1 碳纖維在飛機結構中應用

 

　　飛機結構分為主要結構(primary structure，又稱初級結構)和輔助結構（secondary structure，又稱次級結構)兩大類。其中初級結構包含重要結構和其它主要結構。重要結構指傳遞飛行、地面或者增壓載荷的關鍵結構件或者關鍵結構組件，結構件一旦失效，將導致飛機災難性事故。

 

　　次級結構僅傳遞局部氣動載荷或者自身質量力載荷的結構，結構失效不影響結構持續適航性/飛行安全。大多數次級結構主要作用為保證飛機氣動外形、降低飛行。飛機主要結構和輔助結構主要結構如圖1所示。
 

 

圖1 飛機初級、次級結構主要組成

 

　　碳纖維在飛機結構件中先是作為次級結構件應用，而且一般用量也不高，后續碳纖維性能穩定和提升，開始逐漸用于航空飛機的初級結構，碳纖維在飛機中初級、次級結構應用實例分別如圖2、圖3所示。

 

圖2 碳纖維在飛機初級結構中應用

 

圖3 碳纖維在飛機次級結構中應用

 

 

　　碳纖維復合材料在軍機應用比例逐漸增加（圖4），如歐洲臺風戰機碳纖維復合材料用量已占總重50%左右。碳纖維復合材料在軍機應用轉折點發生于上世紀70、80年代，由美國原麥道公司（現波音/Boeing）研發的F/A-18系列戰機。

 

　　1976年原麥道公司率先研制了F/A-18的復合材料機翼，碳纖維復合材料的用量次超過10%，后續通過進一步采用自動鋪絲技術為FA-18E/F制造CFRP的12塊機身蒙皮，10塊進氣管蒙皮，4塊水平尾翼蒙皮，碳纖維復合材料用量也突破20%。目前國外軍機上碳纖維復合材料用量約占機重20%~50%。
 

 

圖4 碳纖維復合材料在軍機中用量

 

　　目前碳纖維復合材料在波音787和空客A350商業民用飛機中用量也達到50%及以上（圖5）。在波音B787飛機中，碳纖維復合材料已廣泛應用在機翼、機身、垂尾、平尾、機身地板梁、后承壓框等部位。波音787是個同時采用碳纖維復合材料機翼和機身的大型商用客機。

 

圖5 碳纖維復合材料在民機中用量

 

　　碳纖維復合材料在軍機、民機中應用研究均始于上世紀70年代（圖6），在上世紀90年代軍機中碳纖維復合材料應用比例大幅度增加后，國外主要公司開始考慮在商用飛機中逐漸增加碳纖維復合材料用量。2000年前后軍機中碳纖維復合材料用量接近30-40%，此時商用飛機中碳纖維復合材料用量仍在10%上下徘徊。
 

 

圖6 碳纖維復合材料在軍機、民機中應用發展

 

 

　　美國波音和歐洲空客作為的兩大商用民機生產商，關于碳纖維復合材料在民機應用開展了大量研究和實際應用，美國波音飛機中碳纖維復合材料應用發展可以參讀公眾號前期文章《東麗碳纖維在航空領域的應用》。本期則主要介紹歐洲空客飛機碳纖維復合材料應用發展史。

 

　　自上世紀70年代，歐洲空客飛機便開始碳纖維復合材料應用研究，如當時A300飛機在天線罩、整流罩等結構件中次采用了碳纖維復合材料，隨后幾十年，空客飛機不斷增加飛機中碳纖維復合材料用量，目前碳纖維復合材料可用于飛機主機翼、機身等結構件加工。
 

 

圖7 碳纖維復合材料在歐洲空客飛機中應用

 

　　經過數十年研發，目前歐洲空客飛機用碳纖維復合材料成型加工及應用技術日臻成熟，以圖8空客A380飛機為例，其后機身所有蒙皮壁板19段，22%的機身重量是碳纖維復合材料，尤其翼盒，總重8.8噸，碳纖維復合材料用了5.5噸，比金屬材料減重達1.5噸，其燃料經濟性相當可觀。

 

圖8 空客A380飛機中碳纖維復合材料結構件