低成本復(fù)合材料公務(wù)機(jī)制造技術(shù)分析

隨著先進(jìn)復(fù)合材料及其加工技術(shù)的快速發(fā)展，在通用飛機(jī)制造領(lǐng)域，新型飛機(jī)開(kāi)始越來(lái)越多的使用先進(jìn)復(fù)合材料。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件憑借著良好的耐疲勞性能、減振性能、耐濕熱性能，以及具有較高的比強(qiáng)度，且易于維護(hù)修理等特點(diǎn)，逐漸被飛機(jī)制造業(yè)廣泛使用。而小型公務(wù)機(jī)和運(yùn)動(dòng)飛機(jī)越來(lái)越多地采用低成本制造技術(shù)，來(lái)推進(jìn)該類(lèi)飛機(jī)市場(chǎng)占有率（圖1）。


圖1　全復(fù)合材料公務(wù)機(jī)

國(guó)內(nèi)外復(fù)合材料飛機(jī)發(fā)展

目前，國(guó)際上主要的復(fù)合材料公務(wù)機(jī)有：賽斯納350及400飛機(jī)，其飛機(jī)結(jié)構(gòu)件、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件如翼梁、機(jī)身梁、水平安定面、操縱面等均采用碳/環(huán)氧復(fù)合材料無(wú)緯織物預(yù)浸帶經(jīng)手工鋪疊而成。西銳公司的輕型飛機(jī)SR20、SR22，也均為E玻璃/環(huán)氧復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，其翼梁采用了預(yù)浸帶經(jīng)手工鋪疊熱壓罐成型技術(shù)。鉆石飛機(jī)公司的DA20 Eclipse、DA40，以及雙發(fā)的DA42飛機(jī)，主要采用玻璃纖維蒙皮夾層結(jié)構(gòu)，最新推出的單發(fā)D-JET超輕噴氣飛機(jī)則大多采用碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。亞當(dāng)公司的超輕型噴氣機(jī)A700和A500飛機(jī)以及美國(guó)豪客比奇公司的“首相Ⅰ”，其機(jī)身結(jié)構(gòu)大部分是由碳纖維增強(qiáng)蜂窩夾心復(fù)合材料制成，相對(duì)于常規(guī)制造客艙容積增加13%。 123456

在美國(guó)，為了讓復(fù)合材料在通用航空中得到更廣泛的應(yīng)用，由飛機(jī)制造商、材料供應(yīng)商、大學(xué)、聯(lián)邦航空局（FAA）和美國(guó)航空宇航局（NASA）在先進(jìn)通用航空技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（AGATE）建立了可使用復(fù)合材料的數(shù)據(jù)庫(kù)，并由FAA核準(zhǔn)相關(guān)材料的技術(shù)細(xì)節(jié)，制造商們可以在可使用復(fù)合材料數(shù)據(jù)庫(kù)中選用材料，這樣就大大縮短研發(fā)周期，減少實(shí)驗(yàn)數(shù)量從而節(jié)約研發(fā)經(jīng)費(fèi)。

相比之下，中國(guó)通用飛機(jī)的發(fā)展就顯得比較緩慢，通用飛機(jī)用復(fù)合材料的使用也較少。截至2009年底，我國(guó)通用航空器只有900余架，其中固定翼飛機(jī)占82%，直升機(jī)占18%。目前，中國(guó)境內(nèi)運(yùn)營(yíng)的公務(wù)機(jī)數(shù)量不超過(guò)30架，僅為美國(guó)的1/600。

我國(guó)的通用飛機(jī)制造業(yè)還處于起步階段，其產(chǎn)業(yè)規(guī)模小、成熟度低，國(guó)家對(duì)低空的政策也相對(duì)嚴(yán)格，這些都大大制約了我國(guó)通用航空的發(fā)展。低空開(kāi)放后，通用飛機(jī)市場(chǎng)的發(fā)展才乘勢(shì)而起，呈現(xiàn)出熱鬧的景象。但我們面對(duì)的是國(guó)際上強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，他們有成熟的材料體系、先進(jìn)的制造工藝和生產(chǎn)管理技術(shù)，我們與之相比，差距很大。以中航工業(yè)通飛為代表的國(guó)內(nèi)通用飛機(jī)制造商要在公務(wù)機(jī)等通用航空市場(chǎng)占得一席之地，首要的任務(wù)是不斷采取更加先進(jìn)、更快速高效、成本更低廉的復(fù)合材料制造技術(shù)，以及更加精益、有效的生產(chǎn)管理技術(shù)，只有實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料公務(wù)機(jī)的低成本制造技術(shù)，才是打入通用飛機(jī)市場(chǎng)行之有效的唯一方式。

低成本復(fù)合材料公務(wù)機(jī)制造技術(shù)

實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料公務(wù)機(jī)的低成本制造，需要從材料、制造、成型工藝等方面考慮降低成本的對(duì)策。通過(guò)采用成本較低但又不影響性能的原材料；改善成型工藝，采用結(jié)構(gòu)整體成型；改善連接工藝等，都是降低成本可以探尋的方式。

相比傳統(tǒng)軍用飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件采用的熱壓罐工藝，公務(wù)機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件主要采用固化爐抽真空加溫成型工藝（簡(jiǎn)稱(chēng)固化爐工藝）是一種低成本的制造工藝。目前，中航工業(yè)通飛公司從以下幾個(gè)方面開(kāi)展了低成本復(fù)合材料公務(wù)機(jī)制造技術(shù)研究（圖2）。


圖2　整體制造成型的領(lǐng)航150復(fù)合材料機(jī)身

1 整體化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)成型工藝

為了實(shí)現(xiàn)公務(wù)機(jī)低成本輕量化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造工藝，工藝部門(mén)分析整體化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)工藝制造特點(diǎn)，確定了整體化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)成型工藝。整體成型技術(shù)是充分發(fā)揮復(fù)合材料優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)的高效、低成本技術(shù)。在滿足結(jié)構(gòu)總體性能要求的前提下，整體成型技術(shù)可將多個(gè)零件集成為整體結(jié)構(gòu)一次固化成型，降低了成型過(guò)程中的設(shè)備使用成本和工時(shí)。整體成型技術(shù)減少了零件數(shù)量和緊固件數(shù)量，進(jìn)而減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量、降低成本特別是制造成本，是一種降低公務(wù)機(jī)制造成本的有效方法。 copyright 123456

通用飛機(jī)載荷小，結(jié)構(gòu)厚度薄，與提高穩(wěn)定性是主要矛盾。加筋結(jié)構(gòu)和夾層結(jié)構(gòu)是提高薄壁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的2種典型形式。夾層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，面板不僅承剪，而且可以全部參與承受拉壓軸力，是一種承載效率高、重量輕的結(jié)構(gòu)。通用飛機(jī)采用這種高承載效率結(jié)構(gòu)，可以減輕結(jié)構(gòu)重量、降低成本。要充分發(fā)揮復(fù)合材料承載減重效益，必須依賴(lài)有效的優(yōu)化技術(shù)。通過(guò)優(yōu)化分析，調(diào)整鋪層組分比例、鋪層方向、鋪設(shè)順序等，使復(fù)合材料結(jié)構(gòu)處于合理的應(yīng)力應(yīng)變水平，最大程度地發(fā)揮復(fù)合材料優(yōu)勢(shì)。

領(lǐng)航150飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)主要原材料是選用已經(jīng)取得適航合格證的碳纖維預(yù)浸料，其中包括碳纖維單向帶、碳纖維織物與玻璃纖維織物預(yù)浸料。考慮到低速?zèng)_擊對(duì)復(fù)合材料性能的影響很大，領(lǐng)航150飛機(jī)的所有結(jié)構(gòu)件鋪層形式多采用45°，以克服由于意外沖擊產(chǎn)生的壓縮性能下降過(guò)多的缺陷。

通過(guò)理論分析和工藝試驗(yàn)，對(duì)機(jī)身共固化變形問(wèn)題進(jìn)行全面的評(píng)估。通過(guò)整體共固化制造避免損傷復(fù)合材料纖維的連續(xù)性，從而降低復(fù)合材料的剛度和疲勞性，增加分層等缺陷的幾率。根據(jù)試驗(yàn)分析結(jié)果，對(duì)成型工裝型面進(jìn)行必要的設(shè)計(jì)補(bǔ)償，以保證制造精度、結(jié)構(gòu)性能滿足設(shè)計(jì)要求。

2 整體化復(fù)合材料工裝設(shè)計(jì)制造技術(shù)

由于機(jī)身外形復(fù)雜，在采用整體成型技術(shù)時(shí)，必須要考慮到熱膨脹系數(shù)等因素對(duì)產(chǎn)品精度的影響，為了解決碳纖維復(fù)合材料零件與成型工裝之間熱膨脹系數(shù)的一致性問(wèn)題，采用碳纖維復(fù)合材料制造成型工裝是一個(gè)正確的選擇。

利用復(fù)合材料工裝熱脹系數(shù)與所成型零件相近的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)合理的機(jī)身結(jié)構(gòu)件成型工裝，用復(fù)合材料工裝成型碳纖維復(fù)合材料機(jī)身以避免因工裝和所成型零件之間的熱脹系數(shù)差異而導(dǎo)致的零件曲率偏差問(wèn)題。

復(fù)合材料工裝的成型方法有多種，既有預(yù)浸料/熱壓罐或固化爐成型，也有濕法/固化爐成型，還有真空注射成型等。考慮到工裝制造周期、工裝耐久性、工裝型面精度及尺寸精度等因素，同時(shí)考慮成本因素，選擇采用 “預(yù)浸料手工鋪貼+固化爐成型工藝”和“干織物+真空輔助灌注成型”兩種不同的工藝方法制造公務(wù)機(jī)整體結(jié)構(gòu)復(fù)合材料成型工裝。在試驗(yàn)過(guò)程中，分別選用英國(guó)ACG公司和美國(guó)AIRTECH公司生產(chǎn)的工裝材料，通過(guò)比較材料的價(jià)格、貯存期、工藝性能以及制造成本、工裝型面精度、耐久性、氣密性能等因素，綜合分析試驗(yàn)結(jié)果，最終確定性價(jià)比最佳的復(fù)合材料工裝材料。

工裝材料體系選型的流程如圖3所示。針對(duì)過(guò)渡工裝的氣密性要求，將分別采用先烘干后密封方法、控制粘接劑用量的方法、以及施加適當(dāng)粘接壓力的方法來(lái)保證過(guò)渡工裝的氣密性。



復(fù)合材料成型工裝表面的膠衣層是影響成型工裝氣密性的重要環(huán)節(jié)，為保證膠衣層對(duì)復(fù)合材料本體層的附著力，需要進(jìn)行工藝試驗(yàn)來(lái)確定膠衣層最佳厚度、最佳刷涂方式以及刷涂時(shí)間，最終通過(guò)附著力檢測(cè)試驗(yàn)效果。

在采用復(fù)合材料工裝的同時(shí)，還要考慮到工裝支撐技術(shù)。分別設(shè)計(jì)一系列硬性連接（即支撐板與成型工裝型板之間無(wú)間隙）和彈性連接（支撐板與成型工裝型板之間有2~3mm的間隙或間隙用硅橡膠填充）試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果，確定最為合理的彈性支撐方案（圖4）。


圖4　工裝柔性連接形式

3 低成本工藝輔助材料

基于低成本成型工藝對(duì)輔助材料的基本要求，選擇適用的輔助材料體系能有效降低復(fù)合材料公務(wù)機(jī)制造成本。輔助材料選材的基本要求為：復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的固化溫度一般為125℃左右，在真空壓力下可確保材料的完全固化，保證良好的內(nèi)部質(zhì)量。材料的固化溫度(包括后固化溫度)小于120℃，滿足復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量要求。

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傳統(tǒng)的軍機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件制造選用的輔助材料，大部分是國(guó)外進(jìn)口材料，價(jià)格昂貴。中航工業(yè)通飛鑒于公務(wù)機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件采用的是固化爐工藝，對(duì)符合低成本成型工藝要求的輔助材料體系，結(jié)合工藝要求和質(zhì)量要求進(jìn)行全面的性能試驗(yàn)計(jì)劃。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)對(duì)輔助材料性能進(jìn)行評(píng)估，以衡量輔助材料體系的工藝適用性，最終確定適用于復(fù)合材料公務(wù)機(jī)的低成本國(guó)產(chǎn)工藝輔助材料體系。

對(duì)符合低成本成型工藝要求的材料體系，進(jìn)一步結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求和適航驗(yàn)證要求安排全面的性能試驗(yàn)計(jì)劃（包括不同環(huán)境條件和損傷條件對(duì)材料性能的影響程度試驗(yàn)）。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)對(duì)材料性能進(jìn)行評(píng)估。最終確定適用于高級(jí)公務(wù)機(jī)不同結(jié)構(gòu)部位的材料體系和國(guó)產(chǎn)替代材料體系。

4 整體化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)膠接裝配技術(shù)

整體化設(shè)計(jì)制造的復(fù)合材料公務(wù)機(jī)采用全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，其裝配方式已由傳統(tǒng)的機(jī)械連接向膠接連接方式轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)的機(jī)械連接方式過(guò)多地?fù)p傷了復(fù)合材料纖維的連續(xù)性，從而降低了復(fù)合材料的剛度和疲勞性，增加了分層等缺陷的幾率。因此在復(fù)雜的裝配結(jié)構(gòu)件中必須采用復(fù)合材料二次膠接裝配技術(shù)。

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同時(shí)，在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件裝配中最忌諱帶應(yīng)力裝配，裝配應(yīng)力的存在會(huì)破壞復(fù)合材料的剛性和強(qiáng)度，減弱復(fù)合材料耐疲勞的性能。針對(duì)復(fù)合材料裝配時(shí)型面不可修配這一難點(diǎn)提出了嚴(yán)格的容差分配，并在零件的生產(chǎn)加工過(guò)程中嚴(yán)格控制，控制兩個(gè)協(xié)調(diào)裝配復(fù)合材料零件貼合面的厚度公差及外形公差，保證零件之間的協(xié)調(diào)要求，從而滿足復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的膠接質(zhì)量。隨著復(fù)合材料結(jié)構(gòu)整體化程度的提高，大尺寸部件的變形控制和模塊式對(duì)接技術(shù)變得尤為重要。變形控制和模塊式對(duì)接技術(shù)是保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高裝配效率的基礎(chǔ)。另外，為降低通用飛機(jī)轉(zhuǎn)場(chǎng)費(fèi)用，用戶常提出公路或鐵路運(yùn)輸要求，機(jī)翼、尾翼與機(jī)身還須快速分解、快速對(duì)接。模塊式對(duì)接技術(shù)滿足了快速對(duì)接的需求。

復(fù)合材料材料結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向是力求實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的整體化，但由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝、檢查維修的需要，必須安排一定的設(shè)計(jì)和工藝分離面。因此，低成本復(fù)合材料結(jié)構(gòu)連接技術(shù)是不可缺少的。但連接部位通常是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，對(duì)于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，70％以上的破壞發(fā)生在連接部位。復(fù)合材料各向異性和脆性的特點(diǎn)，使復(fù)合材料連接部位的應(yīng)力集中比金屬更嚴(yán)重，連接設(shè)計(jì)較金屬結(jié)構(gòu)也更為復(fù)雜。

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工程應(yīng)用

領(lǐng)航150是中航通用飛機(jī)有限責(zé)任公司按照CCAR-23 部和FAR-23 部研發(fā)的一型全碳纖維復(fù)合材料飛機(jī)。飛機(jī)采用下單翼、低平尾、單垂尾的常規(guī)布局，可收放式前三點(diǎn)起落架，增壓座艙，配置以Garmin1000 為主體的綜合航電系統(tǒng)、GE 公司的H85 渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)和Hartzell公司的四葉螺旋槳，采用雙操縱機(jī)構(gòu)、單駕駛體制，最大乘員5 人。具有速度快、航程遠(yuǎn)、乘坐舒適、營(yíng)運(yùn)和維護(hù)費(fèi)用低等特點(diǎn)。

其主要設(shè)計(jì)參數(shù)為：飛機(jī)總長(zhǎng)10.226m，翼展11.082m，全機(jī)高3.513m.空機(jī)重量1680kg,最大起飛重量2650kg，最大平飛速度600km/h，最大使用高度8530m，遠(yuǎn)航航程2500 km。

領(lǐng)航150飛機(jī)主體結(jié)構(gòu)采用碳纖維復(fù)合材料蜂窩夾層整體成型（圖5），整體膠接結(jié)構(gòu)件主要有：中機(jī)身、后機(jī)身、機(jī)翼、平尾、襟副翼、升降舵、方向舵。其中中機(jī)身整體共固化成型，機(jī)翼采用二次膠接成型。機(jī)翼與機(jī)身、平尾與機(jī)身等采用互換結(jié)構(gòu)的接頭連接形式。形成了整體部件的模塊化設(shè)計(jì)與制造，降低了維護(hù)及運(yùn)輸成本。

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圖5　領(lǐng)航150 輕型公務(wù)機(jī)

低成本公務(wù)機(jī)制造展望

先進(jìn)的復(fù)合材料制造技術(shù)為飛機(jī)制造企業(yè)包括中航工業(yè)通飛帶來(lái)了巨大的效益，不僅提高了公務(wù)機(jī)的制造質(zhì)量、縮短了生產(chǎn)周期、降低了生產(chǎn)成本，同時(shí)對(duì)提高飛機(jī)的性能起著極其重要的作用。

面對(duì)國(guó)內(nèi)巨大的通用飛機(jī)市場(chǎng)，各國(guó)正在爭(zhēng)相爭(zhēng)奪。在這個(gè)過(guò)程中，唯有實(shí)現(xiàn)低成本、快速、高效的制造才能夠打贏這場(chǎng)市場(chǎng)戰(zhàn)爭(zhēng)。低成本復(fù)合材料制造技術(shù)必將在不斷的技術(shù)探索和科技進(jìn)步中得到全面提升。我們必須不斷提升自主創(chuàng)新能力、制造加工能力，秉承低成本、高效率、高質(zhì)量的經(jīng)營(yíng)理念，在通用航空領(lǐng)域占得一席之地。 （責(zé)編　深藍(lán)）

來(lái)源：航空制造