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波音787复合材料部件问题剖析:客机机身中的复合材料应用如何“避坑”?

波音787复合材料部件问题剖析:客机机身中的复合材料应用如何“避坑”?


波音787复合材料部件问题剖析:客机机身中的复合材料应用如何“避坑”?


近一年来,波音公司一直在努力解决 787 客机上与复合材料部件有关的问题,这些问题导致飞机生产放缓,组装飞机的检查和返工量显著增加,最终飞机的交付也不得不延迟。波音公司的这一举措引发了其飞机供应商的类似检查,突显了复合材料的材料和工艺 (M&P) 应用于大型航空结构部件时存在的问题。这个问题推而广之,也对复合材料部件在下一代飞机中的应用提出了疑问。


就在去年9月,华尔街日报和路透社同时披露了,位于南卡罗来纳州波音公司工厂生产的某些部件不符合设计及制造标准。美国联邦航空局(FAA)也在媒体曝光的前一天表态称,该机构正在调查这一质量缺陷问题。美国联邦航空局的备忘录显示,问题主要出现在该型号客机的机身后段,其使用的垫片可能存在尺寸错误或表面不平整的缺陷。而在该部件的制造过程中,波音缺少了验证和质量检查的步骤。


波音公司发现的确切问题尚未完全公开披露,但可以从我们所了解的情况中得出一些结论。首先,问题完全在于机身的连接处,即两个复合材料机身筒段之间。其次,这些连接处存在两个问题,涉及用于填补连接处的缝隙垫片尺寸不正确,以及连接处边缘的内机身蒙皮不平整,导致边缘不符合要求。就单一问题而言,都不足以影响787客机的适航性。但把这些因素加在一起就足以引起巨大的担忧,以至于美国联邦航空局要求波音公司在评估和纠正行动方面采取更积极的行动。


在了解这些问题之前,首先要了解下波音787客机机身的制造方式。机身由蒙皮,框架和纵梁组成,并且分成若干节,由不同的供应商制造。包括驾驶舱在内的前机身前部由 Spirit AeroSystems 生产。前机身后部由川崎重工生产。两个中央机身部分——客机上最大的部分——由莱昂纳多公司生产。最后面的两个机身部分由波音公司自己生产。所有机身部分均基于单件式料筒设计,预浸碳纤维通过自动纤维铺放沉积在可折叠心轴周围。成品机身部分由各供应商分别交付给位于美国北卡罗来纳州查尔斯顿的波音公司,然后在那里进行组装。


由于机身部分来自不同的供应商,两个部分相连的接合面会存在缺口。这些缺口用切割成特定尺寸和形状的垫片来填补连接。垫片的使用在航空复合材料制造中很常见,其在787客机上的应用也不罕见。但一定数量 787 客机的垫片会少见地出现尺寸不适合的情况,技术人员已经查明是由于自动垫片测量和生产系统出现故障而导致的,目前该系统已经被成功修复。 


鉴于波音公司提供的问题细节不足,而且这一问题仅在波音公司和Spirit AeroSystems公司的报告中体现,导致内机身蒙皮缺乏平整度的原因更难找出。我们很容易认定原因在制造方面,也许是一个长期的模具缺陷,也许是一个工艺控制问题。但以上两种猜测业内讨论较少,同样可能的原因是,机身蒙皮本身的设计问题。层压板缺乏平整度也会导致纤维翘曲或其他一些变形,究其根本,是蒙皮制定的铺层顺序有误所导致的。 


无论如何,在任何情况下,鉴于787客机已经生产了这么久,像这样的尺寸公差问题现在又出现了,着实令人费解。垫片生产系统出现故障,虽然令人遗憾,但这种类型的制造错误可能而且时时会发生,并很容易被修复。但如果是由设计缺陷引起的层压板缺乏平整度,很可能不是787客机的新问题,只是说垫片问题的发现凑巧带出了蒙皮平整度问题。需要再次强调,这些问题中的任何一个本身都不会造成严重影响,两个问题的同时出现是给波音及其供应商的一个危险信号。


在波音公司顺利克服了这些挑战之后,我们可以从这一教训中吸取什么经验来应用于下一代飞机?长期以来,垫片是复合材料制造的一个必要工具,但现在航空复合材料制造早已发展到不需要这些工具的时候了。考虑到我们对复合材料设计和材料性能的新了解,现在开发一种能保持尺寸公差的结构层压板应该是轻而易举。重新审视现状,787 客机的设计也是早在 20 年前的事了,我们愿意看到新客机制造项目能够尝试采用截然不同的设计理念和材料工艺,从而实现最小化制造问题,力求“零缺陷”


本文由中国复合材料工业协会综编,文章不用于商业目的,仅供行业人士交流。转载请注明来自中国复合材料工业协会。


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