商機對復(fù)合材料要求“長進(jìn)”
日期：2009-05-14
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我國商用飛機進(jìn)展進(jìn)快，對于復(fù)合材料要求日益“長進(jìn)”。介大型民用飛機項目被列為，中長期科技發(fā)展規(guī)劃綱要的16個重大專項之一，是我國政治、經(jīng)濟、科技發(fā)展的必然戰(zhàn)略選擇。民機產(chǎn)業(yè)是典型的知識密集、技術(shù)密集，和資本密集的高技術(shù)、高附加值、高風(fēng)險的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，它不僅在整個航空工業(yè)中的比重越來越大，而且日益成為衡量一個科技水平、工業(yè)水平，和綜合國力的重要標(biāo)志之一。不論是從經(jīng)濟發(fā)展的角度，還是基于安全的考慮，民機產(chǎn)業(yè)是大國的必爭之地。民用飛機由測繪仿制改進(jìn)，蘇聯(lián)安-24研制國產(chǎn)運7系列飛機，測繪參考美國波音707研制國產(chǎn)運10大型客機，發(fā)展到組裝生產(chǎn)美國MD-82/-90飛機，再發(fā)展到自主設(shè)計具有自主知識產(chǎn)權(quán)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(chǎn)權(quán)的新型渦扇支線民用客機。它的研制成功是我國航空發(fā)展史上一個重要里程碑。該機次要結(jié)構(gòu)采用了復(fù)合材料以降低結(jié)構(gòu)重量。隨后研制的ARJ21-900飛機，以ARJ21-700為基礎(chǔ)，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計，加大了復(fù)合材料比率，更加降低了結(jié)構(gòu)重量，提高了飛機的使用經(jīng)濟性。2008年12月1日，商用飛機有限公司上海飛機設(shè)計研究所，召開了ARJ21-900啟動會。
研制和發(fā)展大型飛機，是《中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006～2020年)》，確定的重大科技專項，是建設(shè)創(chuàng)新型、提高自主創(chuàng)新能力，和增強核心競爭力的重大戰(zhàn)略舉措，是工業(yè)、科技水平和綜合實力的集中體現(xiàn)。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(wù)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(guān)配套投資更大。大型飛機的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案設(shè)想，分階段實現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，達(dá)到飛機結(jié)構(gòu)重量的50％左右的先進(jìn)水平，階段在飛機機翼和尾翼設(shè)計選用碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，第二階段在機身主結(jié)構(gòu)設(shè)計選用碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。目前商飛邀請了300多位各地的專家，正在進(jìn)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(jìn)復(fù)合材料的用量則高達(dá)50％；空中客車公司客機A350上，先進(jìn)復(fù)合材料的用量將達(dá)到53%。在國內(nèi)飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，國內(nèi)架擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的支線客機，ARJ21飛機采用了部分復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，其復(fù)合材料結(jié)構(gòu)占結(jié)構(gòu)重量的2%。ARJ21-700飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)用部位，主要有碳纖維/環(huán)氧樹脂預(yù)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(huán)氧預(yù)浸料的翼身整流罩、雷達(dá)罩、客貨艙地板等結(jié)構(gòu)。
民機復(fù)合材料的應(yīng)用要求日高，用于民機上的復(fù)合材料原材料(預(yù)浸料或RTM等技術(shù)的材料)，除滿足飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計要求外，必須符合適航規(guī)章CCAR25(FAR25/JAR25)部分相關(guān)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(biāo)準(zhǔn)是運輸類飛機強制執(zhí)行的低安全標(biāo)準(zhǔn)，是民機區(qū)別于軍機的根本要求，也是市場的準(zhǔn)入證，是航空強國設(shè)立的技術(shù)、經(jīng)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(fù)合材料要求符合25.603、25.613、25.605等適航條款。復(fù)合材料適用性和耐久性的要求，應(yīng)符合CCAR25第603條款，即建立在經(jīng)驗或試驗的基礎(chǔ)上；符合經(jīng)批準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)(如工業(yè)或軍用標(biāo)準(zhǔn)，或技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定)，保證這些材料具有設(shè)計資料中采用的強度和其他性能；考慮服役中預(yù)期的環(huán)境條件，如溫度和濕度的影響。材料技術(shù)條件(材料規(guī)范)嚴(yán)格規(guī)定了材料的物化性能，和層板力學(xué)性能、夾層結(jié)構(gòu)板的力學(xué)性能，材料包裝和儲存要求以及材料質(zhì)量要求。材料技術(shù)條件(材料規(guī)范)必須報適航審定批準(zhǔn)。材料規(guī)范對預(yù)浸料的各項性能提出了明確的要求，明確規(guī)定了試驗件的制作，包括層壓板的鋪層數(shù)、主要的輔助材料、固化參數(shù)、操作程序、試驗件加工的角度、加工所采用的刀具等。
材料規(guī)范還對試驗作出了詳盡的規(guī)定，指定了性能測試的試驗方法、所用的試驗設(shè)備，規(guī)定了少的試驗數(shù)量以及試驗程序。ARJ21飛機對碳纖維/環(huán)氧預(yù)浸料，和玻璃纖維/環(huán)氧預(yù)浸料分別建立了，材料規(guī)范ZMS2224、ZMS2212，并建立了配套的ZPS01624系列固化成型工藝。復(fù)合材料如何進(jìn)行適航鑒定――將先進(jìn)復(fù)合材料大規(guī)模用于，各種民用飛機的重要技術(shù)問題之一，就是如何對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行適航審定。美國采用FAR25等條例進(jìn)行民機適航審定，歐洲的相關(guān)條例為JAR25。我國也先后頒布了《民用航空條例》第25部（CCAR-25）內(nèi)容與FAR25類似。美國FAA的AC20-107A是目前，有關(guān)復(fù)合材料適航審定的一份較系統(tǒng)、較完整的文件，是多數(shù)民機復(fù)合材料構(gòu)件進(jìn)行適航審定驗收的依據(jù)。目前國際上普遍采用“積木式方法”(TheBuildingBlockApproach)，來進(jìn)行復(fù)合材料的設(shè)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(jìn)行復(fù)合材料的設(shè)計和評估。從各種渠道了解波音公司、空客公司，對復(fù)合材料的性能評估細(xì)節(jié)和具體方法。目前國際上普遍采用ASTM標(biāo)準(zhǔn)和BSS(波音公司的試驗標(biāo)準(zhǔn))、EN(歐洲試驗方法)，與國內(nèi)采用的GB、GJB等標(biāo)準(zhǔn)，有較大差異、試驗設(shè)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(biāo)準(zhǔn)。隨項目進(jìn)展考慮進(jìn)行國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)的對比研究，逐步采用國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。
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