制造民机都将用复合材料

时间: 2023-12-09 18:26:46 |   作者: 华体汇平台app下载

  原航空工业部第一批研究员级高级工程师,享受国务院特殊津贴。1965年西北工业大学飞机系制造专业毕业。先后在西安飞机制造公司、陕西飞机制造公司、上海飞机制造厂、中航商用飞机设计有限公司从事飞机制造工作,并在广东昌盛飞机设计有限公司承担飞机制造工艺和复合材料选材工作。曾任陕飞副总工程师。

  民机不同于其它商品,它需要经过国家适航部门适航认证,取得型号合格证(TC)、生产许可证(PC)和单机适航证(AC)。未取得这三证的飞机,不能进入市场。进入国际市场的民机,还需要取得美国FAA或(和)欧洲 EASA的上述三证。

  目前,单通道、窄体、150座级飞机有以下4种:空客A320、波音737、商飞C919和俄罗斯MC-21。前两种进入市场,差不多已经有半个世纪。后两种正在取证试飞,都计划在明年取得适航认证。

  空客A320、波音737、是销路最好、最赚钱的铝合金飞机。由于资本追逐利润的本性,虽然两家公司早已将树脂基碳纤维复合材料,用来制造民机机体,推出了复合材料的A350和波音787。但是,哪一个企业都不愿意,率先研发新机型来取代老飞机。直到2014 年空客才制定了,用复合材料制造“新 320”以取代现在的铝合金A320的方案。至今还未见波音取代铝合金737的计划。

  用树脂基碳纤维复合材料制造民机,是先进标志之一。2008年,商飞和俄罗斯先后宣布,研发自己的单通道、窄体、150座级飞机C919和MC-21。复合材料用量要占机体重量的25-30%。其中主要是机翼用复合材料制造。另外,两种机型都选用目前最先进的大函道比发动机。复合材料机体加上先进发动机的飞机,毫无疑问与铝合金机体配老式发动机的老飞机A320、B737竞争,是有绝对的优势。

  C919和MC-21在各自的研发进程中,对使用复合材料确采取了不同的决策。尽管俄罗斯一无民机使用的复合材料,二无制造复合材料机翼的技术。他们从美国氰特公司(现苏威公司)C919购买复合材料,再由奥地利 FACC(2009年中航西飞收购了该公司)试制原型机翼,坚持用复合材料制造 MC-21的机翼。C919却在项目进展不久,宣布机翼不用复合材料,退回到使用铝合金。

  2014年空客率先在A320换上先进的大函道比发动机,推出A320neo。紧接着波音也推出换装上,先进的大函道比发动机的737MAX。这一来,C919一开始对比空客A320、波音737两大竞争优势,就不存在了。今日的 C919机体技术构型,完全等同A320neo和737MAX。

  空客全复合材料的“新320”投入到正常的使用中大概在2030年。从明年C919取得适航认证,到2030年还有9年时间。建议在最近一段时间换装复合材料部件,用先进的复合材料机体的C919不仅满足部分国内市场需求,同时还能进入世界民机市场分享一块蛋糕。

  目前,双通道、宽体客机波音787和空客A350,前者复合材料用量达到机体重量的50%,后者达到 53%。波音787在2011年投入航线也进入市场。新冠疫情前,波音有两条总装配线架飞机。空客一条总装配线年的市场考验,这两款复合材料飞机,再配合使用多项先进的技术,达到了安全、舒适、经济的要求,给社会带来诱人的福祉,同时也给两家公司带来可观的经济收益。波音公司原计划,787投入市场后,10年销售1000架飞机,收回320亿美元的研制费用。新冠疫情前的2019年波音787已经销售出900多架飞机。

  波音787和空客A350同是复合材料飞机,差别在两款飞机机身使用了不同的制造技术。波音787机身采用了当今最先进的整体筒制造技术。接着在后续的制造工作中,又使用了一系列先进制造技术。新材料、新工艺、新技术的应用,极大的改变了民机工程的现状。因此。它被西方誉为是民机工业的一次“革命”。整体筒技术在航天和别的工业部门也相继得到应用。

  空客A350机身段采用,4块复合材料曲面板,铆钉连接、组合筒体。后续制造工作中,新技术应用不多。整个机身制作的完整过程,零组件数量多,连接工作量大、紧固件数量多。这种复材曲面板组合工艺,在其它行业很少使用。

  通过上面简单对比,明显看出波音787复材技术、销售业绩优于空客 A350。

  2017年9月中俄联合推出了,CR929双通道、宽体客机设计的具体方案。中方承担的机身采用类似空客 A350,4块复合材料曲面板,铆钉连接、组合筒体。按此设计,将来的机头大概会是下面图的样子。

  显然机身的技术方案,先进程度远不如波音787。机翼设计、制造工作由俄方承担。他们提出就用单通道、窄体飞机MC-21的复合材料机翼技术。这种技术是不是适合宽体客机机翼,并没有依据。

  商飞于2018年底已完成了,直径6米、长度15米复合材料机身段筒体试验件。反观俄方至今仅做了飞机模型的风洞吹风试验。要花大价钱的复合材料机翼试验件,却未动工。2019年初,美国制裁俄罗斯,限制美国和日本的复合材料向俄罗斯出口。这一狠招直接打击了MC-21复合材料机翼的生产。买不到复合材料,他们也做不成CR929机翼试验件。从对项目真金白银实际投入来看,不得不怀疑俄方另有打算。

  外界盛传俄罗斯有飞机设计、制造技术,有发动机制造技术。其实这主要是反映在军机方面。前苏联的民机,仅在当时的社会主义阵营有市场,而且都是铝合金飞机。俄罗斯的碳纤维,在世界市场是榜上无名。我国碳纤维产能去年已经位居全球第二。其中有突出贡献的公司有中复神鹰、光威复材、恒神股份等。仅三家碳纤维的产量占到80%。在此基础上,树脂基碳纤维复合材料,在国内许多工业领域都有较多使用。

  俄罗斯按西方适航标准研发民机,是从苏霍伊 “超级喷气-100”支线客机 (Sukhol Superjet100/SSJ-100)起步。接着又研发了MC-21客机。时间进程、研发的品种,与我国自主研发ARJ21支线,几乎是同时开展的。因此在研发民机上,俄罗斯能提供的技术上的支持并不多。

  俄罗斯有发动机技术,这也是人们笼统地一种说法。他的军用飞机发动机,的确可以与西方相比。但是,民机所用的发动机与西方的发动机还有差距。俄罗斯国内使用的MC-21,安装国产发动机,而出口MC-21则安装美国普惠公司的发动机。MC-21的发动机推力在3万磅左右。双通道、宽体客机,需要推力在8万磅左右的发动机。要研制出如此巨大推力的民用飞机发动机,也不是一件轻而一举,短时间能完成的事情。

  当下,中俄CR929项目变数多多。特别是俄罗斯又被美国制裁,没有民机要用的复合材料。他们承担的机翼制造,一时间也很难开展实质性工作。趁此机会商飞抓住项目的主动权,制定一个能与波音 787 竞争的结构设计的具体方案。尽管此方案难度极大,但这也是民机研发的特点所致。这正像当初俄罗斯研发 MC-21时,在既无复合材料又无复合材料技术的条件下,仍然坚定使用用复合材料制造机翼。

  CR929现采用类似空客A350机身方案,将来进入市场的CR929 机体的先进性,充其量与A350相当。没有与波音787竞争的亮点。

  CR929一旦投入试制,作为机身段的供应商西飞、沈飞、成飞、南飞,都得化巨资建新厂房、添置新设备。这些生产能力的建设,仅能满足复合材料曲面板的制造。再要想制造其它产品的直径6米,复合材料整体筒的结构件,就无能为力了。

  我国研发双通道、宽体客机,已经是继运十、CRJ21、C919 后的第4款民机。此款民机的目标,一定要定在进入世界民机市场,能够与波音787、空客 A350同台竞争。整体筒机身的飞机一旦进入国际市场,即就不可以超越波音787,但是能超过空客A350。商飞也只有坚定这个目标,才能不辜负党和国家的重托,全国人民的期望,了却国内民机人的心愿。

  制造民机要用复合材料已经是业界的共识。由于历史的原因,ARJ21复合材料用量仅2%。C919从原定的25%,后又退回到12%。CR929的复合材料用量,设计指标要达到目前的领先水平50%。可以让我们关注的是,以上复合材料主要是先进的、环氧树脂基碳纤维复合材料,而且是经过适航认证的材料。即就是同类型的材料,用不同的工艺方法制造民机结构件,其结果大不相同。

  环氧树脂基碳纤维复合材料,属于热固性复合材料。正在研发的空客“新320”机身准备用热塑性碳纤维复合材料。预计它的全机复合材料用量超过 53%。