如今，復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用已非常廣泛，復(fù)合材料在總材料中的比例逐步提高，成為衡量飛機(jī)結(jié)構(gòu)先進(jìn)性的重要指標(biāo)。相對(duì)之下，常規(guī)的金屬材料占比越來(lái)越小。本期飛機(jī)小課堂以兩大飛機(jī)制造商波音及空客的幾大機(jī)型為例，介紹現(xiàn)代民機(jī)中復(fù)合材料的運(yùn)用及發(fā)展趨勢(shì)。
有分析人士認(rèn)為，未來(lái)將是全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的時(shí)代，作為飛機(jī)常規(guī)材料的金屬反而會(huì)成為例外的那部分，地位降低許多。這樣的設(shè)想是否會(huì)成真不得而知，有待時(shí)間的驗(yàn)證，不過(guò)我們可以清楚地看到，近年來(lái)大型民機(jī)在結(jié)構(gòu)選材方面，全金屬材料過(guò)渡到全復(fù)合材料是種明顯的趨勢(shì)。
美國(guó)貝奇飛機(jī)制造公司曾制造出世界上第一架全復(fù)合材料飛機(jī)。它使用了耐熱性能好的碳纖維層，中間夾有環(huán)氧化物。石墨和環(huán)氧化物的保護(hù)層包裹著一種蜂窩狀材料。這種復(fù)合結(jié)構(gòu)要比目前普遍使用的鋁、鋼和鈦的合金材料輕一半，強(qiáng)度和耐熱性幾乎相同。
我們來(lái)看看現(xiàn)今波音及空客幾大機(jī)型中，復(fù)合材料有哪些運(yùn)用。首先來(lái)談波音787夢(mèng)想飛機(jī)及波音747-8飛機(jī)。
波音787飛機(jī)：
波音787飛機(jī)主要由碳纖維復(fù)合材料制成。這種材料可像布料一樣剪裁，因此新的生產(chǎn)工序制造出的邊角余料和廢料減少了。現(xiàn)有的飛機(jī)主要是鋁制的，必須銑削和切割掉大片或大塊材料來(lái)制造飛機(jī)結(jié)構(gòu)。被用來(lái)制造飛機(jī)零部件的原材料中，通常有90%在生產(chǎn)過(guò)程中成為了邊角余料。雖然這些材料可以再循環(huán)，但盡可能避免浪費(fèi)無(wú)疑是更好的辦法。787復(fù)合材料方案解決了這個(gè)效率問(wèn)題。
波音787復(fù)合材料的使用
與波音777飛機(jī)相比，復(fù)合材料在波音787中的占比有很大提升，達(dá)到50%，遠(yuǎn)超過(guò)鋁所占的20%。而波音777中復(fù)合材料約占12%，鋁占50%。
787及777使用復(fù)合材料和鋁材的情況(按重量計(jì)算)
787–50%復(fù)合材料20%鋁
777–12%復(fù)合材料50%鋁
| 87及777使用復(fù)合材料和鋁材的情況(按重量計(jì)算) | 787–50%復(fù)合材料20%鋁 777–12%復(fù)合材料50%鋁 |
以下為波音787材料應(yīng)用中各主要成份的占比。
復(fù)合材料 – 50%
鋁 – 20%
鈦 – 15%
鋼 – 10%
其他 – 5%
其中一個(gè)使用復(fù)合材料替代鋁材減少零部件數(shù)量的例子，體現(xiàn)在第一個(gè)桶狀機(jī)身段上，1,500張鋁板共40,000–50,000個(gè)緊固件，緊固件減少了80%。(如圖)
整件復(fù)合材料桶狀構(gòu)造
波音747-8飛機(jī)：
再說(shuō)波音747系列的新機(jī)型波音747-8，家族成員包括747-8洲際飛機(jī)和747-8貨機(jī)。這款新機(jī)型體現(xiàn)了很多新技術(shù)，包括復(fù)合材料的使用。
與波音777飛機(jī)一樣，747-8飛機(jī)廣泛采用新一代鋁合金，同時(shí)，它還在襟翼、擾流板、短艙和方向舵中采用石墨復(fù)合材料。
747-8材料構(gòu)成
這些材料具有更卓越的耐用性與抗腐蝕性和抗損壞性，能減少維修，增加飛機(jī)的可用性和創(chuàng)收時(shí)間。質(zhì)量更輕的材料有助于減輕飛機(jī)重量。重量較輕的飛機(jī)其效率得以提高，油耗、維修成本、與重量相關(guān)的導(dǎo)航和起降費(fèi)用降低。得益于此，747-8的重量將減輕907公斤(2,000磅)。
此外，另一飛機(jī)制造商空中客車公司也在復(fù)合材料方面不斷嘗試和努力。空客A380飛機(jī)、A350 XWB飛機(jī)都有這一創(chuàng)新性傳統(tǒng)的體現(xiàn)。