隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代飛機(jī)相關(guān)的各類技術(shù)也隨之不斷進(jìn)步。對(duì)于大型客機(jī)而言，航空公司對(duì)飛機(jī)的安全性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性和環(huán)保性等方面的要求在不斷提高，航空工業(yè)也在盡可能地壓縮制造每一架飛機(jī)的時(shí)間成本。在這樣的背景下，傳統(tǒng)的材料已經(jīng)不能再滿足航空業(yè)的要求，經(jīng)過研究與創(chuàng)新，航空人開始利用復(fù)合材料來設(shè)計(jì)與制造飛機(jī)。如今，與電傳操縱或飛機(jī)上的其他部分的發(fā)展歷程類似，復(fù)合材料的應(yīng)用率也逐步在一代代的飛機(jī)上增大。
復(fù)合材料制造中的自動(dòng)鋪絲設(shè)備
當(dāng)前，復(fù)合材料用量占飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)的比例無疑已成為衡量飛機(jī)先進(jìn)性的重要指標(biāo)。上月在鎮(zhèn)江舉行的屆民用飛機(jī)復(fù)合材料技術(shù)國際論壇上，來自工程院、商飛公司、航空工業(yè)集團(tuán)公司、航天科工集團(tuán)公司等10家國內(nèi)單位和來自加拿大龐巴迪、英國吉?jiǎng)P恩、德國氰特等9家國外知名企業(yè)院士、專家、學(xué)者等近百位業(yè)內(nèi)人士齊聚一堂，圍繞“低成本復(fù)合材料技術(shù)在寬體客機(jī)上的應(yīng)用”主題，立足“材料-設(shè)計(jì)-分析-工藝-檢測(cè)-維護(hù)”等議題展開多維度、全方位、深層次的技術(shù)研討。
從0到53%的飛躍
與傳統(tǒng)飛機(jī)上使用的鋁合金材料相比，復(fù)合材料不僅重量輕、強(qiáng)度好、勁度高，還耐熱、耐腐蝕，同時(shí)又有很好的抗疲勞性。然而，在復(fù)合材料剛引入航空工業(yè)界時(shí)，由于對(duì)其特性缺乏了解及信心，初只限用于整流罩等非承力結(jié)構(gòu)件。
先進(jìn)復(fù)合材料的發(fā)展，始于20世紀(jì)60年代對(duì)纖維絲及層合板的研究，當(dāng)時(shí)美國不遺余力地對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)零件的設(shè)計(jì)與制造進(jìn)行大力研發(fā)。由于其優(yōu)異的減重性能，復(fù)合材料開始用于飛機(jī)的次承力結(jié)構(gòu)上。到了20世紀(jì)90年代，復(fù)合材料已能與金屬結(jié)構(gòu)件相互搭配用于主承力結(jié)構(gòu)件上，但僅限于小尺寸結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)橹圃齑笮蛷?fù)合材料結(jié)構(gòu)件所需的大型熱壓罐成本非常昂貴，在成本因素考慮下，復(fù)合材料一直無法大量應(yīng)用于航空工業(yè)界。
空客是家在大型民用飛機(jī)上廣泛采用復(fù)合材料的飛機(jī)制造商，率先使用碳纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料替代金屬材料。與傳統(tǒng)的飛機(jī)材料相比，碳纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、抗腐蝕和具有超級(jí)耐久性等優(yōu)勢(shì)。對(duì)于航空公司，這意味著一架高性能的飛機(jī)，重量輕，有較低的維護(hù)和使用成本。
A310采用了復(fù)合材料垂尾盒，這款飛機(jī)的復(fù)合材料用量不到5%。之后的A320則采用了全復(fù)合材料尾翼。A380的翼盒主要由碳纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料制造，比鋁合金可以減輕1.5噸的重量。
A350WB是迄今為止被認(rèn)為復(fù)合材料用量占全機(jī)結(jié)構(gòu)重量比例大的一種客機(jī)，其復(fù)合材料結(jié)構(gòu)重量占全機(jī)結(jié)構(gòu)重量53%，超過了波音787復(fù)合材料結(jié)構(gòu)重量比例的50%，并且次實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料的用量超過了金屬材料。
提升復(fù)合材料利用率
新材料的開發(fā)并不是一件容易的事情。據(jù)德國氰特工業(yè)公司航空航天材料分部業(yè)務(wù)發(fā)展戰(zhàn)略總裁蘭斯·帕索（Lance Parcel）介紹，一種新材料完成研發(fā)、生產(chǎn)、應(yīng)用全過程可能需要10年時(shí)間，花費(fèi)1.5億美元。如今，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，復(fù)合材料的制造工藝愈發(fā)成熟，在飛機(jī)上的應(yīng)用也日益廣泛。
數(shù)據(jù)顯示，復(fù)合材料的應(yīng)用具有可使飛機(jī)結(jié)構(gòu)減重10%至40%，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成本降低15%至30% 。但高成本一直是阻礙復(fù)合材料大量應(yīng)用于飛機(jī)上的原因之一。近些年，制造商們也開發(fā)了不少縮短復(fù)合材料生產(chǎn)周期、降低成本的先進(jìn)技術(shù)。
據(jù)龐巴迪宇航公司工程副總裁科林·艾略特（Colin Elliott）介紹，龐巴迪C系列機(jī)翼的整體加筋壁板、翼梁制造采用了樹脂注入工藝的新型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)技術(shù)。在他看來，龐巴迪當(dāng)前的樹脂轉(zhuǎn)移注入工藝（Resin Transfer Infusion，RTI）已接近FAA/EASA的適航認(rèn)證要求。
當(dāng)飛機(jī)產(chǎn)量大或要求制造精度高時(shí)，在復(fù)合材料制造工藝方面就更加需要自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)入生產(chǎn)車間進(jìn)行鋪層、切削加工、鉆孔及在生產(chǎn)線上進(jìn)行檢驗(yàn)。赫氏復(fù)材公司的勒南·福尼爾勒雷（Renan Fournier-Leray）表示，赫氏公司在研發(fā)樹脂材料的同時(shí)，也不斷改進(jìn)其預(yù)浸料適應(yīng)自動(dòng)化生產(chǎn)需求，如自動(dòng)鋪帶工藝（Automated Tape Laying，ATL）和自動(dòng)鋪絲工藝（Automated Fiber Placement，AFP），降低生產(chǎn)成本。英國GKN 航空航天公司工程副總裁安德魯·克拉克（Andrew Clarke）博士認(rèn)為在飛機(jī)設(shè)計(jì)制造之初，就應(yīng)當(dāng)將材料制造工藝的自動(dòng)化考慮在內(nèi)，這樣將更有利于飛機(jī)生產(chǎn)速率的提升。
讓科研成果“走出去”
實(shí)際上，我國復(fù)合材料的研制水平與發(fā)達(dá)相比差距還很大。北京大學(xué)工學(xué)院力學(xué)與工程科學(xué)系的研究員段慧玲分析，進(jìn)行復(fù)合材料科學(xué)研究的時(shí)間還比較短，盡管一直在加速，但仍需要一個(gè)過程去趕上發(fā)達(dá)。同時(shí)，在復(fù)合材料研制的管理上還存在很多問題，很多材料基礎(chǔ)研究的成果沒有從實(shí)驗(yàn)室里“走出來”，無法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。然而，一個(gè)產(chǎn)品從科研階段到實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化有很長的一段路要走。
段慧玲還指出，當(dāng)前我國復(fù)合材料研制水平較低與我國制造業(yè)的落后與制造工藝水平低也有很大關(guān)系，但是要堅(jiān)信，經(jīng)過努力，會(huì)逐漸消除這個(gè)差距，實(shí)現(xiàn)從“制造”到“創(chuàng)造”的轉(zhuǎn)變。
事實(shí)上，國產(chǎn)大飛機(jī)C919的研制無疑帶動(dòng)了我國碳纖維復(fù)合材料的發(fā)展。據(jù)了解，即將總裝下線的C919大型客機(jī)在復(fù)合材料研發(fā)、制造工藝、試驗(yàn)驗(yàn)證等方面開展了攻關(guān)，取得了不少突破性進(jìn)展。
對(duì)于飛機(jī)運(yùn)營商而言，復(fù)合材料的好處是飛機(jī)在運(yùn)營期間不會(huì)有腐蝕和疲勞損傷等情況，但若受到外物撞擊，比如鳥撞，除了目視檢查外，還需進(jìn)行額外的詳細(xì)無損評(píng)估，如采用超聲波/共振方法，并根據(jù)評(píng)估結(jié)果開展必要的修理。
商飛上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院副院長、C919項(xiàng)目行政指揮韓克岑認(rèn)為，復(fù)合材料在國產(chǎn)大飛機(jī)上用量的提升很大程度上依賴我國相關(guān)行業(yè)、專業(yè)的發(fā)展進(jìn)步，不僅是結(jié)構(gòu)，電子、機(jī)械行業(yè)，還包括后續(xù)使用過程中的航材派遣、修理、維護(hù)工作，需要從設(shè)計(jì)制造到修理維護(hù)形成一個(gè)完整的產(chǎn)業(yè)支持體系。
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