我國商用飛機進展及對復合材料的要求

玄武

大型民用飛機項目被列為國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃綱要的十六個重大專項之一，是我國政治、經(jīng)濟、科技發(fā)展的必然戰(zhàn)略選擇。

民機產(chǎn)業(yè)是典型的知識密集、技術(shù)密集和資本密集的高技術(shù)、高附加值、高風險的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，它不僅在整個航空工業(yè)中的比重越來越大，而且日益成為衡量一個國家科技水平、工業(yè)水平和綜合國力的重要標志之一。不論是從經(jīng)濟發(fā)展的角度，還是基于國家安全的考慮，民機產(chǎn)業(yè)是大國的必爭之地。

我國民用飛機發(fā)展歷程

中國民用飛機由測繪仿制改進蘇聯(lián)安-24研制國產(chǎn)運7系列飛機，測繪參考美國波音707研制國產(chǎn)運10大型客機，發(fā)展到組裝生產(chǎn)美國MD-82/-90飛機，再發(fā)展到自主設(shè)計具有自主知識產(chǎn)權(quán)的支線民用客機ARJ21和大型客機的階段。

ARJ21-700飛機是我國首架擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的新型渦扇支線民用客機。它的研制成功是我國航空發(fā)展史上一個重要里程碑。該機次要結(jié)構(gòu)采用了復合材料，以降低結(jié)構(gòu)重量。隨后研制的ARJ21-900飛機，以ARJ21-700為基礎(chǔ)，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)細節(jié)設(shè)計，加大了復合材料比率，更加降低了結(jié)構(gòu)重量，提高了飛機的使用經(jīng)濟性。2008年12月1日，中國商用飛機有限公司上海飛機設(shè)計研究所召開了ARJ21-900啟動會。

研制和發(fā)展大型飛機，是《國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)》確定的重大科技專項，是建設(shè)創(chuàng)新型國家、提高自主創(chuàng)新能力和增強國家核心競爭力的重大戰(zhàn)略舉措，是國家工業(yè)、科技水平和綜合實力的集中體現(xiàn)。

2008年3月31日中國商用飛機公司成立，5月11日正式掛牌，公司注冊資本190億元。董事會成員為國務(wù)院國資委、上海市國資委、中航集團、寶鋼、中鋁和中化。

大型飛機立項后，國家可能會注入300億元～400億元投資金額，相關(guān)配套投資更大。

大型飛機的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案設(shè)想分階段實現(xiàn)復合材料結(jié)構(gòu)達到飛機結(jié)構(gòu)重量的50%左右的世界先進水平，第一階段在飛機機翼和尾翼設(shè)計選用碳纖維復合材料結(jié)構(gòu)，第二階段在機身主結(jié)構(gòu)設(shè)計選用碳纖維復合材料結(jié)構(gòu)。目前中國商飛邀請了300多位全國各地的專家正在進行方案論證工作。

民機復合材料的應(yīng)用發(fā)展

波音公司最新型的B787夢想飛機上所用的材料，鋁合金僅占20%，而先進復合材料的用量則高達50%；空中客車公司客機A350上先進復合材料的用量將達到53%。

在國內(nèi)飛機復合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，國內(nèi)首架擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的支線客機ARJ21飛機采用了部分復合材料結(jié)構(gòu)，其復合材料結(jié)構(gòu)占結(jié)構(gòu)重量的2%。ARJ21-700飛機復合材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)用部位主要有碳纖維／環(huán)氧樹脂預(yù)浸料(包括碳纖維單向帶和織物)的垂尾方向舵、翼稍小翼；玻璃纖維布／環(huán)氧預(yù)浸料的翼身整流罩、雷達罩、客貨艙地板等結(jié)構(gòu)。

民機復合材料的應(yīng)用要求

用于民機上的復合材料原材料(預(yù)浸料或RTM等技術(shù)的材料)，除滿足飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計要求外，必須符合適航規(guī)章CCAR25(FAR25/JAR25)部分相關(guān)條款的適航性要求，材料必須能夠確保不影響飛機安全。

適航性要求

適航標準是運輸類飛機強制執(zhí)行的最低安全標準，是民機區(qū)別于軍機的根本要求，也是市場的準入證，是航空強國設(shè)立的技術(shù)、經(jīng)濟和政治壁壘。CCAR25、FAR25以及JAR25均有針對材料的適航條款，對于復合材料要求符合25.603、25.613、25.605等適航條款。

復合材料適用性和耐久性的要求應(yīng)符合CCAR25第603條款，即建立在經(jīng)驗或試驗的基礎(chǔ)上；符合經(jīng)批準的標準(如工業(yè)或軍用標準，或技術(shù)標準規(guī)定)，保證這些材料具有設(shè)計資料中采用的強度和其他性能；考慮服役中預(yù)期的環(huán)境條件，如溫度和濕度的影響。

材料技術(shù)條件(材料規(guī)范)

材料技術(shù)條件(材料規(guī)范)嚴格規(guī)定了材料的物化性能、層板力學性能、夾層結(jié)構(gòu)板的力學性能，材料包裝和儲存要求以及材料質(zhì)量要求。材料技術(shù)條件(材料規(guī)范)必須報適航審定批準。

材料規(guī)范對預(yù)浸料的各項性能提出了明確的要求，明確規(guī)定了試驗件的制作，包括層壓板的鋪層數(shù)、主要的輔助材料、固化參數(shù)、操作程序、試驗件加工的角度、加工所采用的刀具等。材料規(guī)范還對試驗作出了詳盡的規(guī)定，指定了性能測試的試驗方法、所用的試驗設(shè)備，規(guī)定了最少的試驗數(shù)量以及試驗程序。

ARJ21飛機對碳纖維／環(huán)氧預(yù)浸料和玻璃纖維／環(huán)氧預(yù)浸料分別建立了材料規(guī)范ZMS2224和ZMS2212，并建立了配套的ZPS01624系列固化成型工藝。

復合材料的適航鑒定

將先進復合材料大規(guī)模用于各種民用飛機的重要技術(shù)問題之一，就是如何對復合材料結(jié)構(gòu)進行適航審定。美國采用FAR25等條例進行民機適航審定，歐洲的相關(guān)條例為JAR25。我國也先后頒布了《中國民用航空條例》第25部(CCAR-25)內(nèi)容與FAR25類似。

美國FAA的AC20-107A是目前有關(guān)復合材料適航審定的一份較系統(tǒng)、較完整的文件，是多數(shù)民機復合材料構(gòu)件進行適航審定驗收的依據(jù)。

目前國際上普遍采用“積木式方法”(TheBuildingBlockApproach)來進行復合材料的設(shè)計和適航審定。

復合材料的性能評估體系

參考美國FAA的AC20-107A和MIL-HDBK-17，采用“積木式方法”(TheBuildingBlockApproach)來進行復合材料的設(shè)計和評估。

從各種渠道了解波音公司、空客公司對復合材料的性能評估細節(jié)和具體方法。

試驗方法問題

目前國際上普遍采用ASTM標準和BSS(波音公司的試驗標準)、EN(歐洲試驗方法)，與國內(nèi)采用的GB、GJB等標準有較大差異，試驗設(shè)備也各不相同。



摘自http://www.frp.com.cn/frp/viewNe ... &newsid=760