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商用飛機復合材料

  那些數十年前用塑料組裝比例飛機模型的男孩,現在也在為真正的全尺寸飛機做著同樣的事情。隨著復合材料占到新飛機重量的50%之多,這意味著金屬在機身 材料中占支配地位的歷史行將結束。這種趨勢在商用飛機領域尤為突出。文本中,我們將回顧幾個引領這一領域復合材料發展的旗手。
  位居前排的是波音公司及其已經成功投入運行的B787夢幻客機,以及近服役的空客的A350WB。兩種機型基本上均為金屬與復合材料各占50%。
  夢幻客機
  在經受了充滿曲折的開發階段后,服役初期又碰到了諸多麻煩問題。波音的革命性新型客機已經在客戶航線網絡中站穩腳跟。作為這類大小和承載能力(約300座、9種型號)的機型中重量輕的飛機,碳纖維使用在787 的各位部位,包括:機身、翼盒、帶整體式縱梁的翼板、斜削式小翼、尾錐、水平及垂直尾翼、控制翼面、內部耐壓艙壁、地板結構、某些發動機部件和各種整流罩。
  采用纏繞筒段式機身是具有革命性的方面,也是次為商用航空公司所采用。2009年12月的處女航之后,2011年開始787在全日空(ANA)服役。
  現在,已有270多架夢幻客機交付使用。該機型為數十家航空公司創造著利潤。客戶對性能和燃油經濟性的積極反饋推動飛機訂單增至1184架(至本文撰寫時為止)。為了滿足巨大的市場需求,波音去年努力交付了114架,2016年底計劃完成12架/月,2018年14架/月。今年底,該公司計劃兩條主要生產線實現合理化生產。一條在西雅圖的Everett,另一條仔南加州的Charleston。屆時,波音應該已經關閉第三條臨時應急生產線,從而降低單位生產成本。
  訂單量如此之大,每架飛機平均需要23噸碳纖維增強復合材料。因此,毫無疑問,東麗(Toray)集團作為這一廣泛供應鏈的主要參與者,感到有必要在查爾斯頓(Charleston)開設一家新的碳纖維工廠。其他供應商也在投資,但前提是必須能滿足波音需求增長的步伐。舉例來說,Spirit AeroSystems 投資了1 億美元,用于自動化生產,以便能夠以合適的速度生產主要結構件,不僅包括為B787平臺,同時也為其它平臺,包括夢幻客機歐洲競爭對手空客A350服務。
  美中不足的是,波音交付的B787機隊在早期于各地服役期間,大多數飛機著陸時電池會出現問題,但波音對此沒有一個令人滿意的解釋。鋰離子電池用于啟動過熱、熱失控、甚至燃燒的輔助動力單元,但此后進行了修正,以確保至少遏制問題的再次出現,并不會擴散到相鄰的結構。
  發生問題的這個延伸式供應鏈是波音公司計劃用于787 的商務模式的一部分。這一故障促使Airframer 將原先外包加工的功能拿回來自己生產,以確保質量得到有效監督。
  其它問題還包括燃油泄露、電氣問題和軟件故障。不幸的是,適值波音B787開發之際,社交媒體正好興起,每一項挫折都會得到廣泛的傳播。現在,這些問題的大多數已得到克服,起飛可靠性上升到了98%,目標是99%以上,好是達到波音B777 機隊所達到的99.5%。同時,進行飛行測試的機隊中的一架飛機已經成為博物館收藏,在西雅圖航空博物館中展出。
  A350
  歐洲競爭機型空客A350 XWB雙通道寬體(超寬體)飛機,與波音的飛機相似,復合機翼、機尾、機身及其它主要航空結構件也采用了一半的塑料。整體材料將近50%為復合材料、20%為鋁、15%為鈦、10%為鋼鐵,5%為其它材料。這些A350家族有三種機型:800、900及1000(圖1)。
      
  圖片1. TAM 航空公司——有望成為美國采用空客新一代寬體飛機的航空公司,其架A350-900 客機,已經在法國圖盧茲進入后組裝階段。
  空客對用復合材料制成機身的解決方案沒有波音那么激進,它基于附著在飛機副框架上的一個大型面板,而不是整體纏繞筒段式機身。在埃塞俄比亞航空公司的夢幻空客發生火災那么大規模的維修服務時,就可以看出優勢。那次事故發生于兩年前,飛機幸運地著落于倫敦希斯羅機場,機身遭受了大面積的破壞。理論上,可以通過取下對空客機身產生影響的面板,在專業的復合材料設施中進行修復即可。
  A350WB(機身可以并排放置10張椅子)航于2013年6月,2015年1月在卡塔爾航空公司進行服役。該航空公司近驗收了第三架飛機。總訂單達到80架左右。5架A350原型機在全面的飛行測試計劃中得到運用,并由歐洲航空安全局(EASA)于2014年9月認證,兩個月后得到了聯邦航空管理局的認證(FAA)。
  盡管因阿聯酋航空公司取消70架的訂單而受挫,但現在,總訂單量已將近800架。幾家美國航空公司也屬于此類機型的擁躉者。要在航空公司可以接受的規定期限內交付這樣大的訂單量,需要空客能像波音一樣,成功提高產量,到2018年,每月至少生產10架。據Airframer介紹,今年底將交付17架。為了滿足這個時間表的要求,空客將對10個工廠進行投資,來生產復合材料結構。
      
  圖2. 2010 年5 月,漢莎航空迎來了架A380 飛機,從而成為該機型用戶,同時也是第五家訂購該飛機的航空公司。
  這包括在的一家復合方向舵廠、西班牙伊列斯卡斯(Illescas)的一家機身廠,以及威爾士的布勞頓(Broughton)一家投資7.6億的擁有先進技術的機翼生產企業。只要合適,空客都會采用先進的技術,包括增材制造(3D打印),其中的一個例子是采用Ultem 9085樹脂作為基體材料。
  超級巨型飛機
  上大的客機空客A380雙層機型在本世紀初經歷了幾年的孕育,并以金屬材料為主。即便如此,該機型也含有20%的復合材料,主要包括機身前端用塑料/ 金屬復合GLARE(玻璃及鋁材增強環氧復合材料)面板。這種希望綜合利用兩種材料的優勢,同時使結構更堅固,并節省機架重量的想法迄今沒有在其它地方得到大量應用,因為該技術已經因“純”碳復合材料受到歡迎而被放置一邊。
  自2005年航后,150多架A380被交付使用,很多是東方的航空公司(僅阿聯酋航空公司就訂購了140架),還有162架在手的訂單等待完成。投資15年、服役8年后,該機型已經從因空客公司造成虧損走向持平。今年該公司每架交付的飛機有望比其邊際生產成本創造更多利潤。
  波音雖然沒有大小相似的超級巨型飛機進行競爭,但通過成功推出新版本的B777雙發動機寬體機型進行了回應。而且,為了提高與空客A380和A350-1000的競爭力, 新的400座B777X延長雙發動機客機與原來的“三七”機型相比,極大地提高了復合材料的用量。尤其是在新的低重量、具有高效空氣動力學特性的復合機翼上,更是如此。另外,該飛機采用了兩臺通用電氣的GE9X發動機,發動機葉片用碳環氧樹脂制成,形狀得到了優化。總體上,B777X的復合材料含量約為12%。
  計劃于2017年進行航,次年交付架飛機給漢莎航空公司。漢莎航空公司為長途飛行機隊訂購了20架,但同時為了分散風險,另外訂購了25架空客A350。加起來,B777X到目前為止已經獲得了將近300架訂單,包括阿聯酋訂購的150 架。
  龐巴迪C 系列
  當加拿大企業龐巴迪決定推出150座支線噴氣機,以擠進由空客、波音兩家分別以A320和B737機型壟斷的低端航空市場時,該公司知道,它將不得不推出某些激進的措施。但是,這種激進主義對于發動機與復合材料的倚重是相當的。為了實現降低20%燃油消耗的目標,該公司選用了由發動機制造商普拉特? 惠特尼(Pratt & Whitney)集團公司生產的新型發動機結構。渦扇發動機前端的大型葉片以佳空氣動力學速度通過齒輪箱驅動,而不是現有發動機那種以非優化速度由壓縮機直接進行軸驅動。
      
  圖3:埃弗雷特(Everett)波音787 工廠。
  采用兩只純電力P&W 1500G齒輪傳動渦扇發動機的C 系列原型機,于2013年9月飛。盡管開發中有幾項不足,從著陸和飛行測試來看,合作伙伴初的高風險解決方案有望成功,C系列飛機有可能實現其所承諾的性能。復合材料在該機型中得到了應用,這主要是通過保障減輕飛機結構的重量來實現的。在激進的發動機解決方案上下注后,龐巴迪通過避免復合材料機身來平衡了這一風險,代之以用金屬生產這一關鍵的受壓結構,盡管材料是超輕的鋁- 鋰。但是,增強塑料機翼、水平機翼、控制表面和其它主要部件等已經在其它飛機上得到檢驗的技術,也被決定用于C系列機型。龐巴迪已經在復合材料方面取得了大量經驗,開發了全復合材料型Learjet 85商用飛機,盡管該項目由于飛機制造商將資源投放到C 系列機型,以推動其投入使用而被擱置。
  考慮到C系列理念的先進性,許多航空公司也推遲了下達訂單,以等待性能方面出現積極的信號,但是繼一些優良的飛行測試結果出來后,有跡象表明這種情況在發生轉變。去年秋,Lessor Maquarie簽約訂購了40架龐巴迪CS300,另加十架可選。近漢莎集團分支機構瑞士國際航空公司宣布,訂購30架120座CS100機型,成為該機型的客戶。該機型屬于兩種里面較小的一種。龐巴迪現在有六架飛行了1600小時的飛機。公司總裁Fred Cromer不久前告訴記者:“飛機的性能和我們期望的完全一樣。”他說這個性能特征在現實中已經得到了體現,并指出,“以前只能算是理論上的推廣。”
  他預計,隨著飛機性能指標越來越得到確認,C系列項目的前景會越來越好。該機型6月份在巴黎航展上展出,并于有望于近期獲得適航證書,2016年開始服役。
  對于在這個項目中一直神經繃著的人,包括那些供應鏈上的人們來說,這絕對是一個佳音。現在這種革命性的噴氣機已獲得20多家客戶250架左右的訂單(圖4)。
      
  圖4:為波羅的海航空公司運營的CS300 飛機。
  來自東方的競爭者開發一種可行的噴氣客機并獲得成功,是覬覦掌握的技術盛宴。因此毫不奇怪,為什么會有從東方來的競爭者試圖加入當前主要由西方參與者主導的這種主要航空聯盟。
  憑借復合材料含量占10%-15%的伊爾庫特 MC-21中程窄體飛機和蘇霍伊制造局(Sukhoi Division)制造的超級100型客機,可以說,俄羅斯聯合航空公司接近“席”的位置。人們對后者寄予了厚望,因為該機型可以通過無線控制飛行,并含有大量的復合材料,包括樹脂融合型機翼。旨在滿足西方標準,并采用了一系列西方體系的這種100座飛機成為市場有力的競爭對手,其影響力不只局限在俄羅斯的勢力范圍呢內。
  在開發過程中,像波音預期的一樣,在2000年后,該機型于2008年5月航。2012年EASA 發放適航許可之后,2013年開始在Aeroflot和墨西哥的 Interjet公司服役。2013年,在印尼的一次飛行展示中發生了致命的墜機,而且服役早期的技術問題也損害了這個項目。但是,Interjet對于SSJ100的服役情況給予了積極的反饋。該公司大約訂購了300架該機型的飛機。蘇霍伊民用航空公司和意大利合作伙伴Alenia Aermacchi在巴黎航展上展示了超級100型客機。
  擁有150-181座的大型飛機MC-21配有復合材料機翼,該機翼在伊爾庫特設在烏里揚諾夫斯克州的新航空復合材料中心制成,同時還配有P&W 雙純電力驅動PW1400齒輪傳動渦扇發動機或者Aviadvigatel PD-14渦扇。該支線飛機于2015年底全面推出,并計劃于2017年航。有175架飛機的訂單已經確認,另有75架承諾訂單。伊爾庫特聲稱,作為現在無處不在的空客和波音窄體飛機的變體,MC-21會比A320neo或B737 Max雙發動機飛機的燃油經濟性高10%。這個十年中的后期,我們就能知道實際性能是否支持這種說法。
  日本也在對西方窄體飛機的領地進行挑戰,三菱的70 座或90 座支線客機(MRJ)有兩種機型。盡管三菱航空公司拋棄了原來所設想的大部分飛機結構采用復合材料的計劃,表示重量節約對于這種中型飛機所投入的時間和成本而言,并不經濟。按照生產標準,采用了10-15%的復合材料,主要是水平機翼部位和可移動的表面。與材料供應商東麗Toray合作開發的真空輔助樹脂傳遞成型技術,用在了尾翼的主要部位。但是,機身其余部分主要采用了鋁材。
  項目延遲無疑降低了日本所期望的競爭力,但是,以P&W 齒輪傳動渦扇發動機為動力的MRJ 現在正從開發階段走向商業化生產。目前有幾架測試用飛機正在建造中,其航在2015年底進行。已有223 架確認訂單,批客戶ANA 有望于2017年投用。另一家瞄準支線客機領域的飛機是的C919(圖5)。商用飛機有限責任公司公司(COMAC)近完成了其架160座飛機的機身制造。早期準備在主要結構大型部件中采用復合材料的計劃再次遭到了放棄,繼而用鋁代替,以盡可能降低計劃的推遲。而且,復合材料被廣泛適用于水平機翼部分,及其可移動的結構部位,反映了上世紀90年代西方飛機的一種流行的做法。進展推進得較慢,主要是想滿足西方的認證標準。但龐巴迪也在幫助來達到那些國際航空作業要求。現在收到了大概450架訂單,主要來自本土航空公司和航空租賃公司,只有20架( 通用電氣金融航空服務公司[GECAS])來自海外。COMAC希望各種獲得各種許可證,非本土訂單總量可以增加。
      
  圖5:COMAC 919,版權歸商用飛機有限公司所有
  同時, 稍小型( 多105座) 的ARJ21(ARJ 代表了先進的支線客機)航于2008年,是第二個支線客機項目。該飛機主要采用金屬材料制成,復合材料的占重比較少。經過幾年開發延遲后,生產架飛機于2014年6月飛行,并于當年12月獲得根據民航局規定的型號許可證,掃清了向客戶成都航空公司交貨的道路,但西方機構的認證尚需等待。
  顯然,空中乘客們越來越多地乘用復合材料制成的飛機,同時很大程度上并沒有意識到,航空塑料的革命讓他們以更加節省燃油的方式保持在空中旅行。其它等級的飛機,如軍用、商用飛機、娛樂型飛機,(“無人駕駛飛機”未命名的空中快車或UAV)、直升機、滑翔機等,基于同樣的原因:為了實現輕量化,從而節約對燃油的消耗需求、減少排放,也在走向“塑料化”。但是,考慮到商用飛機尺寸規模之大,加上服役數量和訂單數量的龐大,該領域受到與未來復合材料相關的挑戰,即在飛機服役壽命結束后,如何回收或處置遭到廢棄或拆解的碳纖機架這類難題的影響大。
  隨著一些復合材料用量很高的飛機已經步入平均25 年服役壽命這一階段,不久的將來,這一難題就將凸顯。同時,通過積極加強與金屬的合作,復合材料將繼續幫助削減飛機運營成本和相關的環境污染,并延長飛機壽命。
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