通用飛機用復合材料應用現狀與發展趨勢

黨婧　高麗紅　楊利

摘要：綜述了通用飛機的國內外發展現狀，介紹了復合材料在通用飛機上的應用及其發展歷程，指出了通用飛機用復合材料發展亟待解決的主要問題。闡述了Cessna 350、SR22和DA40 3種通用飛機的復合材料應用情況，展望了飛機用復合材料的發展趨勢。

關鍵詞：通用飛機；復合材料；發展趨勢

中圖分類號：TQ050.4 +3 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2013）07-0073-04

通用航空的發展水平標志著一個國家科技水平、經濟發展水平和生活水平的高低。根據民用航空總局《通用航空飛行管理條例》規定，通用飛機是指是除軍事、警務、海關緝私飛行和公共航空運輸飛機之外20座以下所有飛機的總稱[1～3]。

1 通用飛機分類及發展現狀[4，5]

1.1 通用飛機分類

從用途上看，通用飛機包括多用途飛機、公務機、農業飛機和娛樂旅游飛機等；從類型上看，包括固定翼飛機和旋翼機（見圖1）。

1.2 國內外發展現狀

目前全世界從事通用飛機科研或整機經營的國家約40多個，主要分布在加拿大、美國、意大利及歐洲其他發達國家。美國是世界上通用航空最發達的國家，2004年已有通用航空飛機22萬架，占全球總數的72%。

我國通用航空作業始于1951年，主要制造商為中國航空工業集團公司（簡稱“中航工業”），生產的通用飛機有Y5、Y11、Y12和N5A系列等。21世紀，飛機制造商采用國際合作方式生產通用飛機。如中航工業第一飛機設計研究院（603所）與石家莊飛機公司合作生產“小鷹500”輕型多用途飛機；2005年濱州大高通用航空城有限責任公司與奧地利鉆石飛機制造公司簽署成立濱奧飛機制造有限公司，研制出第1架鉆石DA-40型飛機；2011年中航通用飛機有限責任公司成功并購了美國的西銳設計公司，擁有了國際領先的通用飛機產業鏈。

2.1 通用飛機使用復合材料的市場

目前，軍用飛機已完成了從鋁材到復合材料的轉變。隨著波音公司波音787機身采用復合材料，對飛機制造技術、方式及戰略帶來根本性的轉變。

飛機用復合材料主要用于制造航空器的結構件和內飾部件。復合材料在先進飛機上的應用比例逐年提高，空客從A310的5%，到A380的23%，到A350XWB（寬體飛機）的53%用量的復合材料。波音787飛機復合材料用量也占到結構總量的50%。據波音、空客公司網站資料顯示，到2020年生產的大型客機將全部采用復合材料。

隨著先進復合材料及加工技術的快速發展，新型通用飛機開始越來越多地使用先進復合材料。統計表明，2007年通用飛機上復合材料用量在總材料用量中比例高達57%，預計到2020年，這一數字將達69%。許多小飛機的復合材料用量甚至超過結構總量的90%。

目前我國已經建立了航空航天復合材料的基本體系，無論是材料品種、工藝還是綜合性能均滿足了我國現役飛機型號對先進復合材料的需求。但由于我國通用飛機起步較晚，復合材料的使用仍然較少。如“小鷹”500 飛機是我國具有自主知識產權的輕型多用途飛機，該款飛機的發動機罩、尾錐和座艙部分側蒙皮采用了玻璃纖維復合材料。

目前，我國對通用飛機的需求呈指數增加，這對中國通用飛機及其復合材料發展是一種巨大的推動力。專業人士估計，2014年通用飛機使用復合材料的市場將超過11 億美元。

2.2 通用飛機使用復合材料存在的問題

復合材料用于通用飛機結構可獲減重/功能雙重功效。但在實際使用過程中存在以下問題：材料自身耐熱性差，不適用高溫工作環境；材料設計、制造成本和檢測費用較高；材料結構損傷的修理方法和相關標準匱乏。

3 Cessna 350、SR22和DA40通用飛機中復合材料的應用[11，12]

3.1 Cessna 350通用飛機中復合材料的應用

賽斯納飛機公司是全球最大的通用航空飛機專業制造商。Cessna 350是由賽斯納飛機公司推出的一種帶固定減速器的活塞式飛機。

Cessna 350的結構件用無緯織物預浸帶經手工鋪疊而成。翼梁、機身梁、安定面、操縱面及其他承受高載荷的結構件均采用碳纖維/環氧復合材料。機身及機翼蒙皮則采用E玻纖/環氧復合材料。機體重量中碳纖維/環氧復合材料的比例約為15%。機身夾層材料為左右2半粘接而成。蒙皮為玻纖/環氧復合材料，芯子采用樹脂浸漬芳綸纖維。機翼有2根C型梁，采用機械緊固件與加強的復合材料機身座相連。每根梁有上下2根由碳纖維/環氧無緯預浸條帶制成的緣條，腹板用玻纖/環氧預浸帶與蜂窩芯子組成。

3.2 SR22通用飛機中復合材料的應用

在當今美國通用飛機制造商中，西銳飛機設計制造公司堪稱頭號復合材料飛機制造商。SR22飛機號稱“空中寶馬”，是世界上同級別機型中銷量最大的。SR22是全復合材料單發活塞飛機（四座、單發、復合材料的飛機），2000年獲得FAA型號許可證。

SR22飛機大部分機構采用E玻纖/環氧，部分采用S-2玻纖環氧預浸帶。機身為硬殼式結構，由復合材料制成；機身結構的大面積區采用夾層結構，機身沿縱向分為左右2半部，典型2芯/2結構，E玻纖/環氧蒙皮覆蓋在DHT（航空級）閉孔泡沫芯子上。在機身頂部引入無緯S-2玻纖預浸帶形成護頭架結構。機翼蒙皮、翼梁和翼肋均由復合材料制成；機翼主梁采用碳纖維/環氧復合材料；主起落架減震支柱由耐疲勞性復合材料構成。

3.3 DA40通用飛機中復合材料的應用

奧地利鉆石飛機公司是世界領先的復合材料飛機制造商。DA40是由鉆石飛機公司推出的一種活塞式飛機，2000年獲得認證并投產。

Da40飛機采用了大量的復合材料結構，如機身、機翼等。機身由2個半機身和1個中間部件粘接而成，為玻璃纖維增強材料（GFRP）半硬殼式結構，部分區域使用碳纖維增強材料（CFRP），使機身具有足夠的強度和剛度，又最大限度減輕飛機自重。駕駛艙門為碳纖維材料，內、外框用樹脂粘接而成；機翼采用半硬殼式結構，有2個碳纖維材料工字梁；腹板用GFRP和夾芯結構組成，夾芯結構的上、下翼面蒙皮，夾芯為硬質閉孔泡沫；翼肋為GFRP。

值得一提的是，山東“濱奧飛機制造有限公司”生產的鉆石DA40型飛機復合材料的使用率達97%，是目前世界上復合材料使用率最高的飛機，該機于2008年12月4日舉行了自主生產批量交付儀式。

4 通用飛機用復合材料發展趨勢[7， 13，14]

我國航空復合材料技術的研究工作取得了可觀的成果并積累了寶貴的經驗，復合材料的垂直尾翼、水平尾翼、前機身等已在多種型號通用飛機上使用。機翼、直升機旋翼、尾梁等主承力結構也已裝機試飛成功。

今后，通用飛機用復合材料可以在以下6個方面得到發展：

1）高性能化。國內外先進樹脂基復合材料發展主要圍繞提高工作溫度、改善濕/熱性能和增大斷裂韌性等幾個關鍵技術進行。因此，通用飛機用復合材料的高性能化趨勢主要體現在力學、耐熱和耐環境性等方面。

2）結構/功能一體化。通用飛機用先進復合材料將逐步實現結構復合材料與功能復合材料的一體化，即結構復合材料的功能化和功能復合材料的結構化，向結構/功能（多功能）一體化方向發展。先進復合材料應至少具備2種或2種以上功能，如承力/耐高溫/減振、結構/阻尼/減振、承力/減振/降噪一體化是通用飛機結構用復合材料的重要發展方向。

3）智能化。智能化是通用飛機結構設計亟需關注的研究方向。開發飛機結構用復合材料自感知、自診斷、自修復和自適應智能化技術，可以實現復合材料飛機結構噪聲抑制、振動控制、主動變形和性能監測。

4）低成本化。通用飛機制造商、復合材料供應商、科研機構和高等院校以及航空機構（航空局、宇航局和航空公司）要精誠合作，努力實現“制造技術、設計方法和全壽命”低成本化，進一步拓寬復合材料在通用飛機上的應用范圍。

5）制造過程數字化。發展通用飛機用復合材料制造過程模擬與工藝參數優化技術，實現復合材料制造過程數字化與飛機結構設計數字化趨向相適應，減少試驗次數，縮短研制周期，節約研發資金，降低廢品率及提高生產效率。

6）設計制造一體化。采用全新的設計理念和手段，將設計和制造融為一體，是通用飛機用復合材料發展的又一個重要趨勢。

參考文獻

[1]胡問鳴.通用飛機[M].北京：航空工業出版社，2008.

[2]朱璐.國外通用飛機設計技術發展[J].飛機設計參考資料，2012（2）：29-34.

[3]中國通用航空發展研究課題組.中國通用航空發展研究[J].中國民航學院學報，2003，21（2）：1-9.

[4]區煒延.通用飛機產業發展狀態研究[J].西飛科技，2003（3）：6-9.

[5]通用航空產業 放飛的翅膀--軍工行業通用航空深度報告[R].2011年7月18日.

[6]2008年中國通用航空市場分析[EB/OL]. http：//blog.sina.com.cn/s/blog_86aa81ed0100tnhb.html.

[7]張佐光，李敏，陳紹杰.先進復合材料在飛機結構上的應用與發展[EB/OL].http：//wenku.baidu.com/view/943449

8271fe910ef12df858.html.

[8]何紅娥.通用飛機復合材料設計要求及應用現狀[J].飛機設計參考資料，2012（2）：24-28.

[9]Chris Red.Aviation Outlook：Composite Aerostructures in General Aviation[EB/OL].High- Performance Composites，[2008-06-28].http：//www.compositesworld.com/articles/aviation-outlook-composite-aerostructures-in-general-aviation.

[10]Barry Berenberg.AGATE Methodology Proves Its Worth[EB/OL].High-Performance Composites，[2003-05-01].http：//www.compositesworld.com/articles/agate-methodology-proves-itsworth.

[11]陳亞莉.復合材料結構在通用飛機上的應用[J].國際航空雜志，2008（9）：63-64.

[12]肇研，孫沛.通用飛機與復合材料[J].航空制造技術，2011（20）：34-37.

[13]王慧杰，曾凡昌，郝建偉.我國航空復合材料技術發展展望[J].航空制造工程，1997（4）：17-19.

[14]楊乃賓.國外復合材料飛機結構應用現狀分析[J].航空制造技術，2002（9）：21-22，29.