航天器环境工程 第30卷 的应用,也就是10多年:而在民机上的应用从20一个整体的复合材料机身段,最后卸模取出成品 世纪80年代开始到大范围的应用,经历了30多年。(图2)。 随着复合材料技术的深入研究和应用实践的 积累,复合材料在民机结构上的应用近年来取得较 大进展。复合材料的优点不仅仅是轻质,而且给设 计带来创新,通过合理设计,还可提供诸如抗疲劳、 抗振、耐腐蚀、耐久性和吸/透波等其他传统材料 无法实现的优异功能特性,增加未来发展的潜力和 (a)缠绕成型的机身壳 (b)机身段内部共固化的桁、梁 空间。尤其与铝合金等传统材料相比,复合材料可 图2B787复合材料机身段 明显减少使用维护要求,降低寿命周期成本,特别 ig 2 CFRP fuselage sector of B-787 B-787复合材料机身段不仅是世界上最大的缠 是当飞机进入老龄化阶段后差别更明显。同时,大 部分复合材料飞机构件可以整体成型,大幅度减少统机身部件,而且被认为是用碳纤维制造出的最大 零件数目和紧固件数目,从而减小结构质量,降低的压力容器。复合材料极高的拉伸环向强度使它 连接和装配成本,并有效降低总成本。 能承受更高的客舱内部压力,使得舱内的压力保持 民用飞机结构复合材料的使用量上限约为 在海拔6000英尺(1830m)高度时的气压,而不 60%。2011-2020年,通用航空领域可望增加是通常的700090英尺,乘员会感觉更加舒适。 12400架飞机,公务机市场将新增13600架,新飞复合材料抗腐蚀(金属机身的最大弱点是易被腐 机上的复合材料质量占比约为54%,公务机中占蚀,机舱内湿度可以恒定在10%-1%(金属机 68%左右。随着民机对碳纤维复合材料的需求不断身内湿度只能保持在5%~10%之间),这也同样增 增长,未来20~30年航空复合材料将进入新的发加了乘员的舒适度。B787的推出成为近几年民用 展时期 航空领域最热门的话题 1.3A-350XWB和B-787的复合材料之战 复合材料影响力如此之大,迫使空客改弦易辙 彻底重新设计A-350。新飞机改名为A-350XWB 空客最近完成首飞的A-350XWB超大型宽体 XWB意为超宽机身,并采用复合材料,使原计划 客机,包括机身在内的复合材料用量达52%,这是 40%的复合材料用量提升到52%。A-350XWB的机 对波音B-787“梦想”飞机的50%复合材料用量的 回应 体比B-787还宽13cm,在高密度下可以每排布置 波音推出B787,旨在挽回自20世纪80年代9座,而B-787每排最多只能布置8座A350XWB 中期以来与空客竞争的失利,“出奇制胜”推出复也将把座舱压力设在相当于600英尺的高度,采 合材料机身的方案,实现波音重振雄风的梦想 用增大的机窗和先进的机上电子娱乐系统,更体现 为了生产第一架全复合材料的飞机机身,波音出人性化。 采用了类似于 Raytheon所应用的纤维铺设方法。 民机复合材料机身可被认为是复合材料发展 生产出一个长7m、宽约6m的复合材料机身部件,的一个里程碑,不仅使复合材料用量跨越式提升, 这一构件是在一个巨大的旋转芯模上采用自动纤而且对设计、制造和维修提出新的挑战。空客之前 维铺放( Automatic fiber placement,AFP)技术生曾对B787略有微词,提到全复合材料机身的安全 产出来的。芯模上预制有与长桁、大梁的外形和尺问题。现在自己面对同样问题时,空客决定不套波 寸一致的槽,将预成型的长桁与梁(均由碳纤维预音的老路,而是另辟蹊径,对A-350XWB复合材 浸料铺设和加压固化而成)在缠绕前预先放在槽料机身提出了一个所谓“4个蒙皮壳板”的创新概 内,工作时芯模随心轴在设备上转动,使纤维连续念(4- shell skin panel concept for innovative 地缠绕到芯模上,形成机身壳,并留出窗口位置, fuselage),如图3(a)所示。不同于B787的全复 再将机身壳与梁、长桁一同送入热压罐固化,得到合材料机身,这种创新型的机身采用铝合金框架, o1994-2014ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net354 航 天 器 环 境 工 程 第 30 卷 的应用，也就是 10 多年；而在民机上的应用从 20 世纪80 年代开始到大范围的应用，经历了30 多年。 随着复合材料技术的深入研究和应用实践的 积累，复合材料在民机结构上的应用近年来取得较 大进展。复合材料的优点不仅仅是轻质，而且给设 计带来创新，通过合理设计，还可提供诸如抗疲劳、 抗振、耐腐蚀、耐久性和吸/透波等其他传统材料 无法实现的优异功能特性，增加未来发展的潜力和 空间。尤其与铝合金等传统材料相比，复合材料可 明显减少使用维护要求，降低寿命周期成本，特别 是当飞机进入老龄化阶段后差别更明显。同时，大 部分复合材料飞机构件可以整体成型，大幅度减少 零件数目和紧固件数目，从而减小结构质量，降低 连接和装配成本，并有效降低总成本。 民用飞机结构复合材料的使用量上限约为 60%。2011—2020 年，通用航空领域可望增加 12 400 架飞机，公务机市场将新增 13 600 架。新飞 机上的复合材料质量占比约为 54%，公务机中占 68%左右。随着民机对碳纤维复合材料的需求不断 增长，未来 20～30 年航空复合材料将进入新的发 展时期。 1.3 A-350XWB 和 B-787 的复合材料之战 空客最近完成首飞的 A-350XWB 超大型宽体 客机，包括机身在内的复合材料用量达 52%，这是 对波音 B-787“梦想”飞机的 50%复合材料用量的 回应。 波音推出 B-787，旨在挽回自 20 世纪 80 年代 中期以来与空客竞争的失利，“出奇制胜”推出复 合材料机身的方案，实现波音重振雄风的梦想。 为了生产第一架全复合材料的飞机机身，波音 采用了类似于 Raytheon 所应用的纤维铺设方法。 生产出一个长 7 m、宽约 6 m 的复合材料机身部件， 这一构件是在一个巨大的旋转芯模上采用自动纤 维铺放（Automatic Fiber Placement，AFP）技术生 产出来的。芯模上预制有与长桁、大梁的外形和尺 寸一致的槽，将预成型的长桁与梁（均由碳纤维预 浸料铺设和加压固化而成）在缠绕前预先放在槽 内，工作时芯模随心轴在设备上转动，使纤维连续 地缠绕到芯模上，形成机身壳，并留出窗口位置， 再将机身壳与梁、长桁一同送入热压罐固化，得到 一个整体的复合材料机身段，最后卸模取出成品 （图 2）[7]。     (a) 缠绕成型的机身壳      (b) 机身段内部共固化的桁、梁 图 2 B-787 复合材料机身段 Fig. 2 CFRP fuselage sector of B-787 B-787复合材料机身段不仅是世界上最大的缠 绕机身部件，而且被认为是用碳纤维制造出的最大 的压力容器。复合材料极高的拉伸/环向强度使它 能承受更高的客舱内部压力，使得舱内的压力保持 在海拔 6000 英尺（1830 m）高度时的气压，而不 是通常的 7000～9000 英尺，乘员会感觉更加舒适。 复合材料抗腐蚀（金属机身的最大弱点是易被腐 蚀），机舱内湿度可以恒定在 10%～15%（金属机 身内湿度只能保持在 5%～10%之间），这也同样增 加了乘员的舒适度。B-787 的推出成为近几年民用 航空领域最热门的话题。 复合材料影响力如此之大，迫使空客改弦易辙， 彻底重新设计 A-350。新飞机改名为 A-350 XWB， XWB 意为超宽机身，并采用复合材料，使原计划 40%的复合材料用量提升到 52%。A-350XWB 的机 体比 B-787 还宽 13 cm，在高密度下可以每排布置 9 座，而 B-787 每排最多只能布置 8 座。A-350XWB 也将把座舱压力设在相当于 6000 英尺的高度，采 用增大的机窗和先进的机上电子娱乐系统，更体现 出人性化。 民机复合材料机身可被认为是复合材料发展 的一个里程碑，不仅使复合材料用量跨越式提升， 而且对设计、制造和维修提出新的挑战。空客之前 曾对 B-787 略有微词，提到全复合材料机身的安全 问题。现在自己面对同样问题时，空客决定不套波 音的老路，而是另辟蹊径，对 A-350XWB 复合材 料机身提出了一个所谓“4 个蒙皮壳板”的创新概 念 （ 4-shell skin panel concept for innovative fuselage），如图 3(a)所示[8]。不同于 B-787 的全复 合材料机身，这种创新型的机身采用铝合金框架