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復(fù)合材料在飛機(jī)機(jī)身上的應(yīng)用

1.飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用

先進(jìn)復(fù)合材料用于加工主承力結(jié)構(gòu)和次承力結(jié)構(gòu)，其剛度和強(qiáng)度性能相當(dāng)于或超過鋁合金的復(fù)合材料。目前被大量地應(yīng)用在飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)制造上和小型無人機(jī)整體結(jié)構(gòu)制造上。美國在殲擊機(jī)和戰(zhàn)斗機(jī)上大量使用復(fù)合材料。20 世紀(jì) 60 年代，美國首先將碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)用在軍機(jī)上，用于艙門、口蓋、整流罩以及副翼、方向等受力較小或非承力部件。80 年代初，發(fā)展到垂尾、平尾等尾翼一級(jí)的次承力部件，如 F-15、F-16、F-18、影2000 和幻影 4000 等均采用了復(fù)合材料尾翼，此時(shí)復(fù)合材料用量有限。到 80 年代末，美國推出的第四代戰(zhàn)斗機(jī) F-22、F-35JSF 上，復(fù)合材料開始應(yīng)用于機(jī)翼、機(jī)身等主要的承力結(jié)構(gòu)，軍機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料化進(jìn)程加速，復(fù)合材料用量不斷增加(表 1-2)，現(xiàn)在復(fù)合材料的用量已經(jīng)占軍用飛機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量的 20%~50%。

英國ICI公司用 GF/PA 生產(chǎn)戰(zhàn)斗機(jī)上的閥門，使飛機(jī)閥門在很寬的溫度范圍內(nèi)與燃料長期接觸也能保持其性能和形狀的穩(wěn)定。Du Pont 公司也采用GF、KF/PA、PPS 等材料制造軍機(jī)的零部件。

以典型的第四代戰(zhàn)斗機(jī)F/A-22 為例，復(fù)合材料占 24.2%，其中熱固性復(fù)合材料占 23.8%，熱塑性復(fù)合材料占 0.4%左右。熱固性復(fù)合材料的 70%左右為雙馬來亞胺樹脂(BMI，簡稱雙馬) 基復(fù)合材料，生產(chǎn) 200 多種復(fù)雜零件，其他主要為環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料，此外還有氰酸酯和熱塑性樹脂基復(fù)合材料等。主要應(yīng)用部位為機(jī)翼、中機(jī)身蒙皮和隔框、尾翼等。

此外，軍用旋翼機(jī)的螺旋槳及機(jī)體結(jié)構(gòu)也大量使用復(fù)合材料，如 V-22“魚鷹”傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)所用復(fù)合材料占結(jié)構(gòu)質(zhì)量的 40%以上，包括機(jī)身、機(jī)翼、尾翼、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等，共用復(fù)合材料超過 3000kg。歐洲最新批次的“虎”式武裝直升機(jī)結(jié)構(gòu)部件的復(fù)合材料用量高達(dá) 80%，接近全復(fù)材結(jié)構(gòu)。相對而言，軍用運(yùn)輸機(jī)上復(fù)合材料用量不多，如 C-17 占8%、C-130J 僅占2%，但空客 A-400M 軍用運(yùn)輸機(jī)上采用全復(fù)合材料機(jī)翼，復(fù)合材料用量占飛機(jī)空載時(shí)結(jié)構(gòu)質(zhì)量的 35%。

在民用飛機(jī)方面，20 世紀(jì) 80 年代初美國生產(chǎn)的單人駕駛的“星舟”輕型機(jī)，結(jié)構(gòu)質(zhì)量約 1800kg，其中復(fù)合材料用量超過 1200kg。1986 年美國生產(chǎn)的“旅行者”號(hào)輕型飛機(jī)，其90%以上的結(jié)構(gòu)采用了碳纖維復(fù)合材料，創(chuàng)下了不著陸連續(xù) 9 天進(jìn)行環(huán)球飛行的世界紀(jì)錄。當(dāng)前，全球兩家航空巨頭-- 美國波音公司和歐洲空客公司多年形成的競爭更是愈演愈烈，其中一個(gè)重要表現(xiàn)就是復(fù)合材料的用量不斷增加(圖 1-2)。

波音公司為了生產(chǎn)第一架全復(fù)合材料的 787 飛機(jī)機(jī)身，采用了類似于雷神公司所應(yīng)用的纖維鋪設(shè)方法。生產(chǎn)出一個(gè)長 7m寬約 6m的復(fù)合材料機(jī)身部件，這一構(gòu)件是在一個(gè)巨大的旋轉(zhuǎn)芯模上采用自動(dòng)纖維鋪放 (automatic fber placement，AFP) 技術(shù)生產(chǎn)出來的。芯模上預(yù)制有與桁、大梁的外形和尺寸一致的槽，將預(yù)成形的長桁與梁(均由碳纖維預(yù)浸料鋪設(shè)和加壓固化而成)在纏繞前預(yù)先放在槽內(nèi)，工作時(shí)芯模隨芯軸在設(shè)備上轉(zhuǎn)動(dòng)，使纖維連續(xù)地纏繞到芯模上，形成機(jī)身殼，并留出窗口位置，再將機(jī)身殼與梁、長析一同送入熱壓罐固化，得到一個(gè)整體的復(fù)合材料機(jī)身段，最后卸模取出成品。B-787 復(fù)合材料機(jī)身段不僅是世界上最大的纏繞機(jī)身部件，而且被認(rèn)為是用碳纖維制造出的最大的壓力容器。復(fù)合材料極高的拉伸/環(huán)向強(qiáng)度使它能承受更高的客艙內(nèi)部壓力，使得艙內(nèi)的壓力保持在海拔 6000ft(1830m)高度時(shí)的氣壓，而不是通常的 7000~9000ft，乘員會(huì)感覺更加舒適。復(fù)合材料抗腐蝕(金屬機(jī)身的最大弱點(diǎn)是易被腐蝕)，機(jī)艙內(nèi)濕度可以恒定在 10%~15%(金屬機(jī)身內(nèi)濕度只能保持在 5%~10%)，這也同樣增加了乘員的舒適度。

與此同時(shí)，在復(fù)合材料如此之大的影響力下，空客公司徹底重新設(shè)計(jì) A-350。新飛機(jī)改名為 A-350 XWB(超寬機(jī)身)并采用復(fù)合材料，使原計(jì)劃40%的復(fù)合材料用量提升到 52%。A-350 XWB 的機(jī)體比 B-787 還寬 13cm在高密度下可以每排布置9 座而 B87 每排最多只能布置8 座。A-350 XWB 也將把座艙壓力設(shè)在相當(dāng)于 6000ft 的高度。

2013年6月14日空客研制的新型超寬體 A-350 XWB 客機(jī)成功首飛這是繼波音的B-787“夢想”飛機(jī)之后，全球航空業(yè)界的又一個(gè)亮點(diǎn)。A-350 XWB 和 B-787 飛機(jī)的復(fù)合材料用量分別達(dá)到 52%和 50%，這標(biāo)志著航空航天復(fù)合材料發(fā)展新的里程碑，表明新的發(fā)展時(shí)期已經(jīng)拉開序幕。

555 座的世界最大飛機(jī) A-380 由于 CFRP 的大量使用，創(chuàng)造了飛行史上的奇跡。飛機(jī)25%質(zhì)量的部件由復(fù)合材料制造，其中 22%為碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)，3%為首次用于民用飛機(jī)的 GLARE 纖維-金屬板(鋁合金和玻璃維超雜復(fù)合材料的層狀結(jié)構(gòu))。這些部件包括:減速板、垂直和水平穩(wěn)定器(用作油箱)、升降舵、副翼、襟翼擾流板、起落架艙門、整流罩、垂尾翼盒、上層客艙地板梁、后密封隔框、后壓力艙、后機(jī)身、水平尾翼和副翼均采用 CFRP 制造。 繼A-340 對碳纖維龍骨梁和復(fù)合材料后密封框一復(fù)合材料用于飛機(jī)的密封禁區(qū)發(fā)起挑戰(zhàn)后，A-380 又一次對連接機(jī)翼與機(jī)身主體結(jié)構(gòu)中央翼盒新的禁區(qū)發(fā)起了成功挑戰(zhàn)。僅此一項(xiàng)就比最先進(jìn)的鋁合金材料減輕質(zhì)量 1.5t。由于CFRP 的明顯減重以及在使用中不會(huì)因疲勞或腐蝕受損，從而大大減少了油耗和排放，燃油的經(jīng)濟(jì)性比其直接競爭機(jī)型要低 13%左右，并降低了運(yùn)營成本，座英里成本比目前效率最高的飛機(jī)低 15%~20%，成為第一個(gè)每乘客每百公里耗油少于 3L 的遠(yuǎn)程客機(jī)。

法國達(dá)索航空公司最新推出的獵鷹 (Falcon)7X公務(wù)機(jī)可輕松飛到12000 m 高空，該機(jī)最大使用馬赫數(shù)為0.8，可載客 8 人，最大航程為10560 km(5700 海里):雷神公司推出的比奇首相1號(hào)超輕公務(wù)機(jī)巡航時(shí)速可達(dá) 835km，航程2759km，以上兩種輕型噴氣機(jī)均采用最先進(jìn)的全復(fù)合材料機(jī)身。

日本新型運(yùn)輸機(jī) ALELEX上也使用了大量碳纖維復(fù)合材料。

中國在飛機(jī)設(shè)計(jì)生產(chǎn)方面也較多地使用了復(fù)合材料。例如北京航空制造工程研究所研制并生產(chǎn)的 QY8911/HT3 雙馬來亞胺單向碳纖維預(yù)浸料及其復(fù)合材料已用于飛機(jī)前機(jī)身段、垂直尾翼安定面、機(jī)翼外翼、阻力板、整流壁板等構(gòu)件。由北京航空材料研究院研制的PEEK/AS4C 熱塑性樹脂單向碳纖維預(yù)浸料及其復(fù)合材料，具有優(yōu)異的抗斷裂韌性、耐水性、抗老化性、阻燃性和抗疲勞性能，適合制造飛機(jī)主承力構(gòu)件，可在 120°C 下長期工作，已用于飛機(jī)起落架艙護(hù)板前蒙皮。

大量以碳纖維復(fù)合材料為部件的中國軍機(jī)“飛豹”飛機(jī)總長約 22.3m，翼展約 12.7m，最大起飛質(zhì)量 28.4t，最大外掛質(zhì)量約 6.5t，最大馬赫數(shù) 1.70，轉(zhuǎn)場航程約 3600km。該機(jī)的攻擊威力已超過“美洲虎”、“旋風(fēng)”和蘇-24 等飛機(jī)，具備了第三代戰(zhàn)斗機(jī)的特點(diǎn)。

2.復(fù)合材料在飛機(jī)隱身方面的應(yīng)用

近幾十年來，隱身復(fù)合材料的研究取得了長足進(jìn)展，正朝著“薄、輕、寬(頻譜)、強(qiáng) (耐沖擊、耐高溫)”方向發(fā)展。由于碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料不但是輕質(zhì)高強(qiáng)的結(jié)構(gòu)材料，還具有隱身的重要功能，如 CF/PEEK 或 CF/PPS 具有極好的寬峰吸收性能，能有效地吸收雷達(dá)波美國最先將隱身材料用在飛機(jī)上，用隱身材料最多的是 F-17 和 F-22 飛機(jī)。F117 的隱身涂層十分復(fù)雜，有 7 種材料之多。

美國的 F-22 超音速飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)就是采用了中等模量的碳纖維增強(qiáng)的特種工程塑料。幻影Ⅲ戰(zhàn)斗機(jī)的減速降落傘蓋和彈射的彈射裝置也由這種材料制成，已成功地用于飛機(jī)的肋條、蒙皮及一些連接件、緊固件等雷達(dá)波的吸收件。戰(zhàn)斧式巡航導(dǎo)彈殼體、B-2 隱形轟炸機(jī)的機(jī)身基材，F(xiàn)-117A 隱形飛機(jī)的局部也都采用了碳纖維改性的高分子吸波材料。

2000 年，美空軍對 F-117 的隱身材料進(jìn)行更新，將原來的 7 種隱身材料涂層更換為1種，全部 F-117 將具有通用的維修程序和達(dá)波吸收材料，技術(shù)規(guī)程的數(shù)量減少大約 50%。改進(jìn)后 F-117 每飛行 1小時(shí)的維修時(shí)間縮短一半以上，全部 52架F-117 的年維護(hù)費(fèi)用從1450 萬美元降至 690 萬美元。F-22 不采用全機(jī)涂覆吸波涂層的方法，但在機(jī)身內(nèi)外的金屬件上全部采用了鐵氧體吸波涂層，它是一種有韌性的耐磨涂料，較之 F-117 的涂料易于噴涂且耐磨。

專家預(yù)測到 21 世紀(jì) 30 年代，導(dǎo)電高分子電致變色材料、雜化物半導(dǎo)體材料、納米復(fù)合材料和智能隱身等復(fù)合材料將實(shí)際用于飛機(jī)，它將使飛機(jī)的航電系統(tǒng)及控制方式發(fā)生根本性的變化。

內(nèi)容來源：《航空復(fù)合材料及其力學(xué)分析》崔海濤 孫志剛 編著