复合材料在民用大飞机结构上的应用探讨
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Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ Ｆ Ｏ ｒ ｕ ｍ 源自复合材料在民用大飞机结构上的应用探讨
罗有 军
（ 空客 （ 北京 ） 工程技术 中心 有限公司 ，北京 １ ０ １ １ ０ ９）
还是 目前飞机中油耗最少 的， 比同类飞机的燃油量低 将近 ３ ０ ％ ，这 都依赖于飞机的发动机、机身材料等综合因素，并且其中 由于复合 材料 的作用降低 了飞机 ８ ％ 的油耗 。 ３复合材料在 民用飞机制造上的应用 复合材料 的广泛应用于飞机 的制造 ，将彻底解决 目前应用常规 足 ５ ％ ， 到 Ａ３ ８ ０飞 机 的 ２ ５ ％， 再到 Ａ ３ ５ ０ ＸＷ Ｂ 的 ５ ２ ％。Ａ３ ２ ０是 率 先 采 用全复合材料尾翼 的飞机， Ａ３ ４ ０ —５ ０ ０ ／ ６ ０ ０是率先 采用碳 纤维增强型 的金属材料和非金属材料 引起 的腐蚀和疲劳 问题 ，这对于提高飞行 复合 材 料 大 粱 和后 压 力 隔框 ． 安全 、降低维修成本，起到了非常重 要的作用 。 【 关键词 】 复合 材料 ；民用大飞机 结构；应 用 ３ ． ｉ金属基复合材料 例如 ，用英国罗 ・ 罗公司研制 出的 Ｓ Ｃ Ｓ 一 ６ ／ Ｔ ｉ（ 金属基复合材料 ） 在上世纪 ６ ０ 年代初 期就已经研发出了碳纤维作为增强结构的 代 替 耐热 钢制 成 发 动机 压气 机静 子 ，将 其重 量 减 轻 了 ４ ０ ％ ；用 复合材料， 其推广非常迅速 ， 到７ Ｏ年代初期就 已经应用到很多领域 ， Ｓ Ｃ Ｓ － ６ ／ Ｔ ｉ 代替镍基高温合金制作的发动机 压气机 叶盘结构转子 ， 减 ０ ％ 。 其中就包括 了飞机结构制造上 ，碳纤维增强后的复合材料使得飞机 重 达 ８ 的框架结构得到 了质的飞跃，到 目前为止， 四大航空 的结构制造材 ３ ． ２无机非金属基复合材料 由于飞机在刹车时因摩擦产生的温度达到 ５ ０ ０ ℃以上，紧急刹 料为钢 、铝 、钛和 复合材料 。 １ 复 合 材 料 概 述 车温度更 高，甚至可以到达 １ ０ ０ ０ ℃，其瞬时值有可能会融化掉刹车 所谓复合材料 ，就是将有着不 同物理性质和化学性质 的多种物 片 。 新型复合材料制成 的碳／ 碳盘有着较好的耐高温和耐磨擦以及低 质进 行组合 ，从而得到了一种拥有组成该复合材料的单一材料的多 密度和长 使用寿命等优 点， 这就使得一些航空公司开始利用碳／ 碳盘 项优点的多相固体类别材料 。其组成上有增强体和基体 ，其 中承受 作为 飞机 的刹车盘材料 。如 空中客车公司 的所有 飞机都采用 了碳／ 载荷的相就是复合材料 的增强体部分 ，连接增强体 、且通过纤维来 碳刹车装置； 使用 了碳／ 碳刹车装置后， 空中客车 Ａ 一 ３ １ ０减重 ４ ９ ９ Ｋ ｇ ； 传递载荷的相是基体 。（ １ ）按基体材料类型可分为树脂基 、金属基 Ａ － ３ ０ ０ － ６ ０ ０减重 ５ ９ ０ Ｋ ｇ ；Ａ － ３ ３ ０及 Ａ 一 ３ ４ ０各减重 ９ ９ ８ ｋ ｇ ； 碳／ 碳刹车盘 和无机非金属基三类 。（ ２ ）按增强体种类和形状可分为纤维增强 、 可达 １ ５ ０ ０ ￣２ ０ ０ ０个起落寿命 ， 而钢制刹车盘一个周期仅可达 ３ ０ ０次 颗粒增强和层叠增强三类 。（ ３ ）按其性 能可分为结构 复合材料和功 着陆，寿命提高了 ５ ～６倍 能复合材料二类。 ３ ． ３树脂基复合材料 ２ 民用飞机 复合材 料选材原则 即使 Ａ ３ ０ ０飞机已经算是当今飞机领域较为先进的机型 了， 其树 ２ ． １安全性原则 脂基 的复合材料也只有全机身结构材料的十分之一 ，而新机型空客 安全性是复合材料应 该考虑 的首 要因素，其安全性能与本身的 Ａ ３ ８ ０的机身材料中有一半以上都是 由复合材料构成 ， 并且所应用 的 技术成熟度成正 比，在复合材料应用广泛 的美国，材 料的技术成 熟 复合材料 中占最大 比例 的是树脂基复合材料 ，有着很高的碳纤维增 度包括 １ Ｏ个等级 ，等级 的高低表 明了材料 技术成 熟度高低 ，比如 强性 ，外加上该材料 固化后主要是玻璃态，其强度和稳定性都 比较 Ａ ３ ２ １飞机复合材料在上世纪 ９ Ｏ年代的应用比例达到 ２ ０ ％ ，以及现在 高，将该材料应用 到飞机 的结构制造上 ， 对飞机 的机身蒙皮 以及框 、 制造 的Ａ ３ ８ ０飞机复合材料的应用 比例达到 了４ ９ ％ ，同时有研究证 明 机翼、喷管和地板梁等主要机 身结构 的性能有非常大 的好处 了复合材 料 比铝 合金材 料的抗腐 蚀性能 以及耐 损伤度 都要高 出许 ４ 小 结 多，这也就保证 了复合材料的安全性能 。 新 型 复合 材 料 在 飞机 制 造 业 的应 用 日益 增 多 ， 并且 我 国 的 民航 ２ ． ２ 经济性原则 业处于初级发展 阶段 ，对于 民航事业 的发展和保障 ，都离不开复合 由于制造 飞机 成本 不仅 是飞机购 买价格，而且还要包括飞机的 材料 的应用 ，复合材料在我 国飞机制造业未来的发展道路上必定发 燃油效率 、使用寿命和维 修成 本等因素，这 样以来就能够 解释空客 挥着不可 替代 的作用 ，也必将成为航空业发展的必经之路 ，我 国航 Ａ ３ ８ ０受到国际众 多航空公司 的喜爱 的原因 。 虽然复合材料 比铝合金 空业 的发展 ，必将离不开新型复合材料 的作用 。 贵得 多， 飞机 结构重量 的大幅度减 轻所带来的经济效益 （ 包 括耗油率 参 考 文献 ： 降低等） 远远超过 了它 的负面效应 。 … １ 宋 育红． 复合 材料 的特性 及在 飞机设 计 时的最优 选择 Ｕ ］ ｌ 大众 科 ２ ． ３ 舒 适 性 原 则 技， ２ ０ ０ ９ （ ６ ） ． ’ 由于超 宽体 Ａ ３ ５ ０ Ｘ Ｗ Ｂ的复合材料 占 飞机 总重量 的 ５ ２ ％ ，超宽体 『 ２ １ 晓诚． 航 空复合材料新纪元 ［ Ｉ ］ ． 国际航空， ２ ０ １ １ （ １ ｏ ） ． Ａ ３ ５ ０的客舱的整体尺寸都要 比波音 ７ ８ ７更宽 。此外，Ａ ３ ５ ０超级宽体 『 ３ １ 中 国航 空研 究 院 ． 复合 材 料 结 构 设 计 手 册 ｆ Ｋ ］ 航 空 工 业 出版 飞机还可 以为客 户提供适 应现 代化环境的机 组休息舱 ，包括舒适的 社 ． ２ ０ １ ２ ． 乘务人员休 息舱和安全 的飞行机组休息舱 。 【 ４ 】 杨乃 宾， 章怡 宁． 复合材料飞机结构［ Ｍ１ ． 航 空工业 出 版社 ， ２ ０ １ ２ ． ２ ． ４环保性原则 ｆ ５朱永茂 ５ ］ ， 刘勇， 殷 荣忠， 等 酚醛树脂及 其复合 材料发展 动向 Ⅱ １ ． 玻璃 Ａ ３ ８ ０在首次隆重 向世界亮相之前， 就 己获得数百架订单 ，其总 纤 维 ． ２ ０ ０ ５ （ ３ ） ． 价值 高达千亿美元 。 如 此高的销售额和 市场反应主要是 由于 Ａ ３ ８ ０ 飞 『 ６ １ 张维方． 民用飞机舱 内装饰与设备 的适 坠性研 究『 １ １ ｌ 民 用飞机 设计 机有着较好 的机 身结构和发动机 ，燃油减少 ２ ０ ％ ，低碳环保 ，并且 与 研 究 ，２ ０ ０ ９ （ １ ） ．
罗有 军
（ 空客 （ 北京 ） 工程技术 中心 有限公司 ，北京 １ ０ １ １ ０ ９）
还是 目前飞机中油耗最少 的， 比同类飞机的燃油量低 将近 ３ ０ ％ ，这 都依赖于飞机的发动机、机身材料等综合因素，并且其中 由于复合 材料 的作用降低 了飞机 ８ ％ 的油耗 。 ３复合材料在 民用飞机制造上的应用 复合材料 的广泛应用于飞机 的制造 ，将彻底解决 目前应用常规 足 ５ ％ ， 到 Ａ３ ８ ０飞 机 的 ２ ５ ％， 再到 Ａ ３ ５ ０ ＸＷ Ｂ 的 ５ ２ ％。Ａ３ ２ ０是 率 先 采 用全复合材料尾翼 的飞机， Ａ３ ４ ０ —５ ０ ０ ／ ６ ０ ０是率先 采用碳 纤维增强型 的金属材料和非金属材料 引起 的腐蚀和疲劳 问题 ，这对于提高飞行 复合 材 料 大 粱 和后 压 力 隔框 ． 安全 、降低维修成本，起到了非常重 要的作用 。 【 关键词 】 复合 材料 ；民用大飞机 结构；应 用 ３ ． ｉ金属基复合材料 例如 ，用英国罗 ・ 罗公司研制 出的 Ｓ Ｃ Ｓ 一 ６ ／ Ｔ ｉ（ 金属基复合材料 ） 在上世纪 ６ ０ 年代初 期就已经研发出了碳纤维作为增强结构的 代 替 耐热 钢制 成 发 动机 压气 机静 子 ，将 其重 量 减 轻 了 ４ ０ ％ ；用 复合材料， 其推广非常迅速 ， 到７ Ｏ年代初期就 已经应用到很多领域 ， Ｓ Ｃ Ｓ － ６ ／ Ｔ ｉ 代替镍基高温合金制作的发动机 压气机 叶盘结构转子 ， 减 ０ ％ 。 其中就包括 了飞机结构制造上 ，碳纤维增强后的复合材料使得飞机 重 达 ８ 的框架结构得到 了质的飞跃，到 目前为止， 四大航空 的结构制造材 ３ ． ２无机非金属基复合材料 由于飞机在刹车时因摩擦产生的温度达到 ５ ０ ０ ℃以上，紧急刹 料为钢 、铝 、钛和 复合材料 。 １ 复 合 材 料 概 述 车温度更 高，甚至可以到达 １ ０ ０ ０ ℃，其瞬时值有可能会融化掉刹车 所谓复合材料 ，就是将有着不 同物理性质和化学性质 的多种物 片 。 新型复合材料制成 的碳／ 碳盘有着较好的耐高温和耐磨擦以及低 质进 行组合 ，从而得到了一种拥有组成该复合材料的单一材料的多 密度和长 使用寿命等优 点， 这就使得一些航空公司开始利用碳／ 碳盘 项优点的多相固体类别材料 。其组成上有增强体和基体 ，其 中承受 作为 飞机 的刹车盘材料 。如 空中客车公司 的所有 飞机都采用 了碳／ 载荷的相就是复合材料 的增强体部分 ，连接增强体 、且通过纤维来 碳刹车装置； 使用 了碳／ 碳刹车装置后， 空中客车 Ａ 一 ３ １ ０减重 ４ ９ ９ Ｋ ｇ ； 传递载荷的相是基体 。（ １ ）按基体材料类型可分为树脂基 、金属基 Ａ － ３ ０ ０ － ６ ０ ０减重 ５ ９ ０ Ｋ ｇ ；Ａ － ３ ３ ０及 Ａ 一 ３ ４ ０各减重 ９ ９ ８ ｋ ｇ ； 碳／ 碳刹车盘 和无机非金属基三类 。（ ２ ）按增强体种类和形状可分为纤维增强 、 可达 １ ５ ０ ０ ￣２ ０ ０ ０个起落寿命 ， 而钢制刹车盘一个周期仅可达 ３ ０ ０次 颗粒增强和层叠增强三类 。（ ３ ）按其性 能可分为结构 复合材料和功 着陆，寿命提高了 ５ ～６倍 能复合材料二类。 ３ ． ３树脂基复合材料 ２ 民用飞机 复合材 料选材原则 即使 Ａ ３ ０ ０飞机已经算是当今飞机领域较为先进的机型 了， 其树 ２ ． １安全性原则 脂基 的复合材料也只有全机身结构材料的十分之一 ，而新机型空客 安全性是复合材料应 该考虑 的首 要因素，其安全性能与本身的 Ａ ３ ８ ０的机身材料中有一半以上都是 由复合材料构成 ， 并且所应用 的 技术成熟度成正 比，在复合材料应用广泛 的美国，材 料的技术成 熟 复合材料 中占最大 比例 的是树脂基复合材料 ，有着很高的碳纤维增 度包括 １ Ｏ个等级 ，等级 的高低表 明了材料 技术成 熟度高低 ，比如 强性 ，外加上该材料 固化后主要是玻璃态，其强度和稳定性都 比较 Ａ ３ ２ １飞机复合材料在上世纪 ９ Ｏ年代的应用比例达到 ２ ０ ％ ，以及现在 高，将该材料应用 到飞机 的结构制造上 ， 对飞机 的机身蒙皮 以及框 、 制造 的Ａ ３ ８ ０飞机复合材料的应用 比例达到 了４ ９ ％ ，同时有研究证 明 机翼、喷管和地板梁等主要机 身结构 的性能有非常大 的好处 了复合材 料 比铝 合金材 料的抗腐 蚀性能 以及耐 损伤度 都要高 出许 ４ 小 结 多，这也就保证 了复合材料的安全性能 。 新 型 复合 材 料 在 飞机 制 造 业 的应 用 日益 增 多 ， 并且 我 国 的 民航 ２ ． ２ 经济性原则 业处于初级发展 阶段 ，对于 民航事业 的发展和保障 ，都离不开复合 由于制造 飞机 成本 不仅 是飞机购 买价格，而且还要包括飞机的 材料 的应用 ，复合材料在我 国飞机制造业未来的发展道路上必定发 燃油效率 、使用寿命和维 修成 本等因素，这 样以来就能够 解释空客 挥着不可 替代 的作用 ，也必将成为航空业发展的必经之路 ，我 国航 Ａ ３ ８ ０受到国际众 多航空公司 的喜爱 的原因 。 虽然复合材料 比铝合金 空业 的发展 ，必将离不开新型复合材料 的作用 。 贵得 多， 飞机 结构重量 的大幅度减 轻所带来的经济效益 （ 包 括耗油率 参 考 文献 ： 降低等） 远远超过 了它 的负面效应 。 … １ 宋 育红． 复合 材料 的特性 及在 飞机设 计 时的最优 选择 Ｕ ］ ｌ 大众 科 ２ ． ３ 舒 适 性 原 则 技， ２ ０ ０ ９ （ ６ ） ． ’ 由于超 宽体 Ａ ３ ５ ０ Ｘ Ｗ Ｂ的复合材料 占 飞机 总重量 的 ５ ２ ％ ，超宽体 『 ２ １ 晓诚． 航 空复合材料新纪元 ［ Ｉ ］ ． 国际航空， ２ ０ １ １ （ １ ｏ ） ． Ａ ３ ５ ０的客舱的整体尺寸都要 比波音 ７ ８ ７更宽 。此外，Ａ ３ ５ ０超级宽体 『 ３ １ 中 国航 空研 究 院 ． 复合 材 料 结 构 设 计 手 册 ｆ Ｋ ］ 航 空 工 业 出版 飞机还可 以为客 户提供适 应现 代化环境的机 组休息舱 ，包括舒适的 社 ． ２ ０ １ ２ ． 乘务人员休 息舱和安全 的飞行机组休息舱 。 【 ４ 】 杨乃 宾， 章怡 宁． 复合材料飞机结构［ Ｍ１ ． 航 空工业 出 版社 ， ２ ０ １ ２ ． ２ ． ４环保性原则 ｆ ５朱永茂 ５ ］ ， 刘勇， 殷 荣忠， 等 酚醛树脂及 其复合 材料发展 动向 Ⅱ １ ． 玻璃 Ａ ３ ８ ０在首次隆重 向世界亮相之前， 就 己获得数百架订单 ，其总 纤 维 ． ２ ０ ０ ５ （ ３ ） ． 价值 高达千亿美元 。 如 此高的销售额和 市场反应主要是 由于 Ａ ３ ８ ０ 飞 『 ６ １ 张维方． 民用飞机舱 内装饰与设备 的适 坠性研 究『 １ １ ｌ 民 用飞机 设计 机有着较好 的机 身结构和发动机 ，燃油减少 ２ ０ ％ ，低碳环保 ，并且 与 研 究 ，２ ０ ０ ９ （ １ ） ．
