讨论·再议CR929机翼的问题
图1. 单通道、窄体客机机翼
图2. 双通道、宽体客机机翼翼盒
机翼翼盒由上下壁板、前后梁、翼肋、接头组成，它是主要受力结构件。其中除翼肋和梁上的接头是金属件外，壁板和梁全是用先进复合材料制造的（图1.、2.）。
复合材料翼盒关键是，制造上下壁板、前后梁4个组件。目前制造这4 个组件有下列几种方法：
一. 俄罗斯MC-21机翼壁板制造工艺
1. 使用干纤维带。干纤维带是在碳纤维无捻纱带两面包覆一层薄热塑性树脂膜，然后卷成材料筒（图3.）。热塑性树脂膜作用是在铺放干丝带时，保证激光加热焊接使上下层结合为一体。固定带中碳纤维，不致散开。干纤维带背面无隔离带（背衬）。
图3. 干纤维带
2. 使用自动铺丝机（AFP-Automated Fiber Playing），将干纤维带铺放到模具上。模具是凹模。凹模表面是机翼外形，即气动表面。
3. 在铺放干纤维带蒙皮的内表面放置、定位碳纤维长桁。
4. 连模具一块进入热灌注自动化中心(TIAC-Thermo Infusion AutomatedCenter)。它是一个集成的树脂注射系统(注射模块)和烘箱(加热模块)，通过互连的计算机软件，使注射灌注基材树脂过程自动化。工序需要8-10小时。热灌注自动化中心内温度可达270°C，误差控制在2°C。灌注的基材树脂是，苏威（Solavy）公司的增韧环氧树脂PRISM®EP 2400。
5. 接下来是复合材料制造的通用工序：C扫描无损检测、修剪、划线、钻孔、切割。在再进入装配型架中，组装翼盒。
二. 庞巴迪C系列机翼壁板制造工艺
庞巴迪使用的是干碳纤维无卷曲织物( NCF-Non CrimpFabric )，树脂转移注射(RTI -Resin TransferInfusion) 工艺。
干碳纤维无卷曲织物是一种工程织物，由多层或缝在一起的纤维组成。使用最多的是双轴、三轴和四轴织物，其中纤维束是直的，并且有不同的方向(0,45,90度)，以提供多向性能(图4. )。
图4. 干碳纤维无卷曲织物-NCF
树脂转移注射( RTI )工艺是庞巴迪的专利技术。用于制造机翼壁板的主要特点，参见图5。主要工序：
1. 在蒙皮模具 (图5中的1)上铺放干碳纤维无卷曲织物（NCF），形成机翼壁板蒙皮。（此图中未示出）
2. 在铺好的蒙皮上，放置、定位干碳纤维无卷曲织物长桁和长桁模具（图5中的3）。
3. 盖上柔性带（图5中的2）。柔性袋是一种用针织物增强的聚丙烯酸材料，可以向任何方向延伸，但同时具有柔软区域和半硬区域(用固化复合材料增强)，共同为树脂完全湿润所有纤维开辟了一条通道。采用真空压力将Cytec 890 RTM环氧树脂柔性带内。真空压力最高可达14psi。树脂注入温度80°C。（注入树脂时热压罐内不加压）
4. 在热压罐中固化。温度180°C，2小时，压力100 psi（7大气压）。
5. 接下来是复合材料制造的通用工序：C扫描无损检测、修剪、划线、钻孔、切割。
图5.树脂转移注射( RTI )示意
三. 波音、空客宽体机翼壁板制造工艺
波音787、空客A350-900机翼蒙皮，是由自动铺带机（ATL-Automated Tape Laying）将预浸树脂的单向带（Prepreg UD），铺放在机翼蒙皮模具上。
波音777X、空客A350-1000机翼蒙皮，是由自动铺丝机（ATL-Automated Tape Laying）将预浸树脂的碳纤维无捻纱带（Prepreg slit tape）铺放在机翼蒙皮模具上。不同的是波音777X用38.1毫米的宽带，空客A350-1000用的是12.7毫米的窄带（图5、6）。
蒙皮铺放好后，在蒙皮上放置、定位预浸树脂的长桁。
接着连同模具一块，进入热压罐中高温、高压固化。固化温度180°C，固化10小时。
波音787机翼壁板固化用的热压罐，直径8米、长度40米。
波音777X机翼壁板固化用的热压罐，直径8.5米、长度37米。在新建的复合材料机翼厂房内,安装了3台。
图5. 波音777X机翼用的自动铺丝机和复材宽带（黄色是背衬）
图6. 空客A350机翼用的复材窄带
四. 工艺对比、分析
1. MC-21和C系列机翼壁板，都采用干碳纤维。前者是用干碳纤维带（slit tape）制造结构件，其中的碳纤维全都参与承受外力。结构件的重量轻。是一种较新型的材料形式。
无卷曲织物的厚度是等效干纤维带的2 - 4倍，宽度是干纤维带的若干倍，能够更有效地铺放。它事前精密裁减，减少出错的几率。但织物有部分纤维不参与受力，制成的结构件相比较重。因此，C系列机翼壁板追求的是零件集成、减少零件数量。目前，大多数机身球面框用此材料（如，A380、A350、波音787）。
2. 注入树脂和固化。
MC-21是用热灌注自动化中心(TIAC)注入基材树脂，然后在此设备中固化。完成工作需要8-10小时。它是第一个不用热压罐固化（OOA）的机翼壁板。热灌注自动化中心(TIAC)它也是首次在民机制造中使用。
C系列是在热压罐中，完成注入基材树脂。紧接着升温度、加压固化。罐内温度180°C、压力100 psi，固化2小时。
灌注树脂要保证重复 制造在材料中的含量和均匀，还是有一定难度。它适用于中、小型，结构不复杂的结构件。庞巴迪的C系列飞机并入空客公司后，现改名为A220。他开发的、有专利的树脂转移注射( RTI )技术，将提供给空客公司，用于下一代新型号单通道、窄体飞机，制造复合材料机翼。
在热压罐中加压固化，西方有较长期的使用经验和大量的数据积累。庞巴迪在研制在研制“利尔-85”喷气公务机中，机身使用非热压罐（OOA）固化。机翼使用C系列同样的工艺。在热压罐中注入树脂，并在热压罐中固化（RTI）。庞巴迪认为，烘箱固化周期可达3 - 8小时，在高压罐中可不到2小时。
3. 空客A350-1000和波音777X制造机翼壁板使用的，预浸树脂碳纤维无捻纱带（Prepreg slit tape）、自动铺丝机（AFP）铺放、热压罐中高温、高压固化，是当前最先进、最成熟的材料和工艺。它已经被定义为“第4代复合材料机翼技术”。
3.1 预浸纤维带实际上是将干纤维带的灌注树脂的工作，转嫁给复合材料制造厂。相对这部分成本也转嫁过去了。另外，预浸纤维带的树脂加入工作，技术含量高（东丽采用“固体”浸渍树脂？）。加入的树脂重量和均匀程度都有严格要求。因此，预浸带比干带价格高。
使用预浸纤维带，能够在重复使用中保证材料中树脂与碳纤维的重量比。特别对制造大型结构件，容易保证树脂的均匀分布。另外，在制造车间里少有化学物质的挥发物。
一般来说，干纤维带是没有寿命限制。可无限期使用。预浸带就得按树脂的要求，保管、使用。增韧环氧树脂基材室温下；黏滞度寿命10-15天；外置寿命30天；-18°C环境中保存期12个月。
使用预浸纤维带铺放的自动铺丝机（AFP）,近年来也有长足地发展。有的一次可铺放32条窄带。有的一次可铺放20条宽带。干纤维带所用的铺放设备发展缓慢。
3.2 树脂固化是一个分子交联过程。它只需要特定的温度和特定的时间。交联过程并不需要压力。在热压罐中的高压，是为了压实材料，提高碳纤维在材料中的体积率。确保树脂中有稳定、可靠，重复一致的最小空隙率。机翼蒙皮和梁固化所用热压罐，是一个庞然大物（见前面的尺寸数据）。它的制造、安装和使用费用，十分昂贵。进罐固化时间10小时左右。在热压罐中高温、高压进行固化，西方有长期使用的经验和丰富的数据积累。为了确保重复 制造主要受力结构件，质量，性能一致、可靠。仍然使用热压罐。这里注意的是用热压罐，对机翼来说仅上下蒙皮、前后梁这4个零件。前缘襟翼、后缘、襟翼、副翼、7个扰流板，都不使用。波音、空客谙熟民机作为商品，在市场上的运行规律。在控制制造过程中的成本，是不遗余力的。如果能不用热压罐，他们绝不会使用。特别受启发的是，波音777X复合材料机翼，由波音自己在美国本土制造。为制造上下壁板蒙皮和前后梁，这4 个零件，在新厂房里安装了3台，直径8.5米、长度37米的巨型热压罐。庞巴迪制造C系列飞机，机翼也还是用热压罐固化。
热压罐固化需要10小时，是生产流程中的瓶颈。这是对它诟病之一。但一般都忽视了，比787、A350机翼小的多的MC-21的机翼制造过程中，蒙皮注入树脂加上固化也需要8-10小时。
五. 结论
通过以上分析、论述，现MC-21的复合材料机翼技术，不适合用到CR929机翼上。
MC-21是第一个窄体客机复合材料机翼，不用热压罐固化的民机。它虽然已经在取证试飞了。但在强度试验中，结构加强致使重量增加25公斤。这不得不再次充实，不适合的结论。如果坚持用在比它大的多的CR929上，势必还要做大量的试验。这既要花时间，又要有巨资投入。项目总安排能允许吗？
总之，CR929是一个制造商品飞机的项目。它不是科研项目。
附：名词解释
1. MC-21、C系列飞机与我国C919同属单通道、窄体客机。
2. 基材树脂（Matrix）,它是碳纤维复合材料中的树脂部分。是依一种树脂为主，添加入其他材料的混合物。如，用于制造受力结构件的环氧树脂基基材，是在环氧树脂中加入固化剂、增塑剂、和其他功能材料，组成的高分子化工产品。文中PRISM® EP 2400、Cytec 890 RTM均是环氧树脂基基材，是原Cytec(氰特)公司的产品。
3. Slit tape翻译成“碳纤维无捻纱带”。它是未加捻的碳纤维拉直、压平，不再经纺织的带子。国内有叫“散纱”或“散纱带”。
4. OOA(Out of Autoclave), 不用热压罐固化。
5. Solavy(苏威),是一家总部设在比利时的老牌化学公司。2015年收购了主要生产民机复合材料的Cytec(氰特)公司。
注：文中图片、技术数据来自互联网。本文仅对个别图片修改或添加文字。
