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详解:复合材料在国内外航空领域的应用
2021-04-07 20:30:52
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由于复合材料具有质量轻、较高的比强度、比模量、较好的延展性、抗腐蚀、导热、隔热、隔音、减振、耐高(低)温、耐烧蚀、透电磁波, 吸波隐蔽性、可设计性、制备的灵活性和易加工性等特点,所以是制造飞机、火箭、航天飞行器等军事武器的理想材料。

自从先进复合材料投入航空航天应用以来,有三件值得一提的成果。第一件是美国全部用碳纤维复合材料制成一架八座商用飞机-里尔2100号并试飞成功;第二件是采用大量先进复合材料制成的哥伦比亚号航天飞机,这架航天飞机用碳纤维/环氧树脂制作长18.2m、宽4.6m的主货舱门,用凯芙拉纤维/环氧树脂制造各种压力容器。在这架代表近代最尖端技术成果的航天飞机上使用了树脂、金属和陶瓷基复合材料;第三件是使用了先进复合材料作为主承力结构,制造了可载80人的波音-767大型客运飞机,不仅减轻了重量,还提高了飞机的各种飞行性能。

复合材料在这几个飞行器上的成功应用,表明了复合材料的良好性能和技术的成熟,对于复合材料在重要工程结构上的应用是一个极大的推动。

图1 庞巴迪里尔45XR商务飞机

图2 哥伦比亚号航天飞机(右上角为失事现场图片)

图3 波音767

航空领域

固定翼飞机,直升机,特种飞行器

先进复合材料用于加工主承力结构和次承力结构、其刚度和强度性能相当或超过铝合金的复合材料。目前被大量地应用在飞机机身结构制造上和小型无人机整体结构制造上。

飞机用复合材料经过近40年的发展,已经从最初的非承力构件发展到应用于次承力和主承力构件,可获得减轻质量(20-30)% 的显著效果。目前已进入成熟应用期,对提高飞机技战术水平、可靠性、耐久性和维护性已无可置疑,其设计、制造和使用经验已日趋丰富。迄今为止战斗机使用的复合材料占所用材料总量的30%左右,新一代战斗机将达到40%;直升机和小型飞机复合材料用量将达到(70-80)%左右, 甚至出现全复合材料飞机。“科曼奇”直升机的机身有70% 是由复合材料制成的,但仍计划通过减轻机身前下部质量以及将复合材料扩大到配件和轴承中,以使飞机再减轻15%的质量。“阿帕奇”为了减轻质量,将采用复合材料代替金属机身。

近10年来,国内飞机上也较多的使用了复合材料。例如由国内3家科研单位合作开发研制的某歼击机复合材料垂尾壁板,比原铝合金结构轻21kg,减重30%。北京航空制造工程研究所研制并生产的QY8911/HT3。双马来酰亚胺单向碳纤维预浸料及其复合材料已用于飞机前机身段、垂直尾翼安定面、机翼、阻力板、整流壁板等构件。由北京航空材料研究院研制的PEEK/AS4C热塑性树脂单向碳纤维预浸料及其复合材料具有优异的抗断裂韧性、耐水性、抗老化性、阻燃性和抗疲劳性能,适合制造飞机主承力构件,可在120℃下长期工作,已用于飞机起落架舱护板前蒙皮。

据波音公司估算,喷气客机质量每减轻1kg,飞机在整个使用期限内即可节省2200美元。

1 固定翼飞机

1)国外

国外大飞机复合材料使用情况可以通过以下图片展示出来:

图4-7 国外大型飞机复合材料使用情况

轻型运动飞机(Light sport aircraft,LSA)是美国FAA于2004年提出的一种飞机分类名称。这类飞机最大起飞重量不超过600 kg(水上起降的飞机,最大起飞重量不超过650kg),最大平飞速度不超过222 km/h,失速速度不超过83 km/h,与传统的通用飞机失速不相上下,但耗油量减半,性能优于传统的通用飞机。单座或者双座,固定起落架,使用不可变桨矩,或只能地面调整桨矩的螺旋桨,动力装置限定为一台电动机,或活塞式发动机。轻型运动飞机对于维修方面的限制很少,可以由传统的飞机维修技术人员来维修和检查,可以由有修理轻型运动飞机资格的个人来维修,有些情况下也可以由飞行员或者所有者来检查和维修。

与客机和军用飞机相比,轻型运动飞机的尺寸比较小,结构简单,使用环境温和,适航标准也更宽松,所以复合材料在轻型运动飞机上的应用所受到的限制很小,并且制造成本更低。轻型运动飞机一般复合材料用量超过70%,属于全复合材料飞机。复合材料具有重量轻、高强度、高模量、结构功能一体化和设计制造一体化、易于成大型制品等优点,采用复合材料的部件可在满足同样强度要求的情况下,比金属材料的部件更轻。

美国研制的Lear Fan2100型飞机,是世界上第一架以先进复合材料为主的全复合材料飞机,主要以CFRP和KFRP为主,结构减重达40%。中、法、新合作研制的轻型直升机EC120,除旋翼桨叶外,机身、垂尾、尾梁、水平安定面等多处结构也都用了复合材料。美国AASI公司研制的JETCRUZER500型6座公务机,其整个机身有碳/环氧复合材料制成。

轻型运动飞机市场很大,相关的制造商和机型也很多,目前该领域主要集中在欧美一些发达国家,知名的制造公司有美国塞斯纳飞机公司、西瑞设计公司(已被中航通飞收购)、奥地利钻石飞机公司、德国飞行设计公司等。

其中德国飞行设计公司(Flight Design GmbH)是全球领先的、设计和生产轻型运动类飞机的专业厂家,所开发的CT系列轻型运动飞机基本均采用碳纤维复合材料机身。德国Remos飞机公司的生产的Remos飞机大部分是碳纤维复合材料,机翼是全碳纤维制造,重量轻,线条圆滑。该机型可能是目前为止制造工艺最先进的轻型运动飞机机型。奥地利钻石飞机公司DA42“双子星”飞机机翼等主要部件均采用复合材料结构。


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