重磅·CR929机翼的问题_复合材料_航空_材料_控制

重磅·CR929机翼的问题

本文是杨超凡研究员原创于2019年2月15日，已获授权发布。

CR929复合材料机翼由俄罗斯设计、制造。项目正式报道，俄罗斯准备用MC-21的复合材料机翼技术。MC-21和C919同属150座级、单通道、窄体客机。而CR929是300座级、双通道、宽体客机。

MC-21的复合材料机翼技术是否能用于CR929，分析见下文。

MC-21是俄罗斯首次在民机机翼上使用复合材料的客机。

复合材料机翼技术，主要是两个方面：

材料，选用苏威（Solvay）的干碳纤维无捻纱带（slit tape）PRISM® TX 1100 和基材PRISM® EP 2400 增韧树脂；
工艺，自动铺放干碳纤维带、树脂灌注（液体成型技术）、不用热压罐，在高温炉中固化。

波音和空客的双通道、宽体客机机翼的材料和工艺：

材料，波音用东丽公司的预浸树脂的碳纤维无捻纱带（slit tape）T800S/3900-2B。空客用赫氏公司的预浸树脂的碳纤维无捻纱带（slittape）HexPly®M21E /IMA
工艺，自动铺放预浸碳纤维带、在热压罐中高温、高压固化。

用热压罐固化和不用热压罐固化，一直是复合材料制造受力结构件争论的焦点。用复合材料制造民机的结构件，平面投影尺寸都很大。再加上铺放工装尺寸就更大了。固化时，结构件和工装要一块进入热压罐。因此热压罐也要很大，波音787机翼壁板固化所用的热压罐，直径8米、长40米。制造、安装这样巨型设备费用不菲。使用时罐内要充氮气、被真空袋包裹的零件和工装，要抽真空、温度要保持在180℃（可达230℃）、压力达10个大气压。热压罐的使用成本很高。像787机翼壁板这样大的结构件连同工装，一次只能固化一件。罐内固化得10小时左右。一道固化工序要10个小时，严重地制约机翼的生产周期。成了机翼生产流程中的瓶颈。

目前所用的复合材料中的基材树脂，主要是用氨固化的多功能环氧树脂。树脂中加入了热塑性塑料和活性橡胶化合物，增加韧性。基材树脂的固化，实际是启动和完成交联反应。交联反应需要高温和一定时间。热压罐能提供基材树脂的固化所需的温度和保温时间。热压罐提供的高压和真空袋提供的辅助压力，主要是为了固化的结构件达到所需要的纤维含量（树脂与纤维比）和树脂无空隙。除其它因素外，提高纤维和树脂的比例和消除所有气孔，能够保证结构件最佳性能。

加温炉能提供基材树脂固化所需温度和保温时间。加温炉中也可用真空袋包裹零件，抽真空加压。但是不能提供三维均匀、大于10个大气压的压力。波音、空客为了在主要受力结构件上得到高纤维和树脂的比例和消除气孔，不惜花重金建造巨型热压罐。用热压罐固化的结构件有，机翼的壁板蒙皮和前、后梁。机翼后部和七个活动面均不用热压罐固化（目前固定前缘仍然用铝合金）。

波音新改型的777X复合材料机翼，壁板蒙皮和前、后梁仍然用热压罐固化。为此新安装了三台，直径8.5米、长37米的热压罐。

MC-21使用复合材料的实践，充分暴露了俄罗斯在航空复合材料技术的短板。最初宣布除了机翼使用复合材料，机身尾段也要用复合材料。为制造这段筒体机身，还向美国MAG公司购买了一台viper-3000自动铺放碳纤维纱带机（AFP）。这段机身后来还是用铝合金制造了。制造机翼的复合材料，最初选用东邦（Toho）一款性能接近T800的碳纤维；基材树脂选用氰特（Cytec）的Prism EP2400/BNCF。

MC-21原型机翼是由奥地利的FACC公司，协助研制出来的。使用的碳纤维是苏威(Solvay)公司的PRISM® TX 1100干碳纤维无捻纱带。其实这其中的碳纤维，就是原氰特（Cytec）公司的碳纤维。他生产的一系列牌号的碳纤维，没有一款其主要性能达到T800的数量级。因此，当初庞巴迪研制CSeries110/130客机，复合材料机翼用的碳纤维，就没有选他的。

干碳纤维无捻纱带（slit tape）就是没有预浸基材树脂。为了保持纱带不分离，在纱带两面涂有薄薄一层热塑性树脂膜。这种干带可以常温保存、运输。

波音使用的是东丽复合材料公司，在T800S宽度、厚度有严格尺寸公差要求的无捻纱带（slit tape）上均匀加入、重量严格控制的基材树脂3900-2B，成为预浸树脂的预浸料。预浸料的基材树脂处于半固化状态的B阶段。故又称之为半固化片。预浸料要在-17℃的环境中，保管、运输。这种材料在保管过程中，还有寿命期的限制。预浸料虽然成本高，但它能保持复合材料的一致性和可重复性。

综上分析，得出结论：

MC-21干纤维带中碳纤维主要性能达不到T800量级；
MC-21树脂灌注工艺，达不到预浸料保持复合材料的一致性和可重复性；
树脂灌注工艺，生产现场有挥发气体。使用预浸料可不考虑；
高温炉固化工艺，不如热压罐固化可得到稳定的、高的纤维与树脂比；以及有效地消除树脂中的空隙；
预浸纤维带、热压罐固化相比干纤维带、高温炉固化，综和成本要高的多、技术复杂程度也高的多；
目前，MC-21机翼使用的干纤维带、自动铺放、灌注树脂、高温炉固化，多用于次要受力结构件。预浸纤维带（半固化片）、自动铺放、热压罐固化，用于主要受力结构件。

所以，MC-21的机翼复合材料技术，不适合用于CR929的复合材料机翼。

深思的问题：

MC-21强度试验当加载到95%时，对机翼进行加强。为此，机翼增加重量25公斤。虽然影响机翼强度的因素，是多方面的。但对这种材料和工艺，第一个用于150座级、单通道飞机机翼，总有些不放心。

CR929是民机，它是商品。研发一个新商品，总得要和市场上同类商品比较吧！CR929出世后，它面对的是波音787和空客A350。

用MC-21复合材料机翼技术，来制造CR929的机翼，将来的飞机能与787和A350竞争吗？直接用MC-21复合材料机翼技术，对俄罗斯来说，大大减少了预浸料、热压罐等的巨额投资。

由此，不得不担心俄罗斯是否真心合作。

附件: 俄罗斯最近新推出的飞机（现能查到的）:

大型货运飞机 Slon( 大象 ) 4发；

IL-112V 军用运输机，双螺旋桨；

IL96-400M 4发、宽体客机；

STR-40DT 19座双发涡扇发动机；

A-100 预警机（新研制）

来源：碳纤维生产技术