航空概论论文
姓名 张琦炜
学号1253535
专业 工程力学创新实验区
浅谈民用大飞机结构技术中复合材料的应用 摘要 通过这学期的航空概论课程，我对飞行器又有了更进一步的认识。我的原专业是飞行器，因此我想结合工程力学实验班中学到的知识对民航机的结构进行一次调研，同时我也想结合上学期学到的工程材料的知识，对复合材料（尤其是碳纤维复合材料）在民航机上的应用进行一定的了解。因此本文将分析世界上先进的大型民机发展和研究计划，总结大型民用飞机结构技术发展的总体趋势。介绍用于先进大型飞机中选材、结构设计、先进的制造技术、机构强度分析、防雷击技术的现状和趋势。同时将特别介绍一下碳纤维复合材料在其中的运用。
关键字 民用大飞机；结构技术；碳纤维复合材料；低成本；应用；防雷击
正文
结构设计是一门很老的航空技术专业，曾取得巨大成功并对航空做出巨大的贡献。随着技术的发展，这一专业还继续走着探索的道路，书写着辉煌。结构设计的总体要求是，在满足飞机总体对结构设计的要求前提下，做到重量最轻。 随着技术的发展，飞机的性能不断提高，飞机的设备和载油系数不断提高，要求飞机结构重量系数不断降低。
我们可以先以战斗机为例，目前战斗机的结构重量已降低到飞机总重的 30% 以下。而飞机的性能却不断提高, 这样对飞机结构设计工程师提出了巨大的挑战。“为减轻每一克结构重量而奋斗”不仅是口号, 而且成为每个飞机设计师必须遵守的准则。
而在民用飞机研制上, 当前最新客机A350 和波音787 飞机为减轻结构重量，也采取的一系列新技术和新材料，特别是大量采用复合材料结构。这样说可能比较抽象，因此我们可以先看一下世界上一些大型民航机。（见表一）
众所周知波音787与波音777相比，最大特点便是降低油耗以及噪音。 波音公司在波音787上使用了“音速巡航者”所提出的技术以及机体设计，并决定在7E7的主体结构（包括机翼和机身）上大量采用先进的复合材料。波音787拥有多项技术创新，其中最引人注目的是波音787机体结构的一半左右都用更轻、更坚固的复合材料代替铝合金，是第一款以复合材料为主体材料的民用喷气式客机。一方面是因为金属能够隐藏损伤问题，这种损伤很难发现，直到碎裂时才会被发现，而合成材料就不存在这种问题；另一方面，用复合材料制造的机身比较
轻，这使得波音787更节省燃油，而且也可以节省在维护方面的花费。由此可见，复合材料在飞机结构中那无可代替的作用。
关于复合材料的问题我之后会再详细叙述，接下来让我们先回到飞机结构这个问题的本身，也就是为什么我们会对飞机结构如此重视，其设计目标又是什么。在查阅了一些参考资料后，我觉得飞机结构设计的目标有以下几个：（1）能满足静强度要求，即能承受飞机各种飞行和地面的设计载荷；（2） 能满足飞机使用寿命要求；（3）能满足振动和噪声要求；（4）能满足气动力对飞机结构的要求；
（5）能满足飞机气动弹性要求；（6）能满足安全性和适航的要求；（7） 能满足飞机舒适性的要求；（8）能满足飞机结构工艺性的要求；（9） 能满足飞机使用维护性及可靠性的要求；（10）能满足飞机结构的经济性要求。而围绕着结构设计的总体目标，结构技术发展主要体现在以下几个方面：结构选材的变化；结构设计与制造技术的发展；结构分析技术的突破；结构试验技术的改进。
而在以上四个方面中我想详细的介绍结构选材的变化，并着重介绍碳纤维复合材料的应用。当然复合材料的应用的广泛化并不是意味着金属结构的淘汰，相反的金属结构的设计技术也在不断发展，空客A380飞机就体现了这一点。高强度铝合金焊接结构的首次大面积应用，混杂结构以及与新工艺结合的其他新技术非常好的克服了传统金属结构的一些缺点。不过在这里这些问题我就不一一展开了。
那么，现在让我们进入本文的重点——复合材料在飞机结构中的应用。同样还是以波音787为例，波音787飞机是首架为减轻结构重量主要使用复合材料建造的客机，复合材料的耐久性使波音787 客机的维护间隔达到1000h，而波音767只有500 h。波音787采用了健康监控技术。波音787型客机将比目前现役客机节约20% 的燃料。飞机座舱压力从相当2400m降至1800m高度, 改善了舒适性, 提高
【1】了结构设计要求。
而空客A350 飞机为有效减轻结构重量, 采用了更多的先进材料——包括各种先进的铝合金和先进的复合材料, 复合材料的用量达到52% 。使飞机变得更轻、更牢固和更可靠; 每座空重比波音777 降低了14%, 同时大大改善了可维修
【2】性, 机体维修成本降低了10%。
飞机选材的因素有以下几点：高的结构效率；长寿命高可靠性；低成本；工艺性好；便于修理和维护。其中高结构效率是优先考虑的因素。基于材料技术、制造技术和结构技术的发展, 飞机结构选材有了巨大的发展。表二给出了其变化情况。
（表二）
随着技术的发展，同一种飞机在改型过程中,选材也在发生变化。以波音757 飞机为例，随着年代的变化，其铝合金和钢的比例在减少，钛合金和复合材料的比例在增加( 见表三)。
（表三）
那么复合材料的优势究竟在哪里呢？复合材料的应用的主要优势是可以明显的减轻结构重量。复合材料使波音787客机有效降低了飞机重量，提高了燃油效率。预计波音787的燃油消耗可比波音767和A330分别降低20%。由于其1%的机身结构采用了抗疲劳、抗腐蚀材料，大大提高了飞机抗裂纹扩展能力，使外场维护间隔达1000h，比传统飞机多300~ 500 h[ 2]。但是，实践证明，不进行复合材料设计技术研究，是很难达到预期的减重效果。
根据空客公司和Cranfield 大学的研究得出的结论，复合材料的减重面临着如下的挑战：对比铝合金7075 与碳纤维复合材料的比强度和比刚度的值，可以得出复合材料减重效果是十分明显的。但考虑拉、压的其他因素后, 其减重效果会大打折扣( 见表四) 。
（表四）
因此为了有效的发挥复合材料减重的特点，结构设计应发挥复合材料可剪裁的设计优势，将减重的效果发挥出来。为此要解决以下的关键技术：（1）提高复合材料结构承载能力的研究；（2） 新概念复合材料结构形式研究；（3）复合材料健康监控技术；（4）复合材料的多学科优化剪裁( 含气动弹性)；（5）采用先进复合材料制造技术的设计。
但是尽管如此，我们也无法忽视复合材料的优势，尤其是碳纤维复合材料。高性能纤维包括很多种类，其中在飞机结构中应用过或曾经应用过的有下列品种：玻璃纤维、硼纤维、芳纶和碳（石墨）纤维。由于玻璃纤维弹性模量低，其复合材料无法满足飞机结构的刚度要求，因此无法用于飞机承力结构；硼纤维复合材料由于其加工性能差，早期曾在军机尾翼结构上得到过一些应用外，目前仅
用于结构修理；芳纶复合材料在1980年代中期一度认为有可能在飞机结构中大量应用，但经使用实践后发现其容易吸湿，给结构带来很多隐患，现在很多飞机公司已将其列为结构禁用的纤维。由于碳纤维具有高强度、高模量等优异性能，其复合材料因此在飞机结构中得到大量使用，而且目前在新研制的飞机结构中已成为首选的结构材料。
飞机结构中应用的碳纤维以T300为代表，包括AS4、HTA等是第一代；以T800为代表，包括IM6、IM7、HTS等是第二代。它们是应以波音公司为代表的飞机制造厂商的要求而研制的。T700S原来是为需要高抗拉伸强度的工业和休闲产品，包括压力容器等而研制的，在适当提高其抗拉伸模量和粘附性能后，T700G也用于要求优异复合材料性能的飞机和高端体育器材；T1000的研制并不是以飞机结构为应用对象的。
高性能纤维复合材料在飞机承力结构中的应用始于1960年代末，其在民用飞机结构中所占比重的变化如（表五）所示。可以看出，在军用飞机结构中的应用最初主要追求性能，不计成本，其用量在1980年代中期达到最高峰，之后由于成本的压力，其用量降至20%～30%。民用飞机碳纤维复合材料使用量从1970年代直至本世纪初一直在10%徘徊，其主要原因是民机必须考虑使用复合材料后经济上是否合算，尾翼级结构使用复合材料通过减重获得的利益大于复合材料制造成本的提高，但用于机翼机身这样的主结构，当时获得的减重收益不足以抵消材料和制造成本的增加。因此从1980年代起，低成本成了复合材料应用研究的热门课题。但以空客A380和波音787的研制成功，特别是后者的成功试飞（2009年12月），标志着复合材料在飞机结构的低成本技术（包括材料、制造工艺和设计与维护）已达到了可以实际应用的新纪元，复合材料结构占飞机结构质量不低于50%已是不可逆转的潮流。
（表五）
正如上文所说，复合材料的确用自己的优势，但也有自己的难关。其中最大问题之一便是成本问题，若果使用成本过高反而会得不偿失。因此出现了复合材料飞机结构的低成本技术，复合材料飞机结构的低成本技术主要包括以下几方面：材料、制造工艺、设计、使用维护等。例如材料方面：最初追求低成本的主要途径之一是降低材料成本和提高材料性能。降低材料成本的途径是采用大丝束纤维和
使用T700S这样的低成本纤维，虽然取得了一些成绩，但效果并不明显。改进后的T700G得到了一些应用，但由于其性能的局限性，没有得到大范围应用。T800的研制是为机翼结构的应用提出的，初衷是希望通过采用T800与韧性树脂的复合材料，克服复合材料抗冲击性能差的弱点将压缩设计许用应变值（με ）由4 000提高到6000，得到更好的减重效果，但最终没有实现。又例如制造工艺方面：RTM、RFI、VARTM等非热压罐固化新工艺最初都被认为是低成本工艺，其中有些已在飞机结构成型工程中得到应用，有的如以VARTM为代表的液体成形工艺已被证明确实可以降低成本，有的则尚未得到证明，或是取决于批量。以ATL和AF P为代表的自动化铺贴工艺对减少铺贴成本、提高品质和减少废品率起到了决定性作用， 也对降低成本起到了重要作用。
除此以外，作为航空材料，纤维复合材料对于防雷击的问题也是一大难题。民用飞机飞行的时间远远大于军用飞机。根据英国宇航公司的统计, 每架飞机每年将遇到一次雷击情况。由于飞机处于高速运动状态下, 在通过雷击区时, 雷击对机体直接造成的损伤要比静止的情况轻许多。民用飞机飞行的时间远远大于军用飞机。根据英国宇航公司的统计，每架飞机每年将遇到一次雷击情况。由于飞机处于高速运动状态下, 在通过雷击区时, 雷击对机体直接造成的损伤要比静止的情况轻许多。但雷击给飞机带来了以下问题。（1）静电释放：目前通常采用良好的搭铁和放电刷解决。空客公司采用镀银不锈钢螺栓作为搭铁与蒙皮的连接, 以保证电流通路质量。（2）雷击的直接损伤：通常采用金属机体前缘结构, 增强导电性能。（3）雷电电磁场对航电设备的干扰：采用电磁屏蔽措施。（4）雷电感应电流烧蚀：当机体较长的民用飞机穿过雷电区的巨大磁场时, 就像电动机的动子切割磁力线一样, 在飞机结构中造成了巨大的感应电流。这种电流将会造成结构烧毁的后果。一些飞机由于没有采取足够的措施而造成了结构的严重烧蚀。特别是大面积采用了导电性能不好的复合材料机体结构情况下，解决防雷击成为又一关键技术。
空客公司A350 飞机项目启动时, 复合材料防雷击问题成为该机是否大面积采用复合材料以代替金属结构的争议的焦点。最终空客工程技术人员提出了（混合结构概念）, 即采用碳纤维复合材料壁板、加筋和接头, 而机身纵向构件、梁是铝合金, 以作为复合材料的导电框架, 保证电流的良好通路, 起到有效的雷电防护作用。
总结
通过上文，我们可以将复合材料相比于金属结构的不同总结为以下：
（1）由于采用复合材料后, 结构设计由金属各向同性材料的分析方法被复合材料分层的各向异性计算方法所代替。
（2）结构设计的许用值由金属受拉面的损伤容限问题转向复合材料受压面的损伤容限问题。
（3）采用多零件装配的金属材料结构设计被复合材料共固化、RTM 和RFI 成型的整体结构所代替。
（4）结构的成型、装配、热表处理、各种防护都有很大的差异, 这样造成属结构的许多技术需要在复合材料应用时得到更新。
（5）金属结构和复合材料结构所应用的连接件和连接方式也有巨大的差异。
（6）复合材料的健康监控、维护和维修与金属材料结构有很大的变化。
因此结合复合材料所特有的优势，我们相信复合材料必然会在之后的航空航天中拥有更广泛的应用。
心得
通过这次论文的机会，我觉得我不仅回顾了航空概论上所学的一些知识，同时也通过文献以及资料的查询让我对自己的本专业有了更深的认识，飞机的结构可以说是飞机最为重要的部分之一，在我看来一个好的结构对于一架飞机来说是至关重要的，因此我选择了这个方向进行了一定的调研。在这之中，我也在一定程度上丰富了自己在工程材料方面的知识，可以说是受益匪浅。
参考文献
【1】 卡罗尔.西弗林. 波音787 维修进展[ J] . 航空工程与维修, 2007( 3) : 10-12.Carroll S. Boing 787 maintenance progress [ J ] Aviation Maintanes and Engineering, 2007( 3) : ( in Chinese)
【2】 开启航空旅行新纪元[ J] . 国际航空, 2007( 11) : 14- 16.International aviation journalist A380 st arts a new era of air transport [ J ] . International Aviation , 2007, ( 11) : 14-16. ( in Chinese）