先进复合材料在飞机结构上的应用与发展

先进复合材料在飞机结构上的应用与发展张佐光1李敏1陈绍杰2（1北京航空航天大学2沈阳飞机设计研究所）摘要首先阐述了飞机结构用复合材料的重要性与必然性，较全面介绍了先进树脂基复合材料在飞机上应用及其发展历程，指出了复合材料发展亟待解决的重要问题，展望了复合材料的发展未来。大量事实表明：先进复合材料用于飞机结构可同获减重/功能双重显著效益，先进复合材料在飞机结构上用量已成为衡量飞机先进性的一个重要标志，先进复合材料用于飞机结构仍有很大的发展潜能，树脂基复合材料用于飞机结构老化已不成问题，复合材料更大发展时期已经到来。关键词复合材料；飞机结构；结构设计；制造工艺；树脂基体1飞机结构用复合材料的必然性“轻质化、长寿命、高可靠、高效能、高隐身、低成本”是新一代飞机的发展目标，先进复合材料用作飞机结构则是实现这一目标的重要途径。这是因为先进复合材料具有质轻、高强、可设计、抗疲劳、易于实现结构/功能一体化等优点，因此，继铝、钛、钢之后迅速发展成为四大飞机结构材料之一，如图1所示。复合材料用量已是飞机先进性的一个重要标志，如先进的F-22、F-35、B-2等军机其复合材料用量均达到25%以上，民机也是如此，新研制的A380复合材料用量达25%，而B787高达50%。材料用量％1980198519901995200036468645884铝合金复合材料钛合金钢年份75图1飞行器用四大结构材料1复合材料在飞机结构上的应用首先带来的是显著的减重效益，复合材料尤其是碳纤维复合材料其密度仅为1.6g/cm3左右，如等量代替铝合金，理论上可有42%的减重效果，对于为减轻1克重量而奋斗的飞机结构设计而言，这是目前其他任何先进手段所无法达到的效果，也是先进复合材料在飞机结构上大量应用的根本所在。重量的减轻意味着战斗能力的提升、航程增加或者运输能力提高，如美国旅游者（Voyager）号飞机，90%以上为碳纤维复合材料，飞机结构重量只有453kg，可连续环球飞行9天，飞行距离达40252km。飞机结构每减少1kg重量，对于小型民机、直升机、战斗机和运输机，其结构受益分别可达50、100、450和900美元，飞机结构应用复合材料所带来的效益显而易见。近年来随着复合材料技术的深入研究和应用实践的积累，人们清楚地认识到：复合材料在飞机结构上应用效益绝不仅仅是减重，而且给设计带来创新舞台，通过合理设计，还可提供诸如抗疲劳、抗振、耐腐蚀、耐久性和吸透波等其它传统材料无法实现的优异功能特性，可极大地提高其使用效能，降低维护成本，增加未来发展的潜力和空间。尤其与铝合金等传统材料相比，可明显减少使用维护要求，降低寿命周期成本，特别是当飞机进入老龄化阶段后效果更明显，据说B787较之B767机体维修成本会降低30％，这在很大程度上应归功于复合材料的大量应用。同时，大部分复合材料飞机构件可以整体成型，大幅度减少零件数目，减少紧固件数目，减轻结构质量，降低连接和装配成本，从而有效地降低了总成本，如F/A-18E/F零件数减少42%，减重158kg。复合材料整体成型技术还可消除缝隙、台阶和紧固件，无疑对提高军机的隐身性能也具有非常重要的贡献。2飞机结构用复合材料的发展历程先进复合材料于上世纪60年代中期一问世，即首先用于飞行器结构上。30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。纵观国外军机结构用复合材料所走过的道路，大致可分为三个阶段：第一阶段复合材料主要用于受力较小或非承力件，如舱门、口盖、整流罩以及襟副翼、方向舵等，大约于上世纪70年代初完成。第二阶段复合材料主要用于垂尾、平尾等尾翼一级的次承力部件，以F-14硼/环氧复合材料平尾于1971年研制成功作为标志，基本于上世纪80年代初完成。此后F-15、F-16、F-18、幻影2000和幻影4000等均采用了复合材料尾翼，此时复合材料用量大约只占全机结构重量的5%。第三阶段复合材料开始应用于机翼、机身等主要的承力结构，受力很大，规模也很大。主要以1976年美国原麦道公司研制成功FA-18复合材料机翼作为里程碑，此时复合材料用量已提高到了13%，军机结构的复合材料化进程进一步得到推进。此后世界各国所研制的军机机翼一级的部件几乎无一例外地都采用了复合材料，其复合材料用量不断增加，如美国的AV-8B、B-2、F/A-22、F/A-18E/F、F-35、法国的“阵风”（Rafale）、瑞典的JAS-39、欧洲英、德、意、西四国联合研制的“台风”（EF2000）、俄罗斯的C-37等，具体如表1所示。应该指出继机翼、机身采用复合材料之后，飞机的昀后一个重要部件——起落架也开始了应用复合材料，向着全机结构的复合材料化又迈进了一步。复合材料用在起落架上是代钢而不是代铝，可有更大的减重空间，一般可达40%左右。2表1几种军机复合材料应用情况机种国别用量（%）应用部位首飞年份阵风（Rafale）法国30垂尾、机翼、机身结构的50%1986JAS-39瑞典30机翼、垂尾、前翼、舱门等1988F-22美国25机翼、前中机身、垂尾、平尾及大轴1990台风（EF-2000）英德意西四国40机翼、前中机身、垂尾、前翼1994F-35美国35机翼、机身、垂尾、平尾、进气道2000目前世界军机上复合材料用量约占全机重量的20%～50%。如果达到50%，则全机的主要结构几乎都由复合材料制成，复合材料成为飞机结构的基本材料。如B-2其复合材料用量高达50%，全机结构几乎均为复合材料，如图2所示。图2B-2飞机上的复合材料结构我国于上世纪70年代已开展军机用先进复合材料的研究。“六五”期间作为预研项目研制了两个机型的复合材料垂尾，1985年开始研制某型机带整体油箱的复合材料机翼，90年代初研制了某型机复合材料垂尾和前机身，此后多种机型均正式采用了复合材料，其复合材料用量接近10％。继军机之后，国外大型民机也大量采用复合材料，以波音飞机为例，其进程大致走过了四个阶段：第一阶段：采用复合材料制造受力很小的前缘、口盖、整流罩、扰流板等构件，该阶段于上世纪70年代中期实现。第二阶段：制造升降舵、方向舵、襟副翼等受力较小的部件，该阶段约于80年代中期结束。第三阶段：制造垂尾、平尾受力较大的部件，突破了尾翼级部件在大型客机上的试用，随后B777设计应用了复合材料垂尾、平尾，共用复合材料9.9吨，占结构总重的11%。第四阶段：在飞机昀主要受力部件机翼、机身上正式使用复合材料，如波音公司正在研制的B787“梦想”飞机，其复合材料用量达50％，见图3。空客也于70年代中期开始了先进复合材料在其A300系列飞机上的应用研究，经过7年时间于1985年完成了A320全复合材料垂尾的研制，此后A300系列飞机的尾翼一级的部件均采用复合材料，将复合材料的用量迅速推进到了15%左右。已于2005年初下线并首飞的A380超大型客机，其复合材料用量达25%，主要应用部位包括中央翼、外翼、垂尾、平尾、机身地板梁和后承压框等，开创了先进复合材料在大型客机上大规模应用的先河，如图4所示。3CarbonlaminateCarbonsandwichFiberglassAluminumAluminum/steel/titaniumpylons图3B787飞机上的复合材料结构图4A380飞机上的复合材料结构与此同时，直升机和无人机结构用复合材料发展更快，如美国的武装直升机科曼奇RAH66，共用复合材料50%。欧洲昀新研制的虎式（Tiger）武装直升机，复合材料用量高达80%。X－45C无人机复合材料用量达90%以上，甚至出现了全复合材料无人机，如“太阳神”（Helios）号。综上所述，随着飞机结构复合材料用量的不断增加，飞机的先进性不断提高，因此复合材料用量已成为目前衡量飞机先进性的一个重要标志。见图5与图6。1970198019902000020406080Mig1.44LCARafaleF2F/A-18E/FF-35(JSF)EF2000RAH-66TigerV22B2F-22JAS-39F-16AV-8BF/A-18幻影2000Mig-29F-15F-14复合材料用量(%)研制年代(首飞)19601970198019902000201001020304050B787A380A322A321A330A340A310A300-600B777B747-400MD90B767B757MD80B747DC9复合材料用量(%)年份图5国外军机结构用复合材料进程图6大型民机结构用复合材料进程43重视预先研究分析国外飞机发展的历程不难发现，复合材料在飞机结构上的应用是一个循序渐进、逐步深化的过程，并且这个过程每前进一步都与预先系统全面的基础研究和应用技术研究密切相关。例如，自上世纪70年代以来，以美国为代表的发达国家为推进复合材料在飞机结构中的大量应用，连续提出了多个重大计划。1976年NASA首先执行了ACEE（AdvancedCompositeEnergyEfficiency），即飞机先进复合材料节能计划，该计划历时10年，主要推动以平尾与垂尾为核心用复合材料进行研究，实现结构减重、节省燃油、增加客机的商载。1988年执行了著名的ACT（AdvancedCompositeTechnology），即先进复合材料技术计划，主要目的是开发大型飞机机身、机翼主承力结构用的复合材料技术，改进结构性能，降低成本，提高损伤容限能力，实现“强度、刚度、损伤容限三者的统一”，研究范围包括热固性和热塑性复合材料，纺织复合材料，成型工艺涉及热压、RTM等多种技术。这些计划都是以减重而驱动，实践结果形成了一个广泛而有深刻的现象：成本下不来，用量上不去。鉴于此美国又推出了CAI（CompositesAffordabilityInitiative）计划，即低成本复合材料计划，DMLCC（Design&ManufacturingofLowCostComposites）“低成本复合材料设计与制造”计划和LCCP“低成本复合材料工艺”计划等，这些计划的核心是研究复合材料的低成本技术。CAI计划（1996～2007）是由美国国防部联合NASA、FAA和工业界共同发起并制定的，该计划目标是降低复合材料成本50%，其核心要实现一个设计/制造示范性的创新转变，昀终降低复合材料结构单位质量的成本。DMLCC计划是由美国空军资助，Boeing、MDC、GE及Bell等公司共同承担，于1997年启动，主要针对批量生产F22军机的低成本制造技术进行研究，其目标是比原来复合材料结构成本减少50%。LCCP计划的目标则是试验机的低成本工艺技术，主要研究复合材料缠绕成形和特殊模具技术等。欧洲多国联合发起的TANGO（TechnologyApplicationtotheNear-TermGoalsandObjectives）计划和“SWK”的计划，实质上也是欧洲的低成本复合材料计划。其中TANGO计划为期4年，该计划以A380作为应用背景，目标减重20%，降低成本20%。共选用中央翼、外翼、两个机身段4个大的验证平台，规模均较大，各平台采用不同的技术途径验证，通过竞争达到高质量、低成本，集中用在A380的研制上。“SWK”的计划是欧洲近期发起执行的，该计划目标减重30%，降低成本40%，主要为发展大型飞机复合材料机身服务，并为此进行技术上的革新，革新设计概念和制造方法。此外还有美国的ATCAS（AdvancedTechnologyCompositeAircraftStructure），即先进复合材料飞机结构计划，AFS（AdvancedFuselageStructure）先进机身结构计划等。主要研究飞机主翼/机身技术，目标减重20%，降低成本30%；欧洲的FUBACOMP即全尺寸筒体复合材料机身计划，ALCAS（AdvancedLowCostAirframeStructures）先进的低成本机体结构计划，绿色航空旅行计划（AirTravel—GreenerbyDesign），以及