低成本復(fù)合材料公務(wù)機制造技術(shù)分析

隨著先進復(fù)合材料及其加工技術(shù)的快速發(fā)展，在通用飛機制造領(lǐng)域，新型飛機開始越來越多的使用先進復(fù)合材料。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件憑借著良好的耐疲勞性能、減振性能、耐濕熱性能，以及具有較高的比強度，且易于維護修理等特點，逐漸被飛機制造業(yè)廣泛使用。而小型公務(wù)機和運動飛機越來越多地采用低成本制造技術(shù)，來推進該類飛機市場占有率（圖1）。


圖1　全復(fù)合材料公務(wù)機

國內(nèi)外復(fù)合材料飛機發(fā)展

目前，國際上主要的復(fù)合材料公務(wù)機有：賽斯納350及400飛機，其飛機結(jié)構(gòu)件、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件如翼梁、機身梁、水平安定面、操縱面等均采用碳/環(huán)氧復(fù)合材料無緯織物預(yù)浸帶經(jīng)手工鋪疊而成。西銳公司的輕型飛機SR20、SR22，也均為E玻璃/環(huán)氧復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，其翼梁采用了預(yù)浸帶經(jīng)手工鋪疊熱壓罐成型技術(shù)。鉆石飛機公司的DA20 Eclipse、DA40，以及雙發(fā)的DA42飛機，主要采用玻璃纖維蒙皮夾層結(jié)構(gòu)，最新推出的單發(fā)D-JET超輕噴氣飛機則大多采用碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。亞當(dāng)公司的超輕型噴氣機A700和A500飛機以及美國豪客比奇公司的“首相Ⅰ”，其機身結(jié)構(gòu)大部分是由碳纖維增強蜂窩夾心復(fù)合材料制成，相對于常規(guī)制造客艙容積增加13%。 123456

在美國，為了讓復(fù)合材料在通用航空中得到更廣泛的應(yīng)用，由飛機制造商、材料供應(yīng)商、大學(xué)、聯(lián)邦航空局（FAA）和美國航空宇航局（NASA）在先進通用航空技術(shù)實驗室（AGATE）建立了可使用復(fù)合材料的數(shù)據(jù)庫，并由FAA核準(zhǔn)相關(guān)材料的技術(shù)細節(jié)，制造商們可以在可使用復(fù)合材料數(shù)據(jù)庫中選用材料，這樣就大大縮短研發(fā)周期，減少實驗數(shù)量從而節(jié)約研發(fā)經(jīng)費。

相比之下，中國通用飛機的發(fā)展就顯得比較緩慢，通用飛機用復(fù)合材料的使用也較少。截至2009年底，我國通用航空器只有900余架，其中固定翼飛機占82%，直升機占18%。目前，中國境內(nèi)運營的公務(wù)機數(shù)量不超過30架，僅為美國的1/600。

我國的通用飛機制造業(yè)還處于起步階段，其產(chǎn)業(yè)規(guī)模小、成熟度低，國家對低空的政策也相對嚴(yán)格，這些都大大制約了我國通用航空的發(fā)展。低空開放后，通用飛機市場的發(fā)展才乘勢而起，呈現(xiàn)出熱鬧的景象。但我們面對的是國際上強大的競爭對手，他們有成熟的材料體系、先進的制造工藝和生產(chǎn)管理技術(shù)，我們與之相比，差距很大。以中航工業(yè)通飛為代表的國內(nèi)通用飛機制造商要在公務(wù)機等通用航空市場占得一席之地，首要的任務(wù)是不斷采取更加先進、更快速高效、成本更低廉的復(fù)合材料制造技術(shù)，以及更加精益、有效的生產(chǎn)管理技術(shù)，只有實現(xiàn)復(fù)合材料公務(wù)機的低成本制造技術(shù)，才是打入通用飛機市場行之有效的唯一方式。

低成本復(fù)合材料公務(wù)機制造技術(shù)

實現(xiàn)復(fù)合材料公務(wù)機的低成本制造，需要從材料、制造、成型工藝等方面考慮降低成本的對策。通過采用成本較低但又不影響性能的原材料；改善成型工藝，采用結(jié)構(gòu)整體成型；改善連接工藝等，都是降低成本可以探尋的方式。

相比傳統(tǒng)軍用飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件采用的熱壓罐工藝，公務(wù)機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件主要采用固化爐抽真空加溫成型工藝（簡稱固化爐工藝）是一種低成本的制造工藝。目前，中航工業(yè)通飛公司從以下幾個方面開展了低成本復(fù)合材料公務(wù)機制造技術(shù)研究（圖2）。


圖2　整體制造成型的領(lǐng)航150復(fù)合材料機身

1 整體化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)成型工藝

為了實現(xiàn)公務(wù)機低成本輕量化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造工藝，工藝部門分析整體化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)工藝制造特點，確定了整體化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)成型工藝。整體成型技術(shù)是充分發(fā)揮復(fù)合材料優(yōu)點和特點的高效、低成本技術(shù)。在滿足結(jié)構(gòu)總體性能要求的前提下，整體成型技術(shù)可將多個零件集成為整體結(jié)構(gòu)一次固化成型，降低了成型過程中的設(shè)備使用成本和工時。整體成型技術(shù)減少了零件數(shù)量和緊固件數(shù)量，進而減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量、降低成本特別是制造成本，是一種降低公務(wù)機制造成本的有效方法。 copyright 123456

通用飛機載荷小，結(jié)構(gòu)厚度薄，與提高穩(wěn)定性是主要矛盾。加筋結(jié)構(gòu)和夾層結(jié)構(gòu)是提高薄壁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的2種典型形式。夾層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，面板不僅承剪，而且可以全部參與承受拉壓軸力，是一種承載效率高、重量輕的結(jié)構(gòu)。通用飛機采用這種高承載效率結(jié)構(gòu)，可以減輕結(jié)構(gòu)重量、降低成本。要充分發(fā)揮復(fù)合材料承載減重效益，必須依賴有效的優(yōu)化技術(shù)。通過優(yōu)化分析，調(diào)整鋪層組分比例、鋪層方向、鋪設(shè)順序等，使復(fù)合材料結(jié)構(gòu)處于合理的應(yīng)力應(yīng)變水平，最大程度地發(fā)揮復(fù)合材料優(yōu)勢。

領(lǐng)航150飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)主要原材料是選用已經(jīng)取得適航合格證的碳纖維預(yù)浸料，其中包括碳纖維單向帶、碳纖維織物與玻璃纖維織物預(yù)浸料?？紤]到低速沖擊對復(fù)合材料性能的影響很大，領(lǐng)航150飛機的所有結(jié)構(gòu)件鋪層形式多采用45°，以克服由于意外沖擊產(chǎn)生的壓縮性能下降過多的缺陷。

通過理論分析和工藝試驗，對機身共固化變形問題進行全面的評估。通過整體共固化制造避免損傷復(fù)合材料纖維的連續(xù)性，從而降低復(fù)合材料的剛度和疲勞性，增加分層等缺陷的幾率。根據(jù)試驗分析結(jié)果，對成型工裝型面進行必要的設(shè)計補償，以保證制造精度、結(jié)構(gòu)性能滿足設(shè)計要求。

2 整體化復(fù)合材料工裝設(shè)計制造技術(shù)

由于機身外形復(fù)雜，在采用整體成型技術(shù)時，必須要考慮到熱膨脹系數(shù)等因素對產(chǎn)品精度的影響，為了解決碳纖維復(fù)合材料零件與成型工裝之間熱膨脹系數(shù)的一致性問題，采用碳纖維復(fù)合材料制造成型工裝是一個正確的選擇。

利用復(fù)合材料工裝熱脹系數(shù)與所成型零件相近的特點，設(shè)計合理的機身結(jié)構(gòu)件成型工裝，用復(fù)合材料工裝成型碳纖維復(fù)合材料機身以避免因工裝和所成型零件之間的熱脹系數(shù)差異而導(dǎo)致的零件曲率偏差問題。

復(fù)合材料工裝的成型方法有多種，既有預(yù)浸料/熱壓罐或固化爐成型，也有濕法/固化爐成型，還有真空注射成型等?？紤]到工裝制造周期、工裝耐久性、工裝型面精度及尺寸精度等因素，同時考慮成本因素，選擇采用 “預(yù)浸料手工鋪貼+固化爐成型工藝”和“干織物+真空輔助灌注成型”兩種不同的工藝方法制造公務(wù)機整體結(jié)構(gòu)復(fù)合材料成型工裝。在試驗過程中，分別選用英國ACG公司和美國AIRTECH公司生產(chǎn)的工裝材料，通過比較材料的價格、貯存期、工藝性能以及制造成本、工裝型面精度、耐久性、氣密性能等因素，綜合分析試驗結(jié)果，最終確定性價比最佳的復(fù)合材料工裝材料。

工裝材料體系選型的流程如圖3所示。針對過渡工裝的氣密性要求，將分別采用先烘干后密封方法、控制粘接劑用量的方法、以及施加適當(dāng)粘接壓力的方法來保證過渡工裝的氣密性。



復(fù)合材料成型工裝表面的膠衣層是影響成型工裝氣密性的重要環(huán)節(jié)，為保證膠衣層對復(fù)合材料本體層的附著力，需要進行工藝試驗來確定膠衣層最佳厚度、最佳刷涂方式以及刷涂時間，最終通過附著力檢測試驗效果。

在采用復(fù)合材料工裝的同時，還要考慮到工裝支撐技術(shù)。分別設(shè)計一系列硬性連接（即支撐板與成型工裝型板之間無間隙）和彈性連接（支撐板與成型工裝型板之間有2~3mm的間隙或間隙用硅橡膠填充）試驗，通過試驗結(jié)果，確定最為合理的彈性支撐方案（圖4）。


圖4　工裝柔性連接形式

3 低成本工藝輔助材料

基于低成本成型工藝對輔助材料的基本要求，選擇適用的輔助材料體系能有效降低復(fù)合材料公務(wù)機制造成本。輔助材料選材的基本要求為：復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的固化溫度一般為125℃左右，在真空壓力下可確保材料的完全固化，保證良好的內(nèi)部質(zhì)量。材料的固化溫度(包括后固化溫度)小于120℃，滿足復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量要求。

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傳統(tǒng)的軍機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件制造選用的輔助材料，大部分是國外進口材料，價格昂貴。中航工業(yè)通飛鑒于公務(wù)機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件采用的是固化爐工藝，對符合低成本成型工藝要求的輔助材料體系，結(jié)合工藝要求和質(zhì)量要求進行全面的性能試驗計劃。通過試驗結(jié)果來對輔助材料性能進行評估，以衡量輔助材料體系的工藝適用性，最終確定適用于復(fù)合材料公務(wù)機的低成本國產(chǎn)工藝輔助材料體系。

對符合低成本成型工藝要求的材料體系，進一步結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計要求和適航驗證要求安排全面的性能試驗計劃（包括不同環(huán)境條件和損傷條件對材料性能的影響程度試驗）。通過試驗結(jié)果來對材料性能進行評估。最終確定適用于高級公務(wù)機不同結(jié)構(gòu)部位的材料體系和國產(chǎn)替代材料體系。

4 整體化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)膠接裝配技術(shù)

整體化設(shè)計制造的復(fù)合材料公務(wù)機采用全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，其裝配方式已由傳統(tǒng)的機械連接向膠接連接方式轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)的機械連接方式過多地損傷了復(fù)合材料纖維的連續(xù)性，從而降低了復(fù)合材料的剛度和疲勞性，增加了分層等缺陷的幾率。因此在復(fù)雜的裝配結(jié)構(gòu)件中必須采用復(fù)合材料二次膠接裝配技術(shù)。

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同時，在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件裝配中最忌諱帶應(yīng)力裝配，裝配應(yīng)力的存在會破壞復(fù)合材料的剛性和強度，減弱復(fù)合材料耐疲勞的性能。針對復(fù)合材料裝配時型面不可修配這一難點提出了嚴(yán)格的容差分配，并在零件的生產(chǎn)加工過程中嚴(yán)格控制，控制兩個協(xié)調(diào)裝配復(fù)合材料零件貼合面的厚度公差及外形公差，保證零件之間的協(xié)調(diào)要求，從而滿足復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的膠接質(zhì)量。隨著復(fù)合材料結(jié)構(gòu)整體化程度的提高，大尺寸部件的變形控制和模塊式對接技術(shù)變得尤為重要。變形控制和模塊式對接技術(shù)是保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高裝配效率的基礎(chǔ)。另外，為降低通用飛機轉(zhuǎn)場費用，用戶常提出公路或鐵路運輸要求，機翼、尾翼與機身還須快速分解、快速對接。模塊式對接技術(shù)滿足了快速對接的需求。

復(fù)合材料材料結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向是力求實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的整體化，但由于結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝、檢查維修的需要，必須安排一定的設(shè)計和工藝分離面。因此，低成本復(fù)合材料結(jié)構(gòu)連接技術(shù)是不可缺少的。但連接部位通常是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。據(jù)統(tǒng)計，對于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)來說，70％以上的破壞發(fā)生在連接部位。復(fù)合材料各向異性和脆性的特點，使復(fù)合材料連接部位的應(yīng)力集中比金屬更嚴(yán)重，連接設(shè)計較金屬結(jié)構(gòu)也更為復(fù)雜。

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工程應(yīng)用

領(lǐng)航150是中航通用飛機有限責(zé)任公司按照CCAR-23 部和FAR-23 部研發(fā)的一型全碳纖維復(fù)合材料飛機。飛機采用下單翼、低平尾、單垂尾的常規(guī)布局，可收放式前三點起落架，增壓座艙，配置以Garmin1000 為主體的綜合航電系統(tǒng)、GE 公司的H85 渦輪螺旋槳發(fā)動機和Hartzell公司的四葉螺旋槳，采用雙操縱機構(gòu)、單駕駛體制，最大乘員5 人。具有速度快、航程遠、乘坐舒適、營運和維護費用低等特點。

其主要設(shè)計參數(shù)為：飛機總長10.226m，翼展11.082m，全機高3.513m.空機重量1680kg,最大起飛重量2650kg，最大平飛速度600km/h，最大使用高度8530m，遠航航程2500 km。

領(lǐng)航150飛機主體結(jié)構(gòu)采用碳纖維復(fù)合材料蜂窩夾層整體成型（圖5），整體膠接結(jié)構(gòu)件主要有：中機身、后機身、機翼、平尾、襟副翼、升降舵、方向舵。其中中機身整體共固化成型，機翼采用二次膠接成型。機翼與機身、平尾與機身等采用互換結(jié)構(gòu)的接頭連接形式。形成了整體部件的模塊化設(shè)計與制造，降低了維護及運輸成本。

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圖5　領(lǐng)航150 輕型公務(wù)機

低成本公務(wù)機制造展望

先進的復(fù)合材料制造技術(shù)為飛機制造企業(yè)包括中航工業(yè)通飛帶來了巨大的效益，不僅提高了公務(wù)機的制造質(zhì)量、縮短了生產(chǎn)周期、降低了生產(chǎn)成本，同時對提高飛機的性能起著極其重要的作用。

面對國內(nèi)巨大的通用飛機市場，各國正在爭相爭奪。在這個過程中，唯有實現(xiàn)低成本、快速、高效的制造才能夠打贏這場市場戰(zhàn)爭。低成本復(fù)合材料制造技術(shù)必將在不斷的技術(shù)探索和科技進步中得到全面提升。我們必須不斷提升自主創(chuàng)新能力、制造加工能力，秉承低成本、高效率、高質(zhì)量的經(jīng)營理念，在通用航空領(lǐng)域占得一席之地。 （責(zé)編　深藍）

來源：航空制造