這里的機身說的是單通道、窄體、100 座以上的民機的機身。目前這類民機有空客 A320、波音 737、商飛 C919、俄羅斯 MC-21 以及空客 A220（原加拿大龐巴迪的C 系列飛機）。

 

 

　　波音 787 和空客 A350 投入航線快十年了。航空公司和廣大乘客都感受到碳纖維復合材料帶來的福祉。民機使用復合材料已經成為衡量先進與否的重要標志之一。特別是機身使用復合材料被譽為民機工業的“革命”。

 

　　現 A320 和 B737 盡管機翼、機身都是用金屬制造。但這種大小的飛機銷路十分火爆，是這兩家飛機制造公司的拳頭產品、也是搖錢樹。近些年其他公司新研發的飛機，僅機翼使用了復合材料。她們還不能對 A320 和 B737 的市場構成嚴重的威脅。因此，空客和波音對用復合材料制造機翼和機身的方案遲遲沒有啟動。沒有啟動不等于不做工作。今年巴黎復合材料展會和航展，以及近期有關復合材料報道的文章，都清晰地看到空客和波音在 A350 和 787 投產后，結合它們的經驗，一直在研究如何把復合材料更好地應用在單通道民機上。雙方都想在用復合材料制造機翼、機身的單通道民機上，再爭高下。如，東麗為波音研發的、制造受力結構的、新型樹脂基碳纖維復合材料預浸料：T1100/3960。同時還展出了蒙皮、長桁、大梁集成的尾翼組件試驗件?？湛秃退暮献骰锇橐碴懤m發表了，在“明日之翼”項目合作研發的一些成果。“明日之翼”明確地表示，替代 A320 的新型號民機，機翼將是蒙皮、長桁、大梁集成的結構。同時要采用滿足生產進度需求的樹脂注入工藝。近為空客和波音制造大部件的Spirit AeroSystems 公司，公布了制造新一代單通道民機機身的創新方案。新機身創新壁板造使用新材料/新工藝結合，集成制造蒙皮和長桁，節約成本 30%（圖1.）

 

 

　　新機身創新壁板造使用新材料/新工藝結合，集成制造蒙皮和長桁，節約成本 30%。制造蒙皮、長桁所用的材料是，東麗新研發的環氧樹脂基碳纖維復合材料T1100/3960。

 

　　T1100 是 2017 年東麗引入市場的。它不但提高了強度，而且還提高料模量。它是介入中模量（IM）和高模量（HM）之間的一種新纖維，被稱為 IM+纖維。

 

　　T1100 碳纖維使用了東麗定量技術，達到精細級控制纖維結構。結果是顯著的性能改進超過東麗的其他碳纖維，見表 2.和表 3.

 

 

　　東麗下一代 3960 預浸料系統展示了航空材料性能的下一個飛躍。它使用“納米-合金-基礎”的技術，以實現拉伸強度和抗壓強度。3960 樹脂系統與先進的 T1100 碳纖維的互補配對（Complementary pairing），為未來的材料提供了無與倫比的性能。高韌性，卓越的抗拉性能，以及保持 121°C（250°F）的熱濕性能，使 3960 系統成為航空航天工業未來需求的明確選擇。

 

　　T1100/3960 它比其廣泛使用的前輩—東麗的 T800S/3900預浸料—提供了 20%以上的剛度，但沒有通常伴隨剛度增加而出現的強度下降。（T800S/3900-2B 是波音 787 機身、機翼，以及波音777X 機翼使用的材料。）

 

　　T1100/3960 不用熱壓罐，在高溫爐中固化。

 

　　T1100/3960 不僅適用于自動鋪絲機（AFP），還適用于手工鋪鋪放。

 

　　QISO® 準各向同性織物（圖 2.）是 A&P 技術公司（美國俄亥俄州辛辛那提市）的產品（用哪種纖維沒查到）。

 

創新工藝

 

　　從圖 3.清晰地看出，復合材料長桁改變了原金屬長桁的剖面。與蒙皮連接不再用鉚釘，而是共固化或者共膠接。這兩類長桁都是事先在長桁制造車間制造好的。

 

　　創新機身壁板長桁不再是單獨預先制造出來。長桁由碳纖維 QISO? 準各向同性織物預浸片制成。先將預浸片放置在開槽的機身模具表面。然后，使用真空成型，預浸片被拉入長桁圓弧凹槽，形成具有長桁圓弧凹槽波紋的長桁板。接著，就像波音 787 或者 A350 機身中段曲面板所做的一樣，用自動鋪絲機（AFP）鋪放 T1100/3960 纖維帶，制造機身蒙皮。再在熱壓罐中固化。結果是機身蒙皮具有連續的內表層，并具有完全集成的長桁。創新工藝突出的亮點是：

    
 

　　模具型面使用雙馬來酰亞胺（BMI）碳纖維復合材料。型面與支撐結構之間采用浮動連接。

 

　　板件制成后，Spirit AeroSystems 公司與威奇托州立大學的航空研究所（NIAR）合作，開始了一項測試工作，旨在評估蒙皮和長桁板的不同纖維組合。該公司測試了抗沖擊、強度、疲勞、環境沖擊、雷擊、FST（火焰、煙霧、毒性）和損傷容限。測試的結果，達到了公司的目標厚度。

 

　　鋪放碳纖維帶使用 Electroimpact 公司 （Mukilteo, 華盛頓州）自動鋪絲機（AFP），該機器可操縱鋪放放門開口周圍的圓角（圓角半徑 6 英寸- 152.4 毫米）。

 

　　Spirit AeroSystems 公司雖然展示的創新材料和工藝，適合基于曲面板的機身結構（類似 A350），但是它也可以適用于基于整體桶的機身結構（類似波音 787）。此外，該公司還開發了一套制造生產線，稱其可以滿足單通道項目每月 60 架次的需求。

 

 

　　在介紹 T1100/3960 資料特別用到纖維與基材樹脂“互補配對”（Complementary pairing）一詞。這一點對國內研發復合材料十分重要。

 

　　圖 1 所示的創新機身板件中，蒙皮和 10 根長桁共固化后，成為一個零件。兩個復合材料框是在板件的裝配夾具中安裝的?？蚺c蒙皮通過剪切角片與用鉚釘連接。

 

　　創新機身壁板的確適合，由曲面板組合的機身結構它要用于整體筒結構的機身，想像中還有問題。需要進一步跟蹤、研究。

 

　　Spirit 在文章中還沒有披露空客、波音，到底是用曲面板組合的機身結構，還是整體筒的機身結構。

 

　　單通道民機機身（包括機翼）使用復合材料，一個共識是，在成本控制的前提下，“要有鋁合金的制造速度，又要有復合材料的優越性能”。固化時間是一個重要因素。文章中還沒有固化時間。

 

　　單通道民機機體重量在 23 噸左右。如果機翼、機身使用復合材料，再加上尾翼用的復合材料，復合材料用量占機體重量的 50%左右，即 11.5 噸。新型號民機目標產量是每月 60 架，這也就是說每月需要 600 多噸碳纖維復合材料。

 

　　Spirit AeroSystems（美國堪薩斯州的威奇塔）她收購了，波音公司在威奇塔的飛機部件制造廠。目前是大的飛機部、組件制造公司。其中突出的是：目前她每月至少要向波音公司 737 在西雅圖的倫頓總裝廠，提供 50 個 737 整機身。737 整機身用火車，由威奇塔運輸到倫頓總裝廠（圖。4）。每月至少向波音 787 總裝廠交付 16-17 架 787 機頭段。機頭段用飛機運輸（圖。5）。

 

　　另外，在美國北卡羅來拉州的金斯頓新建復合材料部件制造工廠。專門為空客生產 A350 的中機身復合材塊料曲面板（圖。6）。帶框的曲面板空運到法國圖魯茲的總裝廠。Spirit AeroSystems 還參加了空客的“明日之翼”項目的研發工作。

 

　　附：一組現搜索到的創新機壁身板詳圖：
 

 

 

　　參考資料：

 

　　《Spirit AeroSystems debuts next-generation composite fuselage pane》6/16/2019

 

　　《Spirit AeroSystems collaborates on Wing of Tomorrow program》6/18/2019

 

　　《2019 Paris Air Show: Highlights》 6/25/2019

 

　　《High-strength and High-modulus Carbon Fiber TORAYCA? T1100G》

 

　　《3960 PREPREG SYSTEM - Toray Composite Materials …》

 

　　《 明日之翼》

 

 

　　作者簡介：楊超凡，飛機制造高級專家，近年專攻民機復合材料。原航空工業部批研究員級高級工程師，享受國務院特殊津貼。