復合材料飛機即將起航

   

隨著新材料技術的不斷發展,越來越多的復合塑料被用于航空零部件的制造??湛虯380全機重量的25%是由非金屬復合塑料制造。波音公司也將于2008年推出半塑料機身的787“夢幻客機”。同時波音公司也已宣布,全塑料機身的波音787正在加緊研制當中。 
    航空制造所用復合塑料是一種聚合體樹脂制成的矩陣結構,由耐熱性能良好的增強型碳素纖維層或者玻璃纖維層膠合而成,再利用熔爐打造成所需要的形狀以適應不同零部件所承受的壓力。目前的新型復合塑料重量只有鋁合金的一半,但強度卻比鋁合金高出20%%,而且絕緣性能好,抗腐蝕能力要比一般的金屬材料高。用其替代部分金屬制造航空零部件,不但生產成本低,還可減輕飛機重量,降低耗油,提高飛行的航程和航速,改善飛機的飛行性能。但是這種復合塑料的缺點是使用過程中必須小心維護,因為它的磨損乃至斷裂的情況與金屬很不一樣。
    對于金屬材料而言,如果壓力達到其高可承受壓力的10%,疲勞裂紋就會出現,不過這種裂紋的增大過程比較緩慢,檢修師有足夠的時間發現裂紋并及時修復,從而防患于未然。復合塑料正好與之相反,只有當壓力達到高可承受壓力的60―70%時才可能出現疲勞裂紋,但是一旦裂紋出現,也就意味著這一零部件必須馬上更換,否則就可能釀成大禍。正是由于復合塑料材料存在著這種可能會突然分崩離析的風險,再加上考慮到遇上氣流或者飛機尾流而造成的額外負荷,飛機只能在比可承受壓力水平低得多的條件下飛行才能保證不會發生空中解體的危險事件。 
    由于復合塑料材料制成的機殼在碎裂前不會發生變形,在例行維護時利用常見的視覺檢查或者敲打辨音檢查很難發現其內部存在的損傷。直升機生產商美國西科斯基飛機公司(Sikorsky)的前復合材料工程師戴維?麥斯表示:“試圖通過目檢來確定復合材料是否出現損傷,這無異于根據一個人的面容來判斷他是否患了腦瘤。”麻省理工大學的機械工程師、復合材料專家詹姆士?威廉姆斯也認為,采用視覺檢查只能說明對“復合材料各層之間粘合結構的一無所知”。 
    雖然目前工程師可以借助超聲波或者熱感應器等來確定復合塑料結構的損壞情況,但是這些檢測方法并沒有得到廣泛應用。帶回實驗室的零部件可以很容易確定問題所在,不過這種檢測手段也還沒有實用化,維修師需要的是現場快速檢測所使用的便攜工具。加拿大運輸安全董事會負責航空調查的主管尼克?施托斯表示,航空工業需要開發新的技術,以便更容易確定可引發不安全事件的關鍵因素。 
    這種便攜檢測工具很可能在不久的將來便可問世。加拿大研究委員會的讓-皮埃爾?莫查林及其同事正在為他們發明的一種可以暴露復合塑料材料內部損壞情況的激光檢測技術申請。這種檢測系統通過激光局部加熱復合塑料表面,使塑料受熱膨脹后產生振動,振動波在材料內部的各個粘合層傳播,如果材料結構出現損壞或者裂紋,振動頻率就會改變。裂紋越大,頻率就越低。借助干涉計的幫助,另一臺激光儀就能很容易地判斷出振動頻率的變化。莫查林已經通過實驗證實這種被稱為“激光敲打檢測”的技術可以發現從復合塑料表面無法覺察的損傷。他表示,由于激光能夠通過光纖傳送到位置比較高或者人工不方便檢測的部位,利用這種檢測系統,維修師無需拆除零部件就能檢測整個飛機的復合框架。 
    毋庸置疑,塑料飛機的安全性是重中之重。波音公司和空客公司都聲稱,制造前檢驗、計算機模型以及加速老化實驗,再加上目前普遍使用的視覺檢查,都能夠確保波音787和空客A380在交付使用時的安全性。按照計劃,波音787將接受多達16.5萬次飛行測試,這相當于3架飛機的飛行壽命。此外,飛機還要接受增壓、扭轉、盤旋以及彎曲等一系列試驗,比如,將長約1米的切斷機刀片作為“子彈”射向機身,以此來測試飛機在遇到小鳥撞擊時機身材料的彈性和恢復性能。與此同時,空客公司復合材料專家羅蘭?塞維因也表示,空客正在研制傳感器,用于監測飛行狀態下A380所使用的復合塑料材料的結構變化。 
    波音公司總裁穆拉利預計,完全用非金屬合成材料制造飛機的技術大約要到2015年才能成熟。