应用连载·复合材料在航空航天领域的应用（上）
本文摘要：（由ai生成）
复合材料因其轻质高强、延展性好等特性，在航空航天领域得到广泛应用。美国成功试飞全碳纤维复合材料商用飞机，波音767等也大量使用，提升性能并减轻重量。中国C919客机也采用复合材料结构件。轻型运动飞机和无人机亦广泛应用复合材料，推动飞行器设计与制造革新。国内外飞机制造中，复合材料运用不断增加，展现了其在航空领域的广泛应用和发展潜力。一、综述
由于复合材料质量轻、具有较高的比强度、比模量以及较好的延展性、抗腐蚀、导热、隔热、隔音、减振、耐高（低）温、耐烧蚀、透电磁波, 吸波隐蔽性、可设计性、制备的灵活性和易加工性等特点，是制造飞机、火箭、航天飞行器等军事武器的理想材料。
自从先进复合材料投入航空航天应用以来，有三件值得一提的成果。第一件是美国全部用碳纤维复合材料制成一架八座商用飞机-里尔2100号并试飞成功；第二件是采用大量先进复合材料制成的哥伦比亚号航天飞机，这架航天飞机用碳纤维/环氧树脂制作长18.2m、宽4.6m的主货舱门，用凯芙拉纤维/环氧树脂制造各种压力容器。在这架代表近代最尖端技术成果的航天飞机上使用了树脂、金属和陶瓷基复合材料；第三件是使用了先进复合材料作为主承力结构，制造了可载80人的波音-767大型客运飞机，不仅减轻了重量，还提高了飞机的各种飞行性能。
复合材料在这几个飞行器上的成功应用，表明了复合材料的良好性能和技术的成熟，对于复合材料在重要工程结构上的应用是一个极大的推动。
图1 庞巴迪里尔45XR商务飞机
图2 哥伦比亚号航天飞机（右上角为失事现场图片）
图3 波音767
二、航空领域（固定翼飞机，直升机，特种飞行器）
先进复合材料用于加工主承力结构和次承力结构、其刚度和强度性能相当或超过铝合金的复合材料。目前被大量地应用在飞机机身结构制造上和小型无人机整体结构制造上。
飞机用复合材料经过近40年的发展，已经从最初的非承力构件发展到应用于次承力和主承力构件，可获得减轻质量（20-30）% 的显著效果。目前已进入成熟应用期，对提高飞机技战术水平、可靠性、耐久性和维护性已无可置疑，其设计、制造和使用经验已日趋丰富。迄今为止战斗机使用的复合材料占所用材料总量的30%左右，新一代战斗机将达到40%；直升机和小型飞机复合材料用量将达到（70-80）%左右, 甚至出现全复合材料飞机。“科曼奇”直升机的机身有70% 是由复合材料制成的，但仍计划通过减轻机身前下部质量以及将复合材料扩大到配件和轴承中，以使飞机再减轻15%的质量。“阿帕奇”为了减轻质量，将采用复合材料代替金属机身。
近10年来，国内飞机上也较多的使用了复合材料。例如由国内3家科研单位合作开发研制的某歼击机复合材料垂尾壁板，比原铝合金结构轻21kg，减重30%。北京航空制造工程研究所研制并生产的QY8911/HT3。双马来酰亚胺单向碳纤维预浸料及其复合材料已用于飞机前机身段、垂直尾翼安定面、机翼、阻力板、整流壁板等构件。由北京航空材料研究院研制的PEEK/AS4C热塑性树脂单向碳纤维预浸料及其复合材料具有优异的抗断裂韧性、耐水性、抗老化性、阻燃性和抗疲劳性能，适合制造飞机主承力构件，可在120℃下长期工作，已用于飞机起落架舱护板前蒙皮。
据波音公司估算，喷气客机质量每减轻1kg，飞机在整个使用期限内即可节省2200美元。
2.1 固定翼飞机
1）国外
国外大飞机复合材料使用情况可以通过以下图片展示出来：
图4-7 国外大型飞机复合材料使用情况
轻型运动飞机（Light sport aircraft，LSA）是美国FAA于2004年提出的一种飞机分类名称。这类飞机最大起飞重量不超过600 kg（水上起降的飞机，最大起飞重量不超过650kg），最大平飞速度不超过222 km/h，失速速度不超过83 km/h，与传统的通用飞机失速不相上下，但耗油量减半，性能优于传统的通用飞机。单座或者双座，固定起落架，使用不可变桨矩，或只能地面调整桨矩的螺旋桨，动力装置限定为一台电动机，或活塞式发动机。轻型运动飞机对于维修方面的限制很少，可以由传统的飞机维修技术人员来维修和检查，可以由有修理轻型运动飞机资格的个人来维修，有些情况下也可以由飞行员或者所有者来检查和维修。
与客机和军用飞机相比，轻型运动飞机的尺寸比较小，结构简单，使用环境温和，适航标准也更宽松，所以复合材料在轻型运动飞机上的应用所受到的限制很小，并且制造成本更低。轻型运动飞机一般复合材料用量超过70%，属于全复合材料飞机。复合材料具有重量轻、高强度、高模量、结构功能一体化和设计制造一体化、易于成大型制品等优点，采用复合材料的部件可在满足同样强度要求的情况下，比金属材料的部件更轻。
美国研制的Lear Fan2100型飞机，是世界上第一架以先进复合材料为主的全复合材料飞机，主要以CFRP和KFRP为主，结构减重达40%。中、法、新合作研制的轻型直升机EC120，除旋翼桨叶外，机身、垂尾、尾梁、水平安定面等多处结构也都用了复合材料。美国AASI公司研制的JETCRUZER500型6座公务机，其整个机身有碳/环氧复合材料制成。
图8 Lear Fan2100型飞机
轻型运动飞机市场很大，相关的制造商和机型也很多，目前该领域主要集中在欧美一些发达国家，知名的制造公司有美国塞斯纳飞机公司、西瑞设计公司（已被中航通飞收购）、奥地利钻石飞机公司、德国飞行设计公司等。其中德国飞行设计公司（Flight Design GmbH）是全球领先的、设计和生产轻型运动类飞机的专业厂家，所开发的CT系列轻型运动飞机基本均采用碳纤维复合材料机身。德国Remos飞机公司的生产的Remos飞机大部分是碳纤维复合材料，机翼是全碳纤维制造，重量轻，线条圆滑。该机型可能是目前为止制造工艺最先进的轻型运动飞机机型。奥地利钻石飞机公司DA42“双子星”飞机机翼等主要部件均采用复合材料结构。
图9 塞斯纳飞机
图10 西瑞飞机
图11 奥地利钻石飞机公司da42“双子星”轻型飞机
图12 德国Remos飞机
国外军机复合材料使用情况如下图所示：
图13 国外军机复合材料使用情况
2）国内
运-10（Y-10）是由上海飞机制造厂研制的四发动机喷气式运输机，是中国首次自行研制、自行制造的大型喷气式客机，基于当时的工业基础和条件，运-10基本没有采用复合材料件。
图14运-10（Y-10）
中国商用飞机有限责任公司研制的双发动机支线客机ARJ21翔凤客机，翼梢及次要结构件使用国产碳纤维减重。
图15 ARJ21翔凤客机
C919是中国自主设计的第二款国产大型客机。该机机翼，水平尾翼，中央翼盒使用了复合材料结构件。
图16 C919
下面几张图是波音公司在中国的转包情况：
图17 波音737中国转包情况
图18 波音747中国转包情况
图19 波音787中国转包情况
哈飞公司向空客集团成员和/或空客指定的供应商提交及交付空客A350及空客A320系列复合材料飞机零部件；参与现在或将来空客飞机项目的研究、开发、工业化及批量生产；为空客所指定的第三方制造、销售、经销和配送复合材料飞机零部件。公司与空客及其一级供应商签订了7个工作包合同，包括A320升降舵、方向舵、平尾梁和A350升降舵、方向舵、机腹整流罩、勤务舱门等。
图20 哈飞公司A320升降舵首件交付仪式现场（图片来自互联网）
图21 哈飞公司A320升降舵首件交付仪式现场（图片来自互联网）
西飞为空客生产A320飞机的整个机翼，成为一级供应商。
图22 中航西飞生产的首对空客A320机翼被装配在机身上
在国内，民机可以采用国际采购的方式来弥补技术上的差距，如飞机发动机、部分机载设备、零部件和材料都可以采用这种方式。但是民机制造中仍有许多东西是用钱买不来的，如飞机的总体设计能力，尤其是集成能力得靠经验上的累积。又如电传操作，这是核心技术，空客在这个方面已比较成熟，波音777也采用了电传操作技术，其中有些还是光传技术，这种技术人家是不会卖给我们的，只有靠自己研发。
近年来国内众多单位也逐渐开展了轻型运动飞机的研制工作，取得了一定的成果。2011年9沈飞公司与美国赛斯纳飞机公司签署合作协议，研制生产的我国第一架以铝合金机体为主的塞斯纳162轻型运动飞机，并成功首飞。
2012年南昌航空大学和珠海强恩玻璃钢制品有限公司联合研制的"红嘴欧"运动飞机，飞机结构采用碳纤维、玻璃纤维、环氧树脂、夹芯材料等制造成型，机身机翼等主体结构使用碳纤维复合材料，部分隔板为玻璃纤维复合材料。局部采用夹芯结构，外面蒙上碳纤维增强环氧树脂基复合材料表板，飞机结构90%为复合材料，使得飞机重量轻，强度好。
图23红嘴鸥 Black Headed Gull
波东风飞机有限公司自主研制了DF2型复合材料双座轻型运动飞机（如图24所示），于2008年7月进行了试飞。DF2型飞机主要承力结构均采用碳纤维材料，设计起点比较高，但仍然需要进一步的完善。
图24 国产DF2全复合材料轻型运动飞机
2013年6月由沈阳航空航天大学自主研制的电动双座轻型运动飞机在沈阳法库财湖机场成功首飞。这款新型清洁能源飞机以锂电池为能源，运用全碳纤维复合材料结构机体，与传统油动飞机相比，具有造价低廉、节能环保、安全实用的特点。辽宁太平洋航空工业有限公司引进美国设计的KIS-2，KIS-4均为复合材料的2座和4座轻型飞机，其结构以玻璃钢为主，局部如机翼大梁，平尾等处就用了碳纤维复合材料。
图25 蓝鹰AD200飞机
目前，复合材料夹层结构在轻型飞机上应用最为广泛。夹层结构通常是用比较薄的板材作面板，比较厚的密度小的材料作芯子胶接而成，如蜂窝夹层结构或泡沫夹层结构。
国内军机复合材料使用情况如下图所示：
图26 国内军机复合材料使用情况
2.2 直升机
1）直升机起落架
滑橇式直升机起落架，结构简单，重量轻，性能可靠，不易损坏，主要依靠结构的弹性变形来吸收着陆能量。可以安装浮筒，用于水面或其它特殊场地起降，在飞机速度慢、起飞重量轻、场地易于保证、后勤较薄弱的民用领域有很大优势。
目前较多采用金属基复合材料。和所有纤维增强复合材料一样，金属基复合材料通过使用不同的纤维、基体和调整纤维容量来达到某一特性，或进行特殊结构设计。
但目前，金属基复合材料的最大缺点是其纤维韧性低、工艺生产成本高、工艺很不成熟，难以达到批量生产，并且价格昂贵。而且使用金属基复合材料进行设计，必须仔细考虑连接方式、载荷传递路径和易损坏部位，从而估算节约重量的潜力，因此增加了设计的难度。金属基复合材料吸震性能差，使用该种材料做起落架，必须设置复杂的减震装置，增加了机身的重量和成本。
碳纤维/环氧树脂复合材料具有综合的优良性能，更适合于用作直升机起落架材料。可以根据起落架的不同要求对碳纤维/环氧树脂复合材料进行设计，可以根据受力情况合理选择成型工艺、材料的牌号、布置增强材料，以达到节约成本、减轻质量的目的。
图27 复合材料直升机起落架（图片来自互联网）
2）直升机桨叶
直升机技术、特别是旋翼技术的迅猛发展，很重要的一点是得益于复合材料的应用。复合材料的优点在旋翼桨叶上得到了充分的发挥，它为旋翼桨叶气动外形的改进和优化、旋翼动力学特性的优化提供了可能。更重要的是复合材料使在交变载荷作用下的旋翼寿命大幅度提高，并能做到“视情维护”。这不仅提高了直升机的安全性，而且使桨叶制造成本大大降低，由此带来了可观的经济效益。
图28 直升机旋翼刨面图
3）直升机桨毂
同桨叶相比，桨毂的复合材料化相对比较困难，但也已取得了突破性进展。法国宇航公司于70年代后期研制成功的星形柔性桨毂就是复合材料在旋翼桨毂上应用的首次突破，紧接着各国纷纷开始复合材料无轴承桨毂的研究和试验，使旋翼结构全复合材料化成为可能。这是直升机技术发展的一次革命。
图29 波音-360型直升机铰接式复合材料粘弹性轴承桨毂
4）直升机传动系统
复合材料在传动系统中的应用也已提上日程, 波音、麦道、卡曼直升机公司都已进行了大量的研究工作，波音公司已在其360直升机上采用石墨纤维和玻璃纤维混合缠绕的旋翼轴、减速器壳体等获得成功，其寿命是无限的，而重量减轻25%。
图30 波音-360型直升机复合材料旋翼轴
5）直升机机身
近年来复合材料在机身上的应用也有很大进展，第一架试飞的全复合材料机身是西科斯基公司的S275直升机，随后试飞的有贝尔公司全复合材料机身的D2292直升机和波音直升机公司的波音-360直升机等。这些直升机与原准机相比在机身重量、生产成本、可靠性和维护性方面均有可观的得益。
图31 国产直-9全复合材料涵道垂尾
2.3 特种飞行器（由于数量种类繁多，在此仅以无人机为例）
无人机复合材料结构主要包括层压板结构、夹层结构, 由于其很强的可设计性, 在结构部件的整体设计中可以大大减少无人机零、部件数量, 典型的应用为翼身融合结构，见图32-图33。
图32 美国X-48B无人机
图33 欧洲“梭鱼”无人机（机身为全碳纤维复合材料）
无人机上用的结构有夹层结构以及层压板结构，如机身结构由纵向梁凸缘、蒙皮和横向框组成，如图34所示；其中蒙皮为蜂窝夹层结构，梁凸缘多为复合材料层压板结构。翼面则多为夹层板梁式结构、夹层壁板墙式结构、全高度泡沫夹芯结构、蒙皮空腔结构和夹层盒结构等，如图35所示：
图34 无人机机身典型结构
图35 无人机翼面典型结构
无人机复合材料结构件用的增强材料主要有碳纤维、玻璃纤维等, 而树脂体系则主要有环氧树脂体系和双马来酰亚胺树脂体系, 前者工艺性较好, 后者耐温性能较好。
无人机复合材料结构件的制造方法主要有热压罐成型、真空袋成型和模压成型。
图36 热压罐成型工艺辅助材料装袋
来源：复材应用技术
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