商機對復合材料要求“長進”

    我國商用飛機進展進快，對于復合材料要求日益“長進”。介大型民用飛機項目被列為，中長期科技發展規劃綱要的16個重大專項之一，是我國政治、經濟、科技發展的必然戰略選擇。民機產業是典型的知識密集、技術密集，和資本密集的高技術、高附加值、高風險的戰略性產業，它不僅在整個航空工業中的比重越來越大，而且日益成為衡量一個科技水平、工業水平，和綜合國力的重要標志之一。不論是從經濟發展的角度，還是基于安全的考慮，民機產業是大國的必爭之地。民用飛機由測繪仿制改進，蘇聯安-24研制國產運7系列飛機，測繪參考美國波音707研制國產運10大型客機，發展到組裝生產美國MD-82/-90飛機，再發展到自主設計具有自主知識產權的，支線民用客機ARJ21和大型客機的階段。ARJ21-700飛機是我國架擁有，完全自主知識產權的新型渦扇支線民用客機。它的研制成功是我國航空發展史上一個重要里程碑。該機次要結構采用了復合材料以降低結構重量。隨后研制的ARJ21-900飛機，以ARJ21-700為基礎，優化了結構細節設計，加大了復合材料比率，更加降低了結構重量，提高了飛機的使用經濟性。2008年12月1日，商用飛機有限公司上海飛機設計研究所，召開了ARJ21-900啟動會。
    研制和發展大型飛機，是《中長期科學和技術發展規劃綱要(2006～2020年)》，確定的重大科技專項，是建設創新型、提高自主創新能力，和增強核心競爭力的重大戰略舉措，是工業、科技水平和綜合實力的集中體現。2008年3月31日商用飛機公司成立，5月11日正式掛牌、注冊資本190億元。董事會成員為國務院國資委，及上海市國資委、中航集團、寶鋼、中鋁和中化。大型飛機立項后可能會，注入300～400億元投資金額，相關配套投資更大。大型飛機的結構設計方案設想，分階段實現復合材料結構，達到飛機結構重量的50％左右的先進水平，階段在飛機機翼和尾翼設計選用碳纖維復合材料結構，第二階段在機身主結構設計選用碳纖維復合材料結構。目前商飛邀請了300多位各地的專家，正在進行方案論證工作。波音公司新型的，B787夢想飛機上所用的材料，鋁合金僅占20％；而先進復合材料的用量則高達50％；空中客車公司客機A350上，先進復合材料的用量將達到53%。在國內飛機復合材料結構設計現狀的基礎上，國內架擁有自主知識產權的支線客機，ARJ21飛機采用了部分復合材料結構，其復合材料結構占結構重量的2%。ARJ21-700飛機復合材料結構的應用部位，主要有碳纖維/環氧樹脂預浸料(包括碳纖維單向帶和織物)的垂尾方向舵、翼稍小翼；玻璃纖維布/環氧預浸料的翼身整流罩、雷達罩、客貨艙地板等結構。
    民機復合材料的應用要求日高，用于民機上的復合材料原材料(預浸料或RTM等技術的材料)，除滿足飛機結構設計要求外，必須符合適航規章CCAR25(FAR25/JAR25)部分相關條款的適航性要求，材料必須能夠確保不影響飛機安全。還有適航性要求――適航標準是運輸類飛機強制執行的低安全標準，是民機區別于軍機的根本要求，也是市場的準入證，是航空強國設立的技術、經濟和政治壁壘。CCAR25、FAR25以及JAR25，均有針對材料的適航條款，對于復合材料要求符合25.603、25.613、25.605等適航條款。復合材料適用性和耐久性的要求，應符合CCAR25第603條款，即建立在經驗或試驗的基礎上；符合經批準的標準(如工業或軍用標準，或技術標準規定)，保證這些材料具有設計資料中采用的強度和其他性能；考慮服役中預期的環境條件，如溫度和濕度的影響。材料技術條件(材料規范)嚴格規定了材料的物化性能，和層板力學性能、夾層結構板的力學性能，材料包裝和儲存要求以及材料質量要求。材料技術條件(材料規范)必須報適航審定批準。材料規范對預浸料的各項性能提出了明確的要求，明確規定了試驗件的制作，包括層壓板的鋪層數、主要的輔助材料、固化參數、操作程序、試驗件加工的角度、加工所采用的刀具等。
    材料規范還對試驗作出了詳盡的規定，指定了性能測試的試驗方法、所用的試驗設備，規定了少的試驗數量以及試驗程序。ARJ21飛機對碳纖維/環氧預浸料，和玻璃纖維/環氧預浸料分別建立了，材料規范ZMS2224、ZMS2212，并建立了配套的ZPS01624系列固化成型工藝。復合材料如何進行適航鑒定――將先進復合材料大規模用于，各種民用飛機的重要技術問題之一，就是如何對復合材料結構進行適航審定。美國采用FAR25等條例進行民機適航審定，歐洲的相關條例為JAR25。我國也先后頒布了《民用航空條例》第25部（CCAR-25）內容與FAR25類似。美國FAA的AC20-107A是目前，有關復合材料適航審定的一份較系統、較完整的文件，是多數民機復合材料構件進行適航審定驗收的依據。目前國際上普遍采用“積木式方法”(TheBuildingBlockApproach)，來進行復合材料的設計和適航審定。參考美國FAA的AC20-107A和MIL-HDBK-17，采用“積木式方法”(TheBuildingBlockApproach)，來進行復合材料的設計和評估。從各種渠道了解波音公司、空客公司，對復合材料的性能評估細節和具體方法。目前國際上普遍采用ASTM標準和BSS(波音公司的試驗標準)、EN(歐洲試驗方法)，與國內采用的GB、GJB等標準，有較大差異、試驗設備也各不相同。商用飛機項目考慮適航性要求，先采用美國標準。隨項目進展考慮進行國內外標準的對比研究，逐步采用國內標準。