 機體使用先進材料達60%。同時還決定，A350將完全取代A330（今年4月在巴黎航展上又宣布A330換新發動機繼續生產）。
這里最關鍵的是先進材料達60%。其中復合材料40%，另外20%是鋁-鋰合金。機身用鋁-鋰合金，這就意味著空客到2005年10月機身仍然不準備使用復合材料。鋁-鋰合金的機身是競爭不過復合材料的機身的。民用飛機的增壓客艙機身段是疲勞最嚴重的部件。傳統鋁合金機身，蒙皮和長桁采用鉚釘連接。一個鉚釘孔、一個鉚釘窩，就是一個疲勞源。長期以來，人們為了延緩鉚釘孔、窩的疲勞破壞，從一個小小的鉚釘到制孔、锪窩，都做了大量的研究、改進工作。這些努力稍微改善了一點機身的疲勞性能，但是只有當復合材料應用在機身上時，機身的疲勞性能才得到了本質上的飛躍。
客戶對鋁-鋰合金機身反映強烈，頗有微詞。接著空客對A350的設計方案做了幾次更改（有報道說是6次）。其中一次是，機身框用金屬，外面用復合材料。其后一次是機身框也用復合材料，全機復合材料用量超過波音787達53%。但在駕駛艙頂部仍舊用一塊鋁-鋰合金蒙皮。機身等直段筒體由4塊復合材料板件組合而成。機頭結構和金屬飛機相同，由三個組件組成。三個組件共有5個板件（一個鋁-鋰合金板件、4個復合材料板。機身尾段（section19）整體筒。
波音民機復合材料
在787研制以前，波音在民機上使用復合材料的量遠遠少于空客的民機。在那段時間里，波音公司一直在探索民機使用復合材料技術。早在1984年就用碳纖維復合材料NARMCO T300/5208試制了5架份737-200的水平尾翼。并裝機進行實際飛行試驗。波音和NASA還設計、制造了全尺寸復合材料試驗機翼，進行了大量實驗。通過上述工作，波音公司并沒有急于將這些成果用在她的民機上。波音公司還在期待有強度更高的碳纖維復合材料和更先進的制造工藝。
1990年波音推出了全數字化設計、制造的雙通道飛機777，機體復合材料應用擴大到水平尾翼和垂直尾翼。777復合材料用量達結構重量的11%，是當時波音民機使用復合材料最多的一款民機。11%的用量雖然不算多，但它標志著波音公司落實了一種能夠用于飛機主要受力結構、日本東麗公司（Toray）生產的復合材料 – T800H/3900-2。T800是一種中模量、高強度碳纖維；3900-2是一種添加有熱塑性樹脂增韌環氧樹脂。與此同時,波音公司還為它建立了經過適航審定的材料標準 – BMS 8-276 Advanced composites - 35℉ (170℃)crue toughened – Epoxy preimprengated carbon fiber tapes and fabrics（BMS 8-276先進復合材料 - 350℉ (170℃) 固化 增韌 - 環氧預浸漬碳纖維帶和織物）。
通過水平尾翼和垂直尾翼翼盒的制造，為復材機翼翼盒研制提供了成熟的制造工藝。這其中有，預浸樹脂的碳纖維單向帶UD(prepreg unidirectional tape)和使用自動鋪單向帶的設備-ATL(Automatic Tape Laying)，以及固化工藝、質量檢測等。
波音公司在777先進復合材料技術的基礎上，吸取了雷神公司研制“首相1號”復合材料機身纏繞技術，以及“B-2”的復材鋪放技術，經過近10年的探索，決定787機身將采用復合材料整體圓筒，即OPB- one piece barrel。
2004年4月波音787項目正式啟動，2005年8月25號堪薩斯州威奇托的Spirit AeroSystem工廠,借用雷神公司的自動纖維帶鋪放設備，試制出第一個整體復合材料機頭試驗件。
從2002年宣布7e7飛機開始，波音公司牽頭、協調不同國家、不同企業為制造整體復合材料機身提供新材料、新設備。
日本東麗公司（Toray）改進了波音777使用的復合材料。為787提供性能更好的T800S/3900-2B。T800S是改變了T800H碳纖維上漿的漿料，使它能更好的與樹脂結合，達到提高層間強度。3900-2B改變了在3900-2中添加熱的熱塑性樹脂，它不僅提高了韌性，同時還降低了成本。特別是為制造機身提供了用“干法”浸漬3900-2B樹脂的narrow slit tape。
美國一家造艦艇企業為制造機身研制出，用殷鋼制造的大型分塊聯鎖芯軸（模具）。
美國ElectroImpact公司為制造機頭鋪放碳纖維無捻紗帶slit tape提供了自動纖維帶鋪放設備-AFP
美國ASC Process Systems公司為機頭復合材料固化制造了，當時最大的熱壓罐。熱壓罐直徑9.1ｍ ， 長21.3ｍ，罐內壓力150 psig (10.2 Bar) 、溫度450 ℉ (232℃)。
固化后的機身筒體用M. Torres DisenosIndustriales S.A.公司提供的激光畫線、切割裝置，加工門、窗開口。
開口后的機身筒體還需要用C掃描，做超聲波檢查內部固化質量。
制造好的復合材料機身筒體，進入一個別開生面新型裝配夾具 – 裝配車。在裝配車中安裝機身框、門框、窗框以及地板組件。
德國Brötje公司和美國ElectroImpact公司配合不同形式的裝配車研制了專門的巨型鉆孔、安裝緊固件的自動化設備。
大部件在車間轉移，大量使用了自動引導車（AGV）。
787她徹底改變了飛機制造車間的面貌。生產過程中不僅是自動的全新設備，而且設備大多是量身打造,有智能化的趨勢。在美國一些媒體稱787是航空工業的一次“革命-Revolution”。
研制中暴露的問題
從空客A350設計初期幾次更改，特別是在機身選材上猶豫不決，反映出在使用中模量、高強度碳纖維/新型增韌環氧樹脂復合材料，技術儲備不夠。復合材料做結構件最大優勢是，產品集成設計、減少零件數量、減少連接。A350的機身從頭到尾（section 11-12到section 19）共有19個板件和一個筒體（787機身是5個筒體和一個半圓弧板件）。特別是駕駛艙頂部，擔心復合材料蒙皮不能承受鳥撞擊強度要求，使用了一塊鋁-鋰合金蒙皮。
機身雖然使用了美國赫氏公司（Hxcel）的新型增韌環氧樹脂/中模量、高強度碳纖維復合材料HexPly®M21E /IMA ，但板件的制造工藝并不快捷、簡單。中機身（section 15）三塊最長的板件，是在美國北卡羅來納州的金斯頓Spirit工廠制造的。成形凸模用殷鋼制造，凸模表面有定位長桁的槽口。鋪放蒙皮前，半固化的復合材料長桁已經在槽口中定位。蒙皮鋪好后，連同模具一塊進入熱壓罐中固化。其余板件是空客公司在德國、法國的工廠制造的。他們共同的特點是用傳統的老工藝，成形的凸模不帶定位長桁的槽口，蒙皮成形后轉入殷鋼的凹模，然后在蒙皮內表面定安放長桁，接著一塊進入熱壓罐固化。固化后的板件從凹模中取出，板件翻身凸面朝上，繼續進行下面的切割、修飾等工作。由于板件尺寸較大，因此在凸模轉凹模、產品翻身過程中需要不同的專用工裝夾具。這些工裝夾具大多是復雜的龐然大物。
顯然，在美國Spirit工廠和在德國、法國工廠，制造板件工藝方法差別很大。前者的工藝方法接近787整體筒的制造工藝。目前，對在德國、法國工廠制造板件，蒙皮和長桁是二次固化還是膠接，沒有查到確切的依據。如果是膠接，那么在強度概念上與二次固化就有本質的不同。
目前使用的制造飛機受力結構件的先進復合材料，需要進入熱壓罐中，經過高溫、高壓固化。固化時間在10個小時左右。產品是連同模具一塊進入熱壓罐。為制造A350機身板件，在承擔板件的工廠大都新安裝了熱壓罐。熱壓罐的直徑分別在6.5-8米不等（波音787機身筒體固化用的熱壓罐，最大的直徑是9.2米）。
制造板件的熱壓罐直徑雖然比制造整體筒所用的直徑小。但這里要引起特別注意的是，板件固化時一次只能固化一塊板件。一個筒體由4塊組成，就得開動4次熱壓罐。需要4×10個小時。而整體筒固化，只要進一次熱壓罐，10個小時。
A350機身縱向的4條連接縫，每條縫有4排緊固件。這與整體筒機身相比，不僅削弱了強度、增加了重量，而且這2萬多個緊固件鉆孔、锪窩、放鉚釘、緊固件成形，都得手工操作。機頭（11-12 section）5塊板件連接，也要增加數量不少的緊固件。
787機身設計、選材、制造，大量采用了新材料、新技術、新工藝。雖然波音有充分的準備，研制中難免出現問題，但問題都不是顛覆性的，波音一個個都解決了。
項目一開始，有資料報道他做了10個直徑1：1、長度不同的試驗件（現看到圖片的有5個）。最初機頭試驗件和傳統金屬機頭長度一樣。后來在正式生產的機頭（section 41）增加了一段等直段，使長度達12.8米，并帶有9個旅客窗戶。這一段是787機身分段中最長的一段。
787機身段的分離面選在旅客窗的中心線上（過去波音、空客鋁合金機身此分離面均選在框軸線上，A350仍然選在框軸線上）。在一個試驗件上，明顯看到分離面上的半個窗戶缺口。但是，在正式生產的787機身分離面上，取消了此窗戶。此飛機設計技術是原麥道公司民機上一直使用的。從強度、制造工藝考慮都是優于分離面選在框軸線上。特別是機身對接時，非常適合自動化對接。波音787接受了此技術，并且有了改進 – 干脆取消此窗戶。有報道，空客在跟蹤波音787技術發展中已經注意到這個問題。
有圖片資料報道，787第一架機身對接時，在美國Spirit制造的機頭41段與在日本制造的機身前段43段，出現了較大的間隙和階差。問題是如何產生的以及如何處理，沒有看到報道。從這架飛機以后，再沒有反映這個問題。
機身的另外一個特點是，機身中段較長。分離面遠離載荷大的區域的模塊化設計（A350也按此設計）。機身模塊化設計起始于90年代初，當時的麥道公司將它首先應用于MD90-30中。
模塊化設計不僅機身結構，她也包括在機身模塊中安裝系統件。最突出的是機頭交付到埃佛雷特總裝時，前起落架已經安裝好了。模塊化設計、制造，大大縮短了總裝的周期。這也是波音飛機總裝一大改進。
結論
雙通道機身采用波音預浸有樹脂的碳纖維無捻紗帶，纏繞成一個整體筒體的方案是一個最佳的選擇。波音預測此技術包括其后的一系列技術，將在今后4-50年內處于領先的地位。另外這里還隱涵著一個巨大的應用領域 – 航天和國防。最近，NASA與波音就是用這種方法研制出直徑5.5米的復合材料液氫低溫燃料箱。
如果選擇4塊板組合機身筒體，我們也得從頭做起。幾年功夫下來，就是成功了，未必一定能達到空客水平。要害是我們失去了研發制造復合材料液氫低溫燃料箱的時間。
附件：空客A350與波音B787機身對比
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十多年前議論雙通道民機，與今日討論雙通道民機，環境、應用技術大不相同了！現在有了微信，關心商飛雙通道C929的人們，可以用微信這個平臺，暢所欲言地交流各自認知?，F在應用技術又有了突飛猛進地進展。高溫、高強度熱塑復材，制造機身受力結構件的優越性，已經展現在人們的面前。C929機身的機身用它嗎？用在哪里？這些問題都值得去討論。
最近整理文件，此舊文中很多信息，現在在網上很難看到了。如空客緊隨787，研發A350開始時，曾經有一方案—復材用量40%。經過6次更改，最后才確定53%的方案。發給諸位同仁保存。
楊超凡 2025.1.31
