第五章复合材料在军用飞机制造中应用状态 - 图文

课 题

第五章 复合材料在军用飞机制造中应用状态

明确复合材料在军用飞机上的应用程度和地位

熟悉美国主要应用复合材料的军用机型、应用部位和主要技术 熟悉美国为了推动复合材料在军机上的应用所实施的研究计划 了解复合材料的发展源动力的发源地、出发点和最后的利益点 了解复合材料在未来发展状态、发展趋势和发展方向 熟悉美国主要应用复合材料的军用机型、应用部位和主要技术 熟悉美国为了推动复合材料在军机上的应用所实施的研究计划 明确复合材料在军用飞机上的应用程度和地位

目的与要求

重 点 难 点 教 具 复 习 提 问

了解复合材料的发展源动力的发源地、出发点和最后的利益点 了解复合材料在未来发展状态、发展趋势和发展方向

新知识点考查 布置作业 课后回忆

熟悉美国为了推动复合材料在军机上的应用所实施的研究计划 了解复合材料的发展源动力的发源地、出发点和最后的利益点

课堂布置

熟悉美国主要应用复合材料的军用机型、应用部位和主要技术

备注

教员

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图3 空客大型军用运输机A400M的复合材料机翼壁板 Fig·3 Composite wing panel of Airbus large transporter A400M

图5 波音C17复合材料机翼制造过程 Fig·5 Manufacture process of C17 wing

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1. 概述

复合材料的研究应用可促进航空武器装备向轻质敏捷、提高机动性、降低可探测性、结构-功能一体化、智能化方向发展。国外经过几十年的发展，已广泛应用于飞机机体/发动机、导弹、卫星、战车、火炮、舰船等武器装备及民用产品。并形成了一个以军民用航空航天装备生产为基础，向其他武器装备及风力发电、体育休闲、建筑桥梁等民用领域辐射的庞大产业群。 2. 国外应用现状

复合材料在航空航天领域已经获得了重要应用， 其应用水平已经成为衡量航空航天发展的先进性标准之一，与铝合金、钛合金、高强度合金钢成为航空航天四大主结构材料。复合材料已经成为主承力结构件主选材料之一，在飞机机翼、机身上应用不断扩大。

随着设计/制造工艺技术的完善、发展和创新，使复合材料走出了高成本的困境，实现了应用比例及产量双重跃进。如新型战斗机F-35复合材料应用比例达到31%，大型民用客机B787及A350XWB分别达到结构重量的50%和52%，美国下一代大型军用运输机ACCA的用于比例将达到65%。广泛应用于机翼、机身等主承力结构，飞机结构已经进入了复合材料时代。国外主要飞机复合材料用量见表1。

表1 国外主要飞机复合材料用量

国别 美国 美国 美国 美国 美国 美国 美国 俄罗斯 俄罗斯 俄罗斯 法国 德法西意 日本 空客

钢 C17 73 10 F/A-18E/F/G 29 14 F22A 14 6 F35 19 7 F117 — — B2 — — V22（旋翼机） — — 米格29k — — 米格144 35（铝锂） 30 SU37 — — 幻影4000 — — EF2000 — — F2 — — A400M — — 机型 铝 钛 9 15 40 20 — — — — — — — — — 复合材料用量 8 22 26 31 40 24 51 15 30 21 24 30 18 40 其它 10 20 14 23 — — — — 5 — — — — —

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表1 国外主要飞机复合材料用量（续表）

国别 空客 空客 波音 A380 A350XWB B787 机型 61 17（铝锂） 20 铝 钢 4 — 10 钛 10 — 15 复合材料用量 22+3（GLARE） 52 50 其它 — — 5

随着复合材料在飞机结构重量中所占比例的不断增加，复合材料制造技术发展趋势，需关注的新热点具体表现在：

2.1. 向全复合材料机翼转变

第一个复合材料机翼是1976年美国研制的F18飞机，由于其突出性能优势，随后在F22、F35 、F117、B2等种型号飞机上采用了这一结构。俄S37更是充分利用复合材料的气动弹性发散特性，首创了前掠翼飞机结构，有效避免了金属后掠翼结构的翼尖失速问题。

在民用飞机上波音和空客公司不遗余力地开展复合材料研究和应用，其复合材料研究和应用水平令世界航空业焕然一新。空客A380采用了全复合材料外翼结构，并成功在承力最苛刻的中央翼盒中使用，减重效果1.5吨；研制中的A350XWB，也采用了全复合材料机翼的设计结构，届时它将是世界上最大的复合材料机翼。

A400M 是在机翼中使用复合材料的大型运输机，在“全复合材料机翼”方面开创了一个新记录。波音B787长达30m 的机翼壁板、翼梁全部采用了复合材料。 2.2. 设计和制造技术的成熟，复合材料成功应用于机身结构

复合材料机身最先应用于军机，如B2飞机充分发挥复合材料结构一体化优势，实现了机翼、机身高度融合的无尾飞翼式布局，大大提高了结构隐身性。

民机方面，波音787充分吸收“首相一号”的经验，采用分段的复合材料机身加筋整体结构取代传统机身制造工艺，大大简化了装配。

A380机身上壁板采用了占结构总重3%的GLARE层板制造。A350XWB设计采用了全复合材料机身结构，不同之处在于每个筒段结构分成上、下、左、右四块装配而成。

2.3. 数字化、自动化技术迅猛发展

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数字化设计和制造技术充分适应了复合材料-结构-功能一体化的巨大特点和优 势，实现了设计制造过程的全数字化传递，数字化应用创造了条件，易于结构化、专业化单元建设，为自动化奠定了基础。自动铺带技术成功用于制造大型壁板结构，一个典型的复杂构件的自动铺带过程可由手工铺层的6 天减少到48 小时。

自动铺放技术已经应用于机身、进气道等复杂结构零件的制造，B787机身采用最新的Viper6000 纤维铺放机制造工艺，与手工铺层比较，由此获得的人工成本降低达90%，生产周期缩短80%，效率大大提高。 2.4. 重视非热压罐固化技术的开发

非热压罐技术主要包括液体成型技术和高能束固化技术。目前研究较多和较为成熟的是液体成型技术，如树脂膜浸渗（RFI）工艺、树脂转移成形（RTM）工艺等，已成功用于结构零件的制造，RFI 技术在A380 后压力框上获得应用；RTM 技术在A380、B787、F-22、F-35上获得了应用。还有拉挤成型工艺，已用于制造在A380机身工型地板梁。高能束固化技术目前还处于研究实验阶段。 2.5. 新型复合材料不断出现

混杂复合材料，目前应用较多的主要有Glare层板和TiGr层板。其中Glare层板已经在A380机身、垂尾前缘上成功应用。TiGr层板即碳纤维增强钛板，波音787采用了该项新技术。

热塑性复合材料一体化成型技术异军突起，A340、A380使用了热塑性复合材料机翼前缘，提高了结构的抗冲击能力。热塑性复合材料具有整体结构重量轻、制造简单及损伤容限性能好等优点，可取消紧固件，实现整体成形。

除以上所涉及的技术外，近年新出现的纳米复合材料技术、智能复合材料技术等一系列前沿技术都为未来的发展提供了新的思路。 3. 军机中机身复合材料部件 3.1. 军机部件举例

先进复合材料及其相关技术经过多年的研究和应用的发展,不仅其技术日趋成熟,价格也大幅降低,复合材料在军/民用飞行器上的用量也大幅提高。欧美在新型军机上的机翼基本上都采用复合材料部件,如美国的第4代战斗机F-22,F-35,以及欧洲“台风”战斗机和空客A400M。

图1是欧洲“台风”战斗机复合材料机翼壁板,图2是F-35左右机翼与机身通体的复合材料部件,图3是空客大型军用运输机A400M的复合材料机翼壁板。

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图1 欧洲“台风”战斗机的复合材料机翼壁板 Fig·1 Composite wing panel of European fighter“Typhoon”

图2 F-35左右机翼通体的复合材料部件

Fig·2 Monolithic composite structure of F-35 right and left wings

3.2. 波音在民机上的借鉴军机后的应用部位

由于复合材料结构有许多众所周知的优点,波音公司在对复合材料结构做了大量成功的研究试验基础上,决定波音787机体主要结构大规模地采用复合材料，由波音777飞机复合材料用量12%一步跨越到50%,即机体的主要结构机身和机翼几乎都由碳纤维增强复合材料制成,仅少数机体部位应用铝合金,以防飞鸟的碰撞和发动机高温的影响,波音787上复合材料的应用如图4所示。

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图4 波音787复合材料的广泛应用

Fig·4 Applications of composites to Boeing 787

图5是C17的机翼零件图。 4. 作业

4.1. 简要描述国外军用航空制造业对复合材料应用的现状 4.2. 简要陈述航空制造向“全复合材料机翼”转变的意义 4.3. 简要陈述军机使用复合材料的部件，并陈述其特点

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