T300級復(fù)合材料在飛機(jī)尾翼結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用與研究

陸鵬鵬 金 迪 凡 玉

（中航西飛民用飛機(jī)有限責(zé)任公司工程技術(shù)中心，西安 710089）

1 引言

目前，先進(jìn)復(fù)合材料大量應(yīng)用在飛機(jī)的主承力結(jié)構(gòu)上，復(fù)合材料用量已經(jīng)成為衡量飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)先進(jìn)與否的重要標(biāo)準(zhǔn)。復(fù)合材料輕質(zhì)、高強(qiáng)，材料一次成型，可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，更易于整體設(shè)計(jì)，大大減少了連接件及緊固件的使用，而且復(fù)合材料的疲勞性能好，極大降低了維修次數(shù)及維修費(fèi)用。雖然復(fù)合材料的應(yīng)用存在瓶頸，如成本高及廢棄之后難以降解等問題，但是復(fù)合材料工藝方法及強(qiáng)度分析方法日漸成熟，使得保證高性能的同時(shí)降低生產(chǎn)成本已不再是遙不可及的事情。航空領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的復(fù)合材料是碳纖維/玻璃纖維樹脂基復(fù)合材料，其中，碳纖維樹脂基復(fù)合材料主要應(yīng)用于承力結(jié)構(gòu)，玻璃纖維樹脂基復(fù)合材料主要用于非承力結(jié)構(gòu)。目前，隨著先進(jìn)復(fù)合材料制造技術(shù)的發(fā)展，非熱壓罐成型、自動(dòng)鋪帶技術(shù)在提高工作效率、降低生產(chǎn)成本方面的優(yōu)勢逐步凸顯出來，已被大量應(yīng)用在民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)成型工藝中。碳纖維/玻璃纖維樹脂基復(fù)合材料在民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用越來越廣泛和成熟，B787飛機(jī)選用了第三代增韌型復(fù)合材料3900/T800S，采用非熱壓罐低成本成型。A350翼梁選用了第三代增韌M2E/IMA預(yù)浸料，該預(yù)浸料是T800/M21的改進(jìn)型產(chǎn)品，高模高強(qiáng)，而且沖擊韌性好。A380承壓框采用的材料是6K、12K 碳纖維織物/ 977-2樹脂膜，使用性能穩(wěn)定，工藝方法成熟。國內(nèi)在將復(fù)合材料應(yīng)用于航空領(lǐng)域方面的研究起步較晚，目前主要以應(yīng)用T300類碳纖維為主，應(yīng)用比較成熟，經(jīng)驗(yàn)豐富，性能穩(wěn)定，減重優(yōu)勢更加明顯。雖然國內(nèi)在民用飛機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域起步較晚，但是國外應(yīng)用非常成熟的材料體系為我國在民用飛機(jī)設(shè)計(jì)中的材料應(yīng)用提供了可靠保證，同時(shí)國內(nèi)飛機(jī)技術(shù)力量不斷壯大，設(shè)計(jì)水平不斷提高，制造水平與國外相比差距越來越小，國內(nèi)民用飛機(jī)設(shè)計(jì)在復(fù)合材料應(yīng)用上也已上升了一個(gè)新的臺階，完全有能力對飛機(jī)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行成熟的設(shè)計(jì)和制造。

為了有效減輕飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)重量，特別增大了復(fù)合材料在某型民用支線飛機(jī)尾翼結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用部位和應(yīng)用比例，除平尾操縱面懸掛支架和部件對接連接接頭為金屬結(jié)構(gòu)外，其余零、組件均采用復(fù)合材料。在保證安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的前提下，該飛機(jī)具備一定的先進(jìn)性及代表性，可以為復(fù)合材料在民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用提供參考和借鑒。

2 復(fù)合材料的應(yīng)用及發(fā)展

先進(jìn)復(fù)合材料在民用飛機(jī)上的應(yīng)用同樣經(jīng)歷了從非承力結(jié)構(gòu)、次承力結(jié)構(gòu)到主承力結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程。A350飛機(jī)上復(fù)合材料的使用量達(dá)到52%，意味著復(fù)合材料已經(jīng)成為飛機(jī)結(jié)構(gòu)的主體材料，如圖1所示。近年來，飛機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料化程度越來越高。

圖1 復(fù)合材料在飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用

先進(jìn)復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用經(jīng)歷了以下階段：最開始復(fù)合材料只能用在前緣、口蓋、整流罩、擾流板等非承力部件上；在次承力部件（如升降舵、方向舵、垂尾、平尾等）上的使用是復(fù)合材料應(yīng)用的一大進(jìn)步，典型客機(jī)包括B747和A320系列；2000年以后至今，復(fù)合材料開始應(yīng)用于大型主承力結(jié)構(gòu)件上，如A350XWB機(jī)翼、B787機(jī)身等，這是復(fù)合材料在民機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用的一個(gè)重要里程碑，標(biāo)志著復(fù)合材料已成為未來民機(jī)結(jié)構(gòu)的主要發(fā)展方向，代表了目前結(jié)構(gòu)性復(fù)合材料技術(shù)的最高水平。國內(nèi)支線客機(jī)ARJ21-700率先使用了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，雖然復(fù)合材料用量僅占結(jié)構(gòu)重量的2%。而目前國內(nèi)正在研制的某大型民用飛機(jī)將大量使用復(fù)合材料。

3 國內(nèi)外復(fù)合材料制造技術(shù)

3.1 固化成型技術(shù)

采用復(fù)合材料的最直接效果就是減重，例如，A310、A330垂直安定面采用整體復(fù)合材料結(jié)構(gòu)后，零件數(shù)由原來的2000件減少至20件；波音公司某型飛機(jī)機(jī)身壁板與框筋條采用共固化成型，減少了連接件的數(shù)量，如圖2所示。ATR72水平安定面采用復(fù)合材料壁板和梁整體一次成型工藝，大大減少了零件及緊固件數(shù)量，也大幅降低了生產(chǎn)成本。

圖2 機(jī)身壁板與框筋條共固化

隨著國外一些成熟機(jī)型的制造任務(wù)轉(zhuǎn)包到國內(nèi)，以及機(jī)型工作包及其先進(jìn)制造技術(shù)的引進(jìn)，國內(nèi)飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的制造水平得到了不斷提高，制造經(jīng)驗(yàn)也得到了不斷積累。例如，B737復(fù)材襟翼、B747復(fù)材垂尾在西安飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司制造，B787復(fù)材舵面在成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司制造，A350復(fù)材舵面在哈爾濱飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司制造。

3.2 RTM及VARI成型技術(shù)

近幾年，國內(nèi)外在RTM、VARI工藝的研究、試驗(yàn)及應(yīng)用方面取得了很大的進(jìn)步，成型技術(shù)日趨成熟，這些非熱壓罐工藝適合大型結(jié)構(gòu)的整體成型，可設(shè)計(jì)性好，可重復(fù)性高。A380襟翼、C919升降舵均采用了VARI成型；RTM工藝的應(yīng)用則更加廣泛，比如CRJ700的平尾，甚至某些國外機(jī)型的關(guān)鍵接頭都采用了RTM成型。由此可見，隨著低成本成型工藝的不斷應(yīng)用，復(fù)合材料的應(yīng)用成本也會(huì)大大降低。

3.3 自動(dòng)化技術(shù)

英國GKN公司采用自動(dòng)鋪帶技術(shù)制造了A350XWB機(jī)翼后梁。自動(dòng)絲束鋪放技術(shù)適用于大曲率機(jī)身和復(fù)雜曲面成型，B787全部機(jī)身也采用了自動(dòng)鋪放技術(shù)，如圖3所示。

圖3 自動(dòng)鋪帶技術(shù)

目前，國內(nèi)中航工業(yè)復(fù)合材料技術(shù)中心、西飛、哈飛也都對自動(dòng)鋪放技術(shù)進(jìn)行了大量的研究和試驗(yàn)。

4 某型飛機(jī)尾翼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料應(yīng)用及分析

4.1 某型民用飛機(jī)尾翼的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

某型民用飛機(jī)尾翼采用T型尾翼，由水平尾翼和垂直尾翼組成。垂直安定面固定在機(jī)身尾段，水平安定面固定在垂直安定面上，垂尾為后掠梯形翼，如圖4所示，前后梁采用等百分線布置，方向舵為前后兩片式雙鉸鏈方向舵，后舵隨動(dòng)。平尾為平直梯形翼，前后梁采用等百分線布置。

圖4 某型民用飛機(jī)尾翼結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 某型民用支線飛機(jī)尾翼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料選用情況

考慮到適航對飛機(jī)材料的要求，同時(shí)為了保證飛機(jī)的先進(jìn)性，某型民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所需的T300級復(fù)合材料主要選用國外進(jìn)口材料。依據(jù)國外先進(jìn)民機(jī)復(fù)合材料使用情況和成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合國內(nèi)主要飛機(jī)制造廠所采用的材料工藝制造及生產(chǎn)現(xiàn)狀，某型民用支線飛機(jī)尾翼不同部位選用不同的復(fù)合材料，具體參見表1。

表1 某型飛機(jī)尾翼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料應(yīng)用情況

尾翼主承力結(jié)構(gòu)壁板、梁采用T300級碳纖維/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料，采用層壓板結(jié)構(gòu)，熱壓罐成型；次承力結(jié)構(gòu)后緣及舵面選用T300級碳纖維/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料，采用蜂窩夾層結(jié)構(gòu)；非承力結(jié)構(gòu)背鰭、整流罩選用中溫固化環(huán)氧樹脂玻璃布預(yù)浸料。

4.3 安全性分析

在滿足飛機(jī)不同部位使用要求的前提下，主要材料盡量選用已有使用經(jīng)驗(yàn)的成熟材料；B737-300、A380均使用T300級碳纖維/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料及中溫固化環(huán)氧樹脂玻璃布預(yù)浸料，同時(shí)材料進(jìn)口渠道是暢通的；且國外主要的復(fù)合材料供應(yīng)商大多在國內(nèi)建有生產(chǎn)廠，也為保障復(fù)合材料原材料的長期供應(yīng)提供了可靠保障。

4.4 經(jīng)濟(jì)性分析

主承力和次承力結(jié)構(gòu)選用T300級碳纖維/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料，沒有選用T800級的，主要是因?yàn)殡m然T800級預(yù)浸料的拉伸模量高，但是對提高復(fù)合材料抗沖擊性能的作用很有限，減重效果并不十分明顯，沒有完全實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)上的收益。相比之下，T300級復(fù)合材料的應(yīng)用更為廣泛，性能穩(wěn)定，經(jīng)驗(yàn)成熟，可以降低尾翼復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的研制風(fēng)險(xiǎn)，減輕結(jié)構(gòu)重量，降低研發(fā)成本；玻璃布預(yù)浸料的沖擊韌性優(yōu)于碳纖維預(yù)浸料，能滿足飛鳥撞擊的要求，而且價(jià)格比碳纖維預(yù)浸料低廉，可以降低生產(chǎn)成本。

4.5 適航分析

判斷復(fù)合材料結(jié)構(gòu)適航符合性的主要依據(jù)是AC20-107B“復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)”，以及CCAR25第25.603條“材料”和CCAR25 第25.613條“材料的強(qiáng)度性能和設(shè)計(jì)值”。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中主要對復(fù)合材料進(jìn)行“積木式”試驗(yàn)來驗(yàn)證是否滿足相關(guān)適航條款。該型飛機(jī)所選用的T300級復(fù)合材料是綜合性能較好且有一定使用經(jīng)驗(yàn)的材料，在國外先進(jìn)軍機(jī)或民機(jī)上獲得了較好的應(yīng)用效果，均取得了國外適航部門的認(rèn)證，能夠滿足適航標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.6 工藝性分析

該飛機(jī)尾翼的結(jié)構(gòu)零件主要為復(fù)合材料層壓板結(jié)構(gòu)、蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，主要所選材料為在國內(nèi)外民機(jī)結(jié)構(gòu)上有成熟應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的T300級復(fù)合材料，采用預(yù)浸料熱壓罐成型工藝方法制造。國內(nèi)在復(fù)合材料層壓板零件共固化工藝、夾層結(jié)構(gòu)零件制造方面具有較強(qiáng)能力。過去由多個(gè)零組件通過緊固件機(jī)械連接裝配而成的復(fù)雜形狀大型結(jié)構(gòu)件（如加筋壁板），如今可以采用共固化來組裝。這樣可盡可能地少用緊固件，以大大減少機(jī)械加工和裝配工作量，大幅減重和降低制造成本。

5 結(jié)束語

某型民用支線飛機(jī)尾翼的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)選材以國外先進(jìn)民機(jī)材料為依據(jù)，參考了國外同類飛機(jī)的成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)，在經(jīng)過充分“積木式”試驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，采用了一些適宜的先進(jìn)設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)。國內(nèi)的制造能力可以滿足該型民用支線飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用要求。總之，該型民用支線飛機(jī)尾翼結(jié)構(gòu)選用的T300級纖維增韌復(fù)合材料安全性高、來源可靠、成熟度高、滿足適航要求、工藝方法切實(shí)可行。