先进飞机（共4篇）
先进飞机 篇1
摘要：本文分析了国外先进通用飞机公司的研发理念与管理模式, 基于我国自主研发的通用飞机领世AG300等项目的研发实践, 对比提出了国内外通用飞机研发理念的若干差距, 从促进提高我国通用飞机研发水平出发, 提出了几点思考和建议。
关键词：通用飞机,项目研制,研发模式
1概述
通用飞机, 是指除用于定期航班的运输机和大型喷气式飞机以外的所有民用飞机。国家在十二五发展规划中将通用飞机的发展作为下一个经济增长点, 各地雨后春笋般地成立了多家通用飞机制造企业和运营基地, 把通航产业的发展推到了一个新的历史时期[1]。通用飞机产业发展关键是看产品的竞争力。目前国内已交付的通用飞机, 同国外先进的通用飞机相比, 存在销售价格高、成品可靠性低、使用维护不便、运营成本高、售后体系缺失等诸多问题[2]。产品在市场上缺乏竞争力, 根源还是在研发。
本文重点分析了西锐公司的研发模式, 对其研制流程、项目组织形式、供应商管控、风险控制等方面进行剖析, 将我国通用飞机研发的组织管理、研发团队建设、供应商管理等方面进行了对比, 针对我国通用飞机的研发理念、研发管理、及研发平台建设等方面提出了改进建议, 以促进通用飞机研发能力提升。
2国外先进通用飞机研发模式分析
先进通用飞机公司的研发理念主要体现为:以客户需求为中心, 以商业运作为核心;强调IPT (集成产品团队) 的重要作用;重视产品全寿命周期的“五性”设计。
西锐飞机公司是当前全球通用飞机方面最具竞争力的公司之一, 其活塞类飞机的销售一直处于领先地位。本节从西锐飞机公司的研发流程、组织管理模式以及流程管控方面, 阐述了先进通用飞机研发模式的特点。
2.1项目制的组织架构及管理模式。西锐公司在确定新的研发项目后, 即成立临时性的项目管理组织, 并根据项目进展的人力需求曲线合理的进行人员补充和调配, 以保证项目研制的需求。
公司以设计为核心, 汇集市场、制造、销售、售后为一体, 按项目制建立组织架构图, 如图1。
从图1可见, 公司在项目上设置了一名项目负责人, 由公司负责开发的副总裁担任, 下设一名项目经理。项目经理之下设有设计经理、制造经理、质量经理、市场经理、财务经理和采购经理[3]。在设计经理之下还设有各专业工程师, 由此组成整个项目的组织架构。
为保证项目的顺利进行, 按照项目研制的不同阶段和工作内容形成各级研制工作包, 包括设计、试制、试验等。项目总体按里程碑节点进行细化, 编制工程项目研制计划, 落实研制各阶段的主要工作和相互配套关系。
为有效控制项目进展, 西锐项目在各合作方之间实施定期管理例会制度和每周例会制度。此外还有专题会议, 解决研制中出现的突发问题。
2.2独特的设计流程和专业团队。西锐公司虽然飞机型号不多, 但经过多年的型号优化, 积累了丰富的研制经验, 逐步形成了独有的通用飞机设计流程, 并应用到SF50项目的研制中, 见图2。
西锐公司充分提现了美国试验类飞机研制的特点, 优先设计制造了理论样机, 在基本确定布局及初步总体气动性能后又研制了测试样机, 用于空测载荷等数据的获得和外形修改, 同步验证各系统的可靠性、工业路线准备及适航基线。最终按适航状态研制取证批产品, 保证取证进度的同时完成生产规划。一旦取证完成, 马上可以开展批量制造工作。
同时, 其团队建设注重专业技术:首先, 聚集通用飞机领域专家, 并提供良好的专业人才成长环境, 让具有通才潜质的人员在多专业领域交流进步;其次, 注重设计模式的开放性, 在适航允许的范围内, 主动开展多项适航验证试验和特有的科研试验;更重要的是其独有特色的试飞测试团队, 多年从事通用飞机试飞的专业飞行员团队和专用的实时试飞数据传输及监控系统, 保证能够在一个飞行架次上获取多个试飞数据;与适航审定部门FAA的良好的信任及合作关系, 在项目遇到困难或瓶颈时, 能够得到FAA强有力的支持。
2.3高度并行的研发模式。西锐公司在SF50研制期间, 充分利用数字化设计手段及互联网优势, 构建了与各供应商之间的快速协调平台, 同时实现了基于全数字样机的设计信息交互。
基于PTC公司的windchill系统实施全项目构型管控, 构建了设计、文档和产品模式, 分别对不同的数据进行管理。系统可以通过远程调用, 快速得到构型、标准件、重量等BOM表, 确保研制过程数据的正确性、完整性、唯一性、及可追朔性[4]。如在起落架设计过程中, 设计充分利用数字化样机 (DMU) 的设计手段, 与起落架、发动机等设计供应商一起开展并行设计工作, 明确并冻结所有物理、电气、管路接口, 控制清晰、明确、可检查, 在此基础上利用数字样机运动协调开展干涉分析[4]。不但提高了设计质量, 减少了试制反复, 还可以检查产品的维修性。
2.4深入细节的质量控制。在质量管理方面, 国内外都建立了符合或等同与ISO9001的质量管理体系, 但是在实际的操作过程中, 还是有很大的差别。
西锐公司不仅重视现场试验, 更重视设计评审, 评审前必须将待评审文件提交评审人员, 评审人员以书面形式将更改意见和建议反馈, 文件修改后, 再集中各专业专家和相关管理人员进行一次评审。在飞机制造过程的质控中, 西锐公司只在关键工序上设置QA, 上一道工序的检查工作由下一道工序承担, 既保证了工艺上的层层递进, 也保证了对前一道工序的质量, 但对整个工艺策划提出了很高的要求。
3我国通用飞机研制特点及差距
中航通飞公司立项开展单发涡桨飞机领世AG300的研制, 通过AG300项目的研制与西锐公司SF50项目合作的对比, 发现我们在通用飞机研制方面的差距, 重点在以下几个方面:
3.1依旧按照军机模式开展项目研制, 没有建立全面以“客户和市场”为中心的设计理念和商业模式。缺乏顶层的用户、市场、产品的需求分析, 个别项目甚至没有开展任何的需求分析工作。尤其缺乏产品商业模式和国内售后体系, 对飞机产品的维护缺乏经验, 难以找出产品研制的盈亏平衡点, 全寿命周期内的盈亏也不确定, 无法实现商业成功的目标。
3.2项目之初就开始要求按照项目制进行管控, 但是实施过程中项目组织形式与当前的公司组织管理结构相矛盾, IPT (集成项目团队) 流于形式, 信息沟通困难, 对市场、用户反应慢。项目组织形式难以落实, 项目经理没有得到真正的授权, 对参与项目的人、财、物缺乏实质的控制力。
3.3专业人才培养难, 尤其是项目管控人才的培养, 不但要具备专业基础知识, 还要经过多岗位的培养, 更要具备良好的沟通才能, 必要时更需要有良好的外语能力、懂报关及法务知识、会风险要素分析等。实际项目管理中往往就因为没有优秀的项目管理人才而导致项目进展困难。
3.4缺乏满足民机研制需求的供应商管理体系, 按国内军机模式管理国外供应商, 不了解国外成品的研制模式, 控制不到位, 影响产品研发的进度和质量。缺乏构型控制体系, 尤其是通用飞机型号研制构型多、改型多, 研发数据管控复杂, 给项目构型状态过程控制带来很多困难。
3.5信息化建设还是有待升级, 虽然我们在数字化方面有一定的基础, 但是重点还是在PDM上, 没有实现贯穿整个产品研制的全寿命周期的数字化工作流程。软件信息化工作基本沿用军机研制思路, 投入大, 周期长, 更改反应慢, 难以满足快速产品研制的信息化要求和成本要求。
4对通用飞机产品研制的思考与建议
4.1转变设计理念, 新研通用飞机的目标要从“满足用户需求”尽快过渡到“引领用户需求”阶段, 飞机质量要从“他律”转变为“自律”的过程。首先关注用户与市场, 将用户需求、设计优化和外场反馈的更改经验不仅落实到产品中, 还要落实在设计规范及研发流程中;其次要重视需求管理工作, 依据科学理论落实各阶段相关工作;最后, 充分重视“六性”工作, 将安全性、可靠性、维修性、测试性、经济性和综合后勤保障要求贯彻在整个研制过程中, 赋予“六性”人员一票否决的权利。
4.2改进研制组织管理, 首先改进现有的厂所分离体制, 建立通用飞机一体化产业实体, 实现产品全寿命周期全产业链一体化管理, 产品的技术状态全过程控制;其次改进供应商管理模式, 中航通飞公司正在依托西锐公司采购模式构建统一采购平台, 但是最终核心还是要构建具有自主管控能力的供应商管控团队。
在项目管理方面, 首先加强项目顶层策划, 达到策划完整、操作性好。其次, 学习国外先进经验, 在项目管理中开展规范管理, 日常管控到位。同时, 在质量管理方面, 确保产品全寿命周期的质量管理。
4.3优化协同研发平台, 打造通用飞机集成协同的数字化研发平台, 实现数字化定义方式由设计、制造等分散定义向并行集成方式转变;产品数据由多数据源向单一数据源转变;协调方式由模拟量与数字量并存向全数字量转变;管理模式由行政职能机制向并行协同机制转变。并基于型号的研发建立技术数据库, 对数据实时规范管理, 形成企业的技术数据基础。
结束语
欧美等发达国家通用飞机发展经历了百年的时间, 已经形成了较为成熟的研发模式, 我国通用飞机的发展正处于初级发展阶段, 需要向国外先进通用飞机企业学习。
本文因此综合分析了国外先进通用飞机企业 (西锐公司) 研发的优点, 从我国通用飞机研发的实践, 对照剖析差距, 针对提升我国通用飞机研发中的差距, 提出了若干个解决思路和建议, 对我国开展通用飞机研制项目管理有一定的借鉴和参考作用。
参考文献
[1]宗苏宁.中国通用航空产业发展现实与思考[M].北京:航空工业出版社, 2014.
[2]宋庆国.文化、质量与创新造就航空强国[J].公务与通用航空, 2014 (8) .
[3]斯蒂芬·P·罗宾斯.黄卫伟等译.管理学[M].北京:中国人民大学出版社, 1997.
[4]飞机制造业数字化工程工作文集[M].国防科学技术委员会系统工程三司, 20.
先进飞机 篇2
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A380的寿命要达到40-50年，因此必须选用先进且新型材料和工艺技术，为未来搭建技术平台。这些技术不仅经过了大量全尺寸试验验证而且经过了航空公司维修专家的评审（符合检查和维修标准）。
A380结构设计准则（见图1）。重复的拉伸载荷加上载荷的变化将会在金属结构内产生微小的疲劳裂纹。裂纹增长速度以及残余强度（当裂纹产生时）将指导选择何种材料。为了防止结构由外物损伤，需要考虑材料的损伤容限性能。
压力载荷需要考虑采用屈服强度和刚度好的材料，以增加稳定性。抗腐蚀能力是选择材料和工艺的另一个重要准则，尤其是在机身下部。选择材料和工艺目标的一部分是使结构轻量化。因此，是很好的选择，但必须了解设计准则和维修需要。材料的选择不仅仅是考虑设计准则，同时还要考虑生产成本和采购问题。
1新型且先进的金属材料
从A380选材的分布来看（见图2），铝合金占的比重最大，达机体结构重量的61%，因此要实现性能改进，必须开发创新的铝合金材料和工艺技术，具体是提高强度和损伤容限，加强稳定性并提高抗腐蚀能力。尤其是在A380机翼部位（机翼的80%以上是铝合金材料）要提高性能。
A380-800飞机在铝合金结构上取得的主要成就包括：
?在机身壁板上引用了很宽的钣金材料，减少了连接件从而减轻了重量；
?在主地板横梁上采用了先进的铝锂合金挤压件，在这一部位的应用可与碳纤维增强塑料相媲美；
?在机翼大梁和翼肋上选择了新型7085合金，这种合金在很薄的板材和很大锻件上性能优于通常的高强度合金；钛合金由于具有高强度、低密度，高损伤容限和抗腐蚀能力使其代替钢而广泛应用，但是它的高价格使其应用受到限制。在A380的结构中，钛合金用量较空中客车其它机型有所增加，达到10%。仅仅挂架和起落架的钛合金用量就增加了2%。本文由 实验台:
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?A380挂架的主要结构是空中客车公司第一次采用全钛设计。在A380飞机上采用最广泛的钛合金是Ti-6Al-4V，在B退火状态下最大的断裂韧性和最小的裂纹增长速度。
?在A380上第一次采用了新型钛合金VST55531，这种新的钛合金是空中客车公司与俄罗斯制造商共同开发的，能够为设计者提供良好的断裂韧性和高强度综合性能。这种合金目前用于A380飞机的机翼和挂架之间的连接件，进一步的应用还在研究当中。
2.A380复合材料的应用
A380复合材料的主要应用见下图3。
A380是空中客车第一次大范围在大型民用运输机上应用复合材料的飞机。在空中客车公司，A310是第一次在襟翼盒上应用复合材料的飞机；A320是投产的第一架全复合材料尾翼飞机；A340飞机的机翼的13%重量是复合材料；而A340/500-600则采用了碳纤维增强塑料龙骨梁。而A380飞机是空中客车第一次将碳纤维增强塑料（CFRP）应用于中央翼盒的飞机，这种结构与铝合金相比减重1.5吨。A380上的中央翼盒重8.8吨，其中5.3吨是复合材料。面临的主要问题是翼根的连接和零件的厚度，复合材料零件的厚度能够达到45mm。但是有生产A340/500-600则采用了碳纤维增强塑料龙骨梁（16m长，23mm厚，每根梁承载450吨）的经验。另外在A340-600飞机上还有襟翼翼盒、方向舵以及水平安定面和升降舵的整体复合材料设计经验。
A380飞机的CFRP水平尾翼与A310飞机的悬壁式机翼相近，而在中央翼盒上采用了合理的自动铺带技术。此外，上地板梁和后压力隔框也采用了CFRP材料。这些零件的第一个采用了挤压成形工艺，第二个试用了树脂模浸渍工艺和自动纤维铺放技术，最后由于形状的原因，最后选择了树脂模浸渍工艺。在后机身非承压部位由于是双曲度壁板，所以采用了纤维铺放技术生产蒙皮壁板，高载荷承力框则采用高强铝合金加工，而承载较小的框则采用RTM制造工艺。A380机翼固定前缘为热塑性复合材料，能够减重并节约成本。这项技术已经在A340-600飞机上验证，改善了损伤容限和可检测性，进一步的应用还在研究中，例如应用于机身的次承力支架系统。
机翼后缘移动面采用了CFRP，并在难以用一般技术获得的成形零件上采用了RTM技术，如移动面的铰链和翼肋零件。内侧襟翼与增升装置容易受到外来物的损伤，但考虑到减重问题，本文由 实验台:
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金属结构设计在这方面并不优于复合材料设计。因此，在A380飞机的襟翼跟踪梁的设计中采用了金属与复合材料的混合结构，在横向壁板和次承力翼肋处用CFRP代替了铝合金。另外，空中客车公司还首次将CFRP翼肋用于翼盒中代替铝合金。最终在襟翼的中外翼部分、襟翼的整流罩以及扰流板和副翼上也采用了CFRP材料。
在夹层结构方面，主要的创新是采用轻型蜂窝代替了原来使用的芳纶纸蜂窝。在A380上的典型应用包括腹部整流罩（超过300平方米）及地面这类大尺寸结构件。用整体设计概念代替夹层结构的发展趋势，有可能在A380的机身和机翼起落架舱门上得到应用。
但是复合材料技术的应用必须在合理的成本下提供高的性能。因此，在A380飞机上采用了自动丝束铺放、自动铺带、树脂膜浸渍以及树脂转移成型这些低成本生产技术，不仅能够生产大型复合材料零件，而且降低了装配成本。
3.GLARE 技术（见图4）
GLARE蒙皮用于A380飞机的上机身蒙皮。采用GLARE工艺技术可以实现局部增强，并且厚度变化可以通过一次固化实现。这种制造方法相对于铝合金壁板来说可以增加机身宽度，从而减少了纵向壁板连接点。在机身上应用GLARE材料主要是由于其断裂机械性能好，能够显著提高抗裂纹增长能力。另一方面，玻璃纤维与铝合金相比弹性模量低，同样厚度下与普通铝合金Al2024相比刚性小15%。这是为什么在稳定性和抗弯能力要求高的结构零件中不选用GLARE材料的原因。GLARE材料相比铝合金的另一个优点是抗腐蚀及防火能力强，为此空中客车公司开展了许多局部及全尺寸样件的试验，以验证这种新材料的性能。自从1999年10月以为，德国空军就在A310多用途飞机的机身上采用了GLARE材料，该设计通过了验证并且发布了相关的结构修理手册。在A380-800飞机蒙皮上应用了大约500平米的GLARE材料。GLARE材料的进一步应用还在研究中，有望替代尾翼前缘，从而改善鸟撞性能。
4.激光焊（见图5）
激光焊是空中客车公司在A318飞机上开发的用于机身下壁板制造工艺。该工艺在A380飞机上代替铆接首先应用于下机身壁板的桁条，从而使结构概念从组装结构过渡到整体结构，减少了裂纹增长。激光焊技术的发展还促进了可焊合金Al6056和Al6013的发展。用激光焊接的壁板已经过了压力试验并进行了单双曲度壁板的验证。结果证明该工艺不仅节约成本，而且提高抗腐蚀能力并可减重。激光焊在A380上的进一步应用可能是蒙皮与卡箍的连接部位以及起落架舱处的压力隔框。
5.结论 本文由 实验台:
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A380飞机的大部件结构零件采用了新一代CFRP复合材料和先进的金属材料，除了减重效果外，还能提供更具优势的使用可靠性，且维护和维修更简便。主要创新包括：
?上机翼蒙皮采用了GLARE材料；
?在下机身蒙皮应用了6000系列铝合金和激光焊接技术；
?中央翼盒为碳纤维增强塑料；
?开发了一种先进的铝合金用于翼盒；
?采用了铝锂合金；
先进飞机 篇3
长期以来, 国家航空工业部门集聚了我国航空工业的主要力量。在“708工程”配套动力装置攻关期间, 在十分简陋的条件下, 开展技术革新, 克服重重困难, 终于取得了成功。1980年, 我国拥有完全知识产权的大型喷气式客机“运十”成为中国第一架按英美适航条例CAR-25设计的国产客机, 最大起飞重量110吨。当时该机就安装了上海研制的涡轮风扇发动机, 并完成多项试飞, 达到最大时速930公里, 最远航程8 600公里, 实用升限11 000米。同时, 连续7次飞行进入被称为“空中禁区”、“死亡航线”的西藏, 均获得成功。
“708工程”实现了发动机与飞机同步总装、试飞, 接受实践的检验和评判, 取得了宝贵的经验。与此同时, 形成了CCAR-33适航管理条例, 锻炼了我国涡轮风扇发动机的研发队伍, 为今天的大飞机动力装置的研发和制造奠定了扎实的基础。
国际上, 涡轮风扇发动机的发展是从民用发动机开始的。由于当时安装涡轮螺旋桨发动机的客机飞行速度大都被限制在0.6～0.65马赫, 难以继续提高;而安装涡轮喷气式发动机的客机飞行速度虽然可以达到高亚音速, 但是油耗太大, 经济性较差。为改善其经济性, 提高推进效率, 同时保持其高亚音速特性的涡轮风扇发动机, 通过不断改进应运而生。世界上第一台涡轮风扇发动机是1959年定型的英国康维, 推力为57.30千牛, 用于VC-10、DC-8和波音707喷气客机。其涵道比有0.3和0.6两种, 耗油率比同时期的涡喷发动机低10%～20%。1960年, 美国在JT3C涡喷发动机的基础上改型研制成功JT3D涡轮风扇发动机, 推力超过77千牛, 涵道比1.4, 用于波音707、DC-8喷气客机及军用运输机。
涡轮风扇发动机是由风扇排出空气和喷管排出燃气共同产生反作用推力的燃气涡轮发动机, 由风扇、压气机、燃烧室、驱动压气机的高压涡轮、驱动风扇的低压涡轮和排气系统组成。其中压气机、燃烧室和高压涡轮三部分统称为核心机。不加力式涡轮风扇发动机不仅涡轮前温度较高, 而且风扇直径较大, 涵道比可达8以上。这种发动机的经济性优于涡轮喷气发动机, 在现代大型干线客机、军用运输机等最大速度为0.9马赫左右的飞机中得到广泛应用。根据热机的原理, 当发动机的功率一定时, 参加推进的工质越多, 所获得的推力就越大。不加力式涡轮风扇发动机由于风扇直径大, 空气流量就大, 因而推力也较大。同时, 由于排气速度较低, 发动机的噪声也较小。涡轮风扇发动机比涡轮喷气发动机的工质流量大、喷射速度低、推进效率高、耗油率低且推力大。
高涵道比涡轮风扇发动机的噪声低, 排气污染小, 多用作大型客机的动力装置。这种客机在11 000米高度的巡航速度可达950公里/小时。但这种高涵道比的涡轮风扇发动机排气喷射速度低, 迎风面积大, 不宜用于超音速飞机上。
在飞行速度不变的情况下, 涵道比越高, 推进效率就越高, 因此, 现代不加力涡轮风扇发动机的涵道比越来越大。自20世纪70年代第二代涡轮风扇发动机投入使用以来, 涵道比达到4～6, 单发推力已经达到200千牛以上, 开创了大型宽体喷气客机的新时代。不久, 又衍生出推力小于200千牛的不同推力级的高涵道比涡轮风扇发动机, 广泛用于各型干线喷气客机和支线喷气客机上。其中, 单发100～150千牛推力级的CFM56系列就生产了13 000多台, 并创造了机上寿命超过30 000小时的纪录。
20世纪90年代中期, 装备波音777宽体喷气客机的第三代涡轮风扇发动机投入使用。其涵道比高达6～9, 单发推力超过350千牛。其中, 通用电气公司GE90-115B在2003年2月创造了569千牛的发动机推力世界纪录。正是由于这些大推重比、高效能的涡轮风扇发动机大量装备干线喷气客机、远程宽体喷气客机, 一改过去需要4发的喷气客机为双发布局。其不仅机翼气动性能更佳, 而且动力装置重量减轻, 动力系统复杂性降低, 动力系统可靠性不降, 照样可以越洋飞行。
涡轮风扇发动机的科技进步不仅表现在使用与技术性能上, 而且还体现在环保指标上。当前, 国际上投入使用的先进涡轮风扇发动机, 已使喷气客机的巡航耗油率比20世纪50年代的涡喷发动机整整降低了近50%, 发动机噪声下降20分贝, 一氧化碳、未燃尽的碳氢化合物、氮氧化合物有害排放物分别减少70%、90%、45%, 发动机的可靠性和耐久性倍增。发动机热端部件寿命为7 000～10 000小时, 整机寿命达到15 000～20 000小时, 相当使用10年左右。目前, 普惠公司正在研制新一代涡轮风扇发动机PW8000。这种齿轮传动涡轮风扇发动机, 推力为110～160千牛, 涵道比11, 耗油率下降9%。
航空发动机研究和发展工作的特点是技术难度大、耗资多、周期长。发动机对飞机的性能、飞机研制的成败和进度有着决定性的影响。而且, 发动机技术本身具有良好的军民两用特性, 对国防和国民经济具有重要意义。
根据国外对150座喷气客机动力装置选型、配套的情况来看, 波音公司和空客公司既有相同点, 也有不同点。150座喷气客机动力装置的单机推力低端为88.97千牛, 高端达117.9千牛。为此, 我国与大飞机配套的先进动力装置的推力也应该符合该级别。
先进复合材料在飞机结构中的应用 篇4
关键词：复合材料,飞机结构,低成本化
0引言
先进复合材料成功地作为飞机结构材料迄今有几十年的历史。由于其本身具有的独特性能[1,2](比强度高、比模量大、耐腐蚀性能优及易于大面积整体成型等),成为继钢、铝、 钛合金之后第四大航空结构材料[3]。作为21世纪重要的航空材料,复合材料在大型飞机结构上用量迅速上升,这表明: (1)复合材料的基础研究近年来取得了实质进展;(2)结构设计手段与验证技术的进步;(3)材料性能的提高和规范的完善[4]。复合材料的用量已经成为飞机先进性的一个重要标志。
复合材料种类繁多,按其用途可分为结构复合材料和功能复合材料。目前复合材料在飞机中的应用主要利用了其优异的力学性能,绝大多数属于结构复合材料,主要用作承力和次承力结构。功能复合 材料主要 利用材料 的电学、磁学、光学、声学等性能以及摩擦性能、阻尼性能、化学分离性能等,也有着广阔的发展前景。本文主要论述结构复合材料在飞机上的应用。
1复合材料在飞机结构上的沿用历史及现状
先进复合材料第一次被用于飞机上可以追溯到20世纪50年代[5]。60多年来,先进复合材料在飞机结构上应用走过了一条由小到大、由次到主、由局部到 整体、由结构到 功能、由军机应用扩展到民机应用的发展道路。
随着复合材料在飞机上的应用,20世纪70年代第一架全复合材料的飞机出现了,它们都是一些小型的娱乐用或特技飞行用飞机[6],这些飞机大部分采用胶接和共固化结构, 紧固件用量很小,高效的空气动力学设计,加之质量轻,使这些飞机有很好的速度与敏捷性[7]。复合材料首先在一些次要的、非承载结构上有限地应用,如舱门、整流罩、方向舵、扰流板等,以收集相关的实验数据及飞行数据;接着,在前期应用的基础上,在大型飞机上推广应用复合材料。20世纪70年代末80年代初,复合材料被设计人员作为重点考虑在飞机次承力部件上使用,如垂尾翼、平尾翼、方向舵等,例如F15、F-16、F-18以及幻影2000等均采用复合材料尾翼。
随着人们不断增长的航空旅行需求、燃料价格的上升、 航空公司追求利润以及降低运营成本的需要,利用复合结构材料替代金属材料给飞机减重变得尤为迫切。20世纪80年代复合材料开始应用于机翼、机身等主要的承力构件,受力很大,规模也很大。例如,波音737的水平舵采用了三明治复合结构,接着空客A320开始大规模使用复合材料,它的水平舵与垂直舵以及控制面板均采用了复合材料。另一个以复合材料作为飞机重要结构的例子是20世纪90年代的波音777,除了控制面板和尾翼,其主要的地板梁也采用了复合材料。尽管复合材料的使用成本还不能与铝合金材料相比, 但复合材料优异的疲劳性能和更好的耐蚀性 (与铝合金 相比),使其大规模在飞机上使用是必要的。决策者们相信,更多采用复合材料来减轻飞机质量以获得更好的燃油效率是可行的。
波音一直致力于复合材料机身和机翼的研究,在21世纪第一个10年里推出了B787飞机,该机上复合材料使用量占机身总质量50%以上[2,8],减轻了飞机质量,提高了飞机的航程、减少了运营和维护成本。
大量的B787定单迫使空客公司开始加快研发在市场上与B787飞机竞争的机型,这就是空客A350,它的机身和机翼全部采用复合材料。21世纪的空客A380是新一代采用复合材料的大型客机,其采用玻璃纤维复合材料制作机身, 并在中央翼盒、地板梁和后压力隔板采用了碳碳复合材料。
图1为复合材料在飞机上应用量随时间变化曲线。由图1可以看出,进入新世纪,无论是军用和民用飞机的复合材料用量出现同样的趋势。一个缓慢的开始,后面是快速增长期,快速增长期后,是一个很 长的水平 线,可能是以 下原因:(1)很难找到适合使用的复合材料;(2)进一步应用的综合成本让人望而却步;(3)管理决策等外部因素。由图1中可以看出,军用飞机成为复合材料在飞机上应用的先导。最近10年,民用飞机上复合材料用量似乎超越了军事上的应用,可能并不能反映真实的情况,出于军事机密原因,这方面的数据无法得到(如B-2上复合材料用量很大,但这方面没有资料披露)。
目前还不清楚波音和空客未来在飞机上使用复合材料的计划及设计指标。此外,复合材料的性能,如撞击、疲劳和损伤容限等仍在进行课题研究。如果在这些领域中的理论及应用问题得到解决,复合材料的使用成本将显著下降。此外,随着机器人技术及复合材料自动化 生产技术 进一步改 善,复合材料的制造成本将更具有竞争力。
2先进复合材料设计、制造中存在的问题
飞机结构用先进复合材料存在的问题主要表现在以下几个方面:
(1)复合材料主结构设计、分析、验证还需要实践。虽然复合材料在现代飞机上的使用量大幅提高,部分重要的承载部件也采用了先进复合材料,但飞机的机身大梁等关键部件还是采用金属材料,尤其是近年来发展的大型民航客机更是如此,全复合材料飞机仅用于小型飞机[9]。欧洲现在正在执行的面对民用飞机的SWK研究计划的目标是:减重30%, 降低成本40%。这就意味着更重要的结构、更广泛地采用先进复合材料,这需要工程验证与实践。
(2)制造质量需要稳定,研究机构的试制质量不等于企业化产品质量。飞机上复合材料的构件尺寸大、结构复杂, 且生产批量大,其制造与研究中材料的制备工艺、设备不尽相同,保持质量稳定不易。例如,波音在B787项目中,因为重要复合 材料构件 出现问题 等使飞机 试飞推迟28月之久[10]。
( 3 ) 材料性能有待提高 , 材料品种需要扩大 。
( 4 ) 使用维护要简单可行 。
(5)复材结构民机与军机结构的差异(设计规范、使用环境)。细节设计、连接设计、功能设计(气密、油密、导电、隔噪等)、蜂窝夹心结构刚度、损伤裂纹抑制设计等都是结构设计者需要不断进行实践的。
尽管在A320上采用以机器人为代表的制造技术革新, 随后的B777生产也采用自动化,但先进复合材料的高成本已成为制约其更大规模应用的瓶颈。
3飞机用先进复合材料的新进展
3.1先进复合材料及结构的评估
复合材料作为一种各向异性的材料,其宏观性能、损伤机理、失效规律不同于一般的金属材料或非金属材料,对复合材料的研究必须采用“设计/评价”一体化的研究思想。由于复合材料损伤和破坏过程的多层次性和相互关联性,目前还不能有效地描述其复杂的损伤演化过程和断裂行为。因此,应结合现代先进的试验测试技术,从更细微观层次上探索和发现其损伤演化和破坏的新规律,同时,针对先进复合材料的结构材料同一性的特点,借助计算机辅助设计,从材料的细观设计出发,实现复合材料的材料与结构一体化优化设计,最大效能地发挥复合材料的潜力,这不仅对复合材料科学具有促进作用,而且对复合材料的工程应用具有重要的指导意义。获得材料失效过程的控制因素和控制方程,建立服役条件下材料性能的科学表征方法及材料环境行为数据库,实现失效过程的计算机拟实与控制;研究先进复合材料优化设计理论和方法,建立材料设计的数据库、知识库和程序库,进行多层次跨尺度的材料设计及性能预测,实现科学设计,从被动到主动、从定性到定量的飞跃。
3.2先进复合材料设计、制造的低成本化
复合材料是性能卓越的材料,但在应用过程中也存在制造成本、检测成本高的缺点,成为其进一步发展应用的主要障碍,降低复合材料的制造成本成为关键[11,12]。以美国为首的西方发达国家纷纷制订了低成本的复合材料发展研究计划,并取得了一定的效果,但复合材料低成本化仍是现代复合材料发展的重点。
美国为了减轻飞机结构质量、降低成本,分3个阶段推出了一系列计划 支持复合 材料的发 展,包括ACEE、ACT、 CAI、DMLCC及LCCP、ALCAS、AFS等[2,13],欧洲则有TANGO、FUBACOMP、ALCAS计划及EDAVCOS计划等。 其实质是解决日益严峻的能源和全寿命成本问题,将先进复合材料代 替传统金 属材料,应用于结 构复杂的 飞机机身 上[14]。这一系列的宏大计划为飞机公司带来了巨大的机遇与挑战。例如,波音的计划目标是降低成本50%,空客以减轻飞机结构质量20%为目标,并将成果用于A380大型飞机的制造上[3]。
复合材料的制造技术以低成本技术为指导方针,在现有的技术基础上,发展出自动化制造技术、罐外成型技术、共固化/共胶接技术、低温固化技术以及树脂传递模塑成型技术 (RTM)等先进复合材料的制造技术,并不断改进与完善[14]。
除了低成本的制造技术外,低成本的设计技术、低成本的材料技术也成为复合材料低成本化的组成部分。在复合材料设计方面重点发展了优化、革新的设计技术,以设计制造一体化(DFM)技术为核心的数字化和自动化技术,新的理念和手段将设计与制造进一步融合,从而加快了新产品的研发,提高了产品质量,降低了开发成本。材料上发展了多种稳定的高性能材料体系,提高了材料的许用值和结构的设计值,并且在不同机种上进行了验证和使用。
3.3先进复合材料研究的最新进展
许多材料界的专家与学者在研究如何提高先进复合材料性能的同时,也积极研发新型复合材料,并对复合材料应用中出现的问题及新技术进行研究。
张博明[15]研究了混杂纤维复合材料,与单一纤维复合材料相比,混杂纤维复合材料性能优势明显,是发展的重点材料之一。丁玲等应用遗传算法对复合材料铺层优化设计,得到最优的复合材料结构铺层方案,有限元分析及静力学实验结果表明,经过优化后的复合材料性能得到了提高,满足工程的需要[16]。Latha P S[17]用实验的方法研究了竹纤维与玻璃纤维混杂制成的复合材料,结果表明材料性能优异。Michael P.M.Dicke等[18]将“绿色”概念引入到复合材料设计及制造中,在性能满足应用的情况下原材料尽量采用环保、 可回收利用的再生原料。Libo Yan等[19]制备了一种以热塑性树脂为基体,亚麻纤维作为增强材料的复合材料,其回收利用率大大提高,亦可自然降解,是一种潜力巨大的复合材料。
近年来,随着纳米技术的出现及应用,纳米增强复合材料的研究也成为热点[20,21,22,23,24]。纳米材料的特殊性能,使得以纳米技术增强的复合材料在力学性能、声学性能、热力学性能等方面较传统材料都有很大的提升,使复合材料的应用范围更加广泛。
美国加州理工大学的研究团队受到螳螂虾钳的启发,正在研究新型的复合材料,以制造出损伤容限更好、强度更好的复合材料[25]。周正干[26,27]在研究中提到了新型的复合材料超声测试技术,该技术可以实现复合材料复杂型面检测、 快速检测,以适合复合材料制程新技术的发展。
随着复合材料成为飞机结构制造材料,防雷已成为一个比较复杂的需要解决的问题。在航空航天工业中,广泛采用多孔金属箔,目前使用在军事和商用客机上。多孔金属箔一直备受关注的问题是复合材料结构油漆的微裂纹导致金属箔因腐蚀而失效。波音公司已经对此进行了研究,以期解决这个与飞机安全密切相关的关键性问题[28]。
空客新组建了复合材料回收咨询委员会。该委员会将构建空客公司回收和重复利用复合材料的愿景、战略、目标和路线图,已展开或计划开展各种回收复合材料的研究和技术项目[29]。
王子熙[30]在文章中提到,美国开展了综合飞行器能量技术(INVENT)计划,提出了能量优化飞机,并计划将此技术应用在第六代战机上。田英超等[31]对复合材料与钛合金及铌合金的钎焊进行了研究,结果表明将复合材料与钛合金或铌合金进行连接是可行的,为这种结构的应用提供了有益的参考。
李珂[32]在文章中提到了美国的AGATE计划,该计划是复合材料的开发设计指南,大大缩短了复合材料的研发和鉴定周期,加快了新型复合材料在飞机上的应用。继先进结构复合材料之后,出现了智能复合材料[33,34],智能复合材料具有结构监测、自愈合、形状记忆及结构自适应功能,对未来航天航空结构产生巨大而深远的影响。周雷敏等[10]分析、研究了B787客机复合材料国际化制造过程中出现的问题,为今后类似问题的解决提供了很好的思路。
4飞机结构用先进复合材料的发展趋势
复合材料在飞机上的用量和应用部位已成为衡量飞机结构先进性的重要指标之一。复合材料的发展趋势体现在以下几个方面。
4.1复合材料在飞机结构上的使用量日益增多
复合材料的使用量通常用其所占飞机机体结构的质量分数表示。纵观复合材料在民用飞机上的发展情况发现,无论是空客公司还是波音公司,随着时间推移,复合材料的用量都呈增长趋势。最具代表意义的是空客公司的A380客机和波音公司最新推出的B787客机。在A380上仅碳纤维复合材料的用量就达32t左右,占结构总重的15%,再加上其他种类的复合材料,其总用量达30%。B787上复合材料用量达到50%。另外,复合材料在军机和直升机上的用量也有同样的增长趋势。
印度的Composite Insights分析了全球航空航天和能源产业,认为复合材料需求的增加主要归因于新型及现有大型商用飞机的生产,以及民用直升飞机和公务喷气机的增长。 预测复合材料的整体需求在2019年将稳步增长至4.7×109美元[35]。
4.2应用部位由次承力结构向主承力结构过渡
飞机上最初采用复合材料的部位有舱门、整流罩、安定面等次承力结构,目前已广泛应用于机翼、机身等部位,向主承力结构过渡。A380的中央翼盒、翼肋、机身上蒙皮壁板、机身后段、机身尾段、地板梁、后承压框、垂尾等大量的主承力结构都采用了复合材料。B787复合材料的应用则更让世人瞩目,与A380相比其用量更大,主承载部位的应用更加广泛,这是世界上采用复合材料最多的大型商用喷气客机。
4.3复合材料在复杂曲面构件上的应用越来越多
飞机上复杂曲面零件越来越多地采用复合材料制造。 洛克希德·马丁公司在JSF项目中采用纤维铺放技术制造形状非常复杂的复合材料进气道。该进气道由4部分碳-环氧复合材料结构组成,采用夹芯结构增强刚度,实现减重并降低了成本。
在复杂曲面轮廓上应用复合材料存在潜在的制造变形问题,与铺层边界吻合的复杂曲面的铺 层展开形 状难以确 定,更严重的是铺层甚至无法展开,在设计制造方面有很大的难度,该类零件的设计具有挑战性。
4.4构件向整体成型、共固化方向发展
飞机上大量采用复合材料的主要目的就是减重,而复合材料构件的共固化、整体成型能够成型大型整体部件,可以明显减少零件、紧固件和模具的数量。减少装配是复合材料结构减重的重要措施,也是降低成本的有效方法。构件整体成型最具代表性的例子是Premier I商务机采用复合材料机身结构。厚度为20.6mm,采用碳纤维增强复合材料作为面板的蜂窝夹层结构,取消了传统铝制机身中需要的桁条和框架,使飞机增加了33%的客舱空间,并减重25%。Premier I商务机的机身只由2个整体成型的部件构成,减少的零部件数目超过3000个,质量至少为454kg。零部件数目的减少缩短了生产周期,减少了在制造和装配部件过程中的工时, 从而大幅度降低了成本。然而,当越来越多的功能被集成到单一部件中时,复杂程度大大增加,使设计和制造具有更大难度,需要设计的创新以及制造集成零 件的先进 技术来保 证。
4.5新型复合材料不断涌现
高性能、多功能、智能化复合材料日益成为研究与应用的热点。高力学性能、高耐热性能的复合材料日新月异;承力/吸波,承力/吸波/减震/降噪一体化是飞机结构用复合材料的一个重要发展方向。要实现多功能化,设计是首位,材料是根本,工艺是保证。飞机结构用复合材料自感知、自诊断、自适应智能技术,可以实现复合材料飞机结构噪声抑制、 振动控制、主动变形、健康监测。
4.6复合材料数字化、低成本化制造、设计制造一体化技术发展
成本过高一直是制约在飞机结构上大量使用复合材料的主要障碍,低成本化是复合材料发展中急需解决的关键技术。低成本化重点考虑设计方法低成本化,制造技术低成本化,全寿命低成本化。数字化制造有利于减少试验量,缩短研制周期,降低废品率及提高生产效率。发展复合材料制造过程模拟与工艺参数优化技术,复合材料制造过程数字化与飞机结构设计数字化趋向相适应。在设计阶段就考虑制造与装配中的问题,可加快产品的研制进度,提高质量,有效降低成本。采用全新的设计理念和手段,将设计和制造融为一体,是复合材料发展的重要趋势。
5结束语
纵观国内外先进复合材料的发展历程,每种类型的复合材料都经过了先预研再应用的技术路线。20世纪80年代后期以来,美国和欧洲开展了多个专项计划用于复合材料结构技术研究及应用,成果显著;并促进了复合材料在民用飞机结构中的应用,取得了突破性的进展。