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复合材料PK金属铝,谁是商用飞机机身的最佳材料?


现代喷气式飞机,如波音787和空客A350,已经出现采用复合材料制造机身结构的趋势。这似乎将成为新飞机设计的前进方向。虽然存在一些挑战,但较低的客机重量能显著提升飞行效率并降低运营成本。

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波音787为首款采用复合材料制造机身的客机


铝金属机身

飞机并非一直采用金属制造。许多早期飞机使用木材制造,不仅仅是双翼飞机这样的小型飞机,被称为“云杉鹅”运输机的霍华德·休斯H4也是木制结构。

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“云杉鹅”运输机于1947年推出,是世界上最大的木制飞机。

木材是一种实用的材料,成本低,重量也很轻。但对于高速飞行来说,木材不够坚固。随着飞行速度的提高,当然也随着喷气发动机的引入,金属材料成为飞机制造的更佳选择。.

铝金属曾是飞机制造材料的最佳选择,耐用、轻便,且相对便宜。事实上,钛金属更好,但成本太高。折衷之举是使用铝合金来减少应力疲劳和腐蚀的问题。直到最近,这种铝合金一直是所有喷气式飞机机身的基础材料。此外,还会使用少量的其他金属(如钢或铁),但它们本身太重,在高温下会产生应力。

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长期以来,喷气式飞机以铝合金材料为主。


转向复合材料

许多现代飞机,尤其是波音787和空客A350,都已改用复合材料进行建造。这顺应了近年来飞机运行效率更高、成本更低、排放更低的趋势。

早期飞机已经开始朝这个方向转变。例如,空客A380的复合材料占比约为20%,波音777的复合材料占比约为12%。有趣的是,最新的波音777X将保留铝制机身。

以波音787为例,大约50%的材料是碳纤维增强塑料(CRFP)和其他复合材料。铝仍占20%,钛占15%,钢占10%。

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波音787机身大约50%是碳纤维复合材料及其他复合材料。

空客A350也使用了CRFP。空客公司在其网站上提供了关于使用CRFP的详细描述:

“在CFRP的生产中,数千根极细的碳纤维丝捆绑在一起,形成每一根纤维束,许多这样的纤维束通过树脂粘合在一起,以达到所需的刚性水平。复合材料组件是由精确成型的薄片相互叠加,然后粘合而成,通常是在称为高压釜的烘箱中加热和加压,从而产生高性能的复合材料。”

飞机制造向复合材料的转变在很大程度上要归功于波音公司。波音公司选择追随波音777(迄今最畅销的宽体客机)的成功,采用全新的波音787飞机设计,使波音进入了此前未经验证的复合材料机身市场。不过各大航空公司给出了积极的反应。受此影响,空客公司也决定修改空客A350的计划,并采用空客A350XWB设计一款全新的复合材料宽体客机。

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波音787是第一架大量采用复合材料制造的飞机,比空客A350XWB早4年推出。


复合材料的优势

复合材料用于飞机制造的主要优点是减轻重量,从而降低飞机燃料消耗和排放,最终降低各大航空公司的座席成本。而且,复合材料还具有抗腐蚀性和抗疲劳性,这能减少航空公司的维护时间和维护成本。

复合材料结构件可以被模塑成任何形状。这一特点使得整个机身的“桶”段部分可以在不同地点进行制造,而无需像铝板一样必须使用螺栓固定在一起。波音公司在建造787客机时广泛使用了这种方法。机身部分在不同的地方(包括意大利和日本)完成制造,然后空运到到波音的美国工厂进行最后组装。

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在最终组装阶段,对不同的复合材料787机身进行连接。

另一个不同之处就是机身舷窗更大。由于复合材料机身抗疲劳性能更强,机身舷窗尺寸可以增大。波音787拥有所有客机中最大的舷窗,随着复合材料性能的进一步提升,未来我们能看到更大的机身舷窗。

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波音787拥有目前所有飞机中最大的机身舷窗。


复合材料的局限性

随着复合材料技术的发展,至少应用于商用客机的复合材料技术正在快速发展,复合材料还存在什么缺点吗?在某种程度上,成本是其中之一。CFRP组件的生产成本比标准的金属部件要高(随着生产和使用的扩大,这种情况可能会改变)。但随着时间的推移,这一成本可以被较低的维护成本所抵消。

此外,还有人对复合材料机身受损的检测表示担忧。撞击损伤不像金属机身那样可见或易于检测。监管机构提出的缓解该问题的建议包括更好的培训以及对潜在的机身接触进行更多的监管和报告。其他测试(包括光学、电子和声学)也可以检查复合材料机身损坏。

另一个挑战是飞机改装。目前已经出现了有关货机改装的问题——在复合材料机身上切割装货门比在铝制机身上切割装货门更具挑战性。但随着机身重量的减轻以及飞行效率的提升,运营商会乐于接受上述问题。

 


本文由中国复合材料工业协会编译,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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