加快國產民機材料創新

　　隨著科學技術的發展，現代飛機相關的各類技術也隨之不斷進步。對于大型客機而言，航空公司對飛機的安全性、經濟性、舒適性和環保性等方面的要求在不斷提高，航空工業也在盡可能地壓縮制造每一架飛機的時間成本。在這樣的背景下，傳統的材料已經不能再滿足航空業的要求，經過研究與創新，航空人開始利用復合材料來設計與制造飛機。如今，與電傳操縱或飛機上的其他部分的發展歷程類似，復合材料的應用率也逐步在一代代的飛機上增大。
      
                                                    復合材料制造中的自動鋪絲設備
　　當前，復合材料用量占飛機機體結構的比例無疑已成為衡量飛機先進性的重要指標。上月在鎮江舉行的屆民用飛機復合材料技術國際論壇上，來自工程院、商飛公司、航空工業集團公司、航天科工集團公司等10家國內單位和來自加拿大龐巴迪、英國吉凱恩、德國氰特等9家國外知名企業院士、專家、學者等近百位業內人士齊聚一堂，圍繞“低成本復合材料技術在寬體客機上的應用”主題，立足“材料-設計-分析-工藝-檢測-維護”等議題展開多維度、全方位、深層次的技術研討。
　　從0到53%的飛躍
　　與傳統飛機上使用的鋁合金材料相比，復合材料不僅重量輕、強度好、勁度高，還耐熱、耐腐蝕，同時又有很好的抗疲勞性。然而，在復合材料剛引入航空工業界時，由于對其特性缺乏了解及信心，初只限用于整流罩等非承力結構件。
　　先進復合材料的發展，始于20世紀60年代對纖維絲及層合板的研究，當時美國不遺余力地對復合材料結構零件的設計與制造進行大力研發。由于其優異的減重性能，復合材料開始用于飛機的次承力結構上。到了20世紀90年代，復合材料已能與金屬結構件相互搭配用于主承力結構件上，但僅限于小尺寸結構。這是因為制造大型復合材料結構件所需的大型熱壓罐成本非常昂貴，在成本因素考慮下，復合材料一直無法大量應用于航空工業界。
　　空客是家在大型民用飛機上廣泛采用復合材料的飛機制造商，率先使用碳纖維增強型復合材料替代金屬材料。與傳統的飛機材料相比，碳纖維增強型復合材料有強度高、質量輕、抗腐蝕和具有超級耐久性等優勢。對于航空公司，這意味著一架高性能的飛機，重量輕，有較低的維護和使用成本。
　　A310采用了復合材料垂尾盒，這款飛機的復合材料用量不到5%。之后的A320則采用了全復合材料尾翼。A380的翼盒主要由碳纖維增強型復合材料制造，比鋁合金可以減輕1.5噸的重量。
　　A350WB是迄今為止被認為復合材料用量占全機結構重量比例大的一種客機，其復合材料結構重量占全機結構重量53%，超過了波音787復合材料結構重量比例的50%，并且次實現了復合材料的用量超過了金屬材料。
　　提升復合材料利用率
　　新材料的開發并不是一件容易的事情。據德國氰特工業公司航空航天材料分部業務發展戰略總裁蘭斯·帕索（Lance Parcel）介紹，一種新材料完成研發、生產、應用全過程可能需要10年時間，花費1.5億美元。如今，經過幾十年的發展，復合材料的制造工藝愈發成熟，在飛機上的應用也日益廣泛。
　　數據顯示，復合材料的應用具有可使飛機結構減重10%至40%，結構設計成本降低15%至30% 。但高成本一直是阻礙復合材料大量應用于飛機上的原因之一。近些年，制造商們也開發了不少縮短復合材料生產周期、降低成本的先進技術。
　　據龐巴迪宇航公司工程副總裁科林·艾略特（Colin Elliott）介紹，龐巴迪C系列機翼的整體加筋壁板、翼梁制造采用了樹脂注入工藝的新型復合材料結構技術。在他看來，龐巴迪當前的樹脂轉移注入工藝（Resin Transfer Infusion，RTI）已接近FAA/EASA的適航認證要求。
　　當飛機產量大或要求制造精度高時，在復合材料制造工藝方面就更加需要自動化設備進入生產車間進行鋪層、切削加工、鉆孔及在生產線上進行檢驗。赫氏復材公司的勒南·福尼爾勒雷（Renan Fournier-Leray）表示，赫氏公司在研發樹脂材料的同時，也不斷改進其預浸料適應自動化生產需求，如自動鋪帶工藝（Automated Tape Laying，ATL）和自動鋪絲工藝（Automated Fiber Placement，AFP），降低生產成本。英國GKN 航空航天公司工程副總裁安德魯·克拉克（Andrew Clarke）博士認為在飛機設計制造之初，就應當將材料制造工藝的自動化考慮在內，這樣將更有利于飛機生產速率的提升。
　　讓科研成果“走出去”
　　實際上，我國復合材料的研制水平與發達相比差距還很大。北京大學工學院力學與工程科學系的研究員段慧玲分析，進行復合材料科學研究的時間還比較短，盡管一直在加速，但仍需要一個過程去趕上發達。同時，在復合材料研制的管理上還存在很多問題，很多材料基礎研究的成果沒有從實驗室里“走出來”，無法實現產業化。然而，一個產品從科研階段到實現產業化有很長的一段路要走。
　　段慧玲還指出，當前我國復合材料研制水平較低與我國制造業的落后與制造工藝水平低也有很大關系，但是要堅信，經過努力，會逐漸消除這個差距，實現從“制造”到“創造”的轉變。
　　事實上，國產大飛機C919的研制無疑帶動了我國碳纖維復合材料的發展。據了解，即將總裝下線的C919大型客機在復合材料研發、制造工藝、試驗驗證等方面開展了攻關，取得了不少突破性進展。
　　對于飛機運營商而言，復合材料的好處是飛機在運營期間不會有腐蝕和疲勞損傷等情況，但若受到外物撞擊，比如鳥撞，除了目視檢查外，還需進行額外的詳細無損評估，如采用超聲波/共振方法，并根據評估結果開展必要的修理。
　　商飛上海飛機設計研究院副院長、C919項目行政指揮韓克岑認為，復合材料在國產大飛機上用量的提升很大程度上依賴我國相關行業、專業的發展進步，不僅是結構，電子、機械行業，還包括后續使用過程中的航材派遣、修理、維護工作，需要從設計制造到修理維護形成一個完整的產業支持體系。
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