新一代大型客机复合材料结构
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Table 1 Material distribution of the airframe of large commercial aircraf t (weight percentage)[ 5-6]
机型
其他 复合材料 铝合金 钛合金 合金钢
材料
A 380
CFRP 22
61
10
10
4
(2005-04-27 首飞)G LA RE 3
ture[ 1]
复合材料结构是以设计为主导 、材料为基础 、 综合制造 、工艺检测 、维修诸方面成果的结晶 。复 合材料结构效益不仅由材料具有的高比强度 、高 比刚度带来的减重效益 , 而且还应包括通过结构 优化设计 、材料和工艺改进带来的结构性能和功 能 、效能的改善与提高 , 以及运营成本下降等综合 效益 。因此 , 复合材料结构的效益在相当大的程
摘 要 :大量采用复合材料结构是新一代大型客机机体结构设计的突出特点 , 用量已达结构重量 50 %。 复合 材料结构不仅带来了明显的减重效益 , 而且带来 了结构耐腐蚀 、疲劳 和维护等性 能的改善 提高 。 波音 787 飞 机人 性化设计的全复合材料机身使乘坐舒适性和便利性得 到显著改 善 。 民机复合 材料结构技 术重点研 究解 决了复合材料自然环境老化 、大型翼面壁板整体 成型 、机身大开口区载荷重新分布和应力集中 、地面维护装备 冲击损伤 、健康检测等关键技术问题 , 并且建立了以中模高强碳纤维/ 韧性环氧树脂复合材料热压罐成形工艺 为主 的大型客机复合材料结构材料体系 。 对复合材料机翼和 机身结构的 设计和工 艺关键技术 问题做了 较为 详尽的介绍 。 关键词 :复合材料 ;大型客机 ;机体结构 ;应用 ;效益 中图分类号 :V 214.8 文献标识码 :A Abstract:Ex tensive use o f com posite m aterials is a pro minent cha racteristic of air fram e desig n fo r the new gener atio n la rge co mm ercial aircr aft .T he am ount of co mpo site mater ials ha s r eache d up to 50 % of the airf rame w eig ht .Co m po site str uctures no t o nly sig nifica ntly decr ease the structur al w eig ht , but also impr ov e the perfo rm ance of cor ro sio n r esistance , fa tig ue and m aintenance .Bo eing 78 7' s hum anity desig n o f the entire co mpo site fuselage sig nificantly impr ov ed passeng er com fo rt a nd co nvenience .T echno lo gy fo r la rg e co mm ercial je t com po site str uc tu res focuses o n study ing and r eso lving the na tural aging o f the co mpo site material , la rg e wing pa nel integ r al m anufa cture , loa d redist ributio n and stre ss co ncentra tion in larg e fuselag e opening area s, g round maintena nce equipment im pact damag e , health testing , and o ther key technical pro blems .A lar ge comm ercial air craf t com posite structur e m aterial system is established based mainly o n middle-m odule high-st reng th ca rbon fibe r/ to ug hne ss epo xy com po site m aterial auto clav e technolog y .Detailed in troductio n to the key technical pr oblem s of com posite w ing and f uselage structural de sign is pre sented in this pa pe r . Key words:co mpo sites;la rge co mme rcial aircr aft ;airframe ;applicatio n;efficiency
特邀
杨乃宾
(北京航空航天大学 航 空科学与工程学院 , 北京 100083)
Composite Structures for New Generation Large Commercial Jet
Yang Naibin
(Schoo l o f Ae ronautic Science and Engineering , Beijing Unive rsity of A ero nautics and A stro nautics , Beijing 100083 , China)
波音 787 客机不仅复合 材料结构重量 百分 比远超过 A380 , 大 大提 高了 结构效 率 , 而且 人 性化设计的 全复合 材料 机身 , 使 乘坐 舒适性 和 便利性得到 显著改 善 , 从而 带来 可观 的经济 效 益 。 具体讲 :波 音 787 客机把 巡航 时座 舱的 压 力提高到 有利于乘 客健康的 相当于海 拔 1 800 m 高度的 压力(而不 是现 在一般 客机 的相当 于 海拔 2 400 m 高度的压力)[ 7] , 从而 , 使机身座舱 结构承受的 压差增 大(比 现有 客机 大)。 同时 , 加大了机身窗口达到 483 mm ×279 m m , 使乘客 有更大 视野 。 由此 引起 的设 计增 重 , 复合材 料 机身为 70 kg , 而铝合金机身则要 1 000 kg , 充分 体现了复合材料性能的 可设计性和优异 的疲劳 性能带来的效益 。 再有 , 复合材 料不易腐蚀 , 允 许设计人员 增加客 舱湿 度 , 从而 解决 了铝合 金 易腐蚀 、客 舱湿 度不能 提高 的难 题 。 复合材 料 优异的 疲 劳性 能 和 采用 健 康监 控 技 术使 波 音 787 客机维护 间隔延长 到 1 000 h , 而不是 目前 波音 767 的 500 h 。
波音 787
CFRP 45
20
15
10
5
(2007-07-08 下线) G FP R 5
A350 ＊ 52
(正在研发)
20
14
7
7
注 :G LA RE 是一种铝箔和 玻璃 纤维/ 环 氧层 交替铺 层压 制的 板 材。 ＊2007 年资料数据 。 随研发工作进展 , 材料分配还有可能变化 。
图 1 大型客机机体结构减重潜力分析示意图[ 1] F ig.1 W eight reductio n po te ntial o f the airframe st ruc-
(1)复合材料飞机结构试用与航空工业认可 (20 世纪 60 —70 年代中)
在 F-14 , F-15 和 F-16 尾翼上试用 , 完成了航 空工业对碳纤维聚合物基复合材料结构应用的认 可 , 并建立规范 :M IL HDBK-17A 聚合物基复合 材料(1971-01), 用于指导复合材料结构设计选材 和材料性能许用值确定 。
2 民机复合材料结构技术研发历程[ 2, 8-10]
20 世纪 60 年代以硼/ 环氧为代表 , 先进复合 材料问世 , 源于军机结构减重需求 。此后 , 碳纤维 成为主要增强纤维 。 美国飞机复合材料结构技术 研究大致经历了 4 个阶段 。民机着重研究了与安 全性 、可靠性 、经济 性相关的复合材料性能和设 计 、工艺技术 。
度上取决于飞机结构设计师(包括结构分析师)和 工艺师对复合材料认知水平和经验积累及其合作 的程度 。
复合材料 结构给新一代 大型客机带 来的效 益 , 在 A 380 和波音 787 中有所不同 。
A380 超大型客机首先要解决尽可能减轻结 构重量问题 。“使用复合材料的最大好处是减轻 了结构质量 , 从而大大减少了油耗和排放 , 并降低 了运营成本” 。(摘自 :空中客车 A380 技术和创 新 , 人民日报 2005-6-16 广告)
为与波音 787 抗衡 , 2005 年 5 月空中客车公 司宣布研发 250 座级客机 A350(预计 2010 年投 入运营)。
收稿日期 :2007-12-20 ;修订日期 :2008-01-17 通讯作者 :杨乃宾 E-mail :milaoshu0527 @163 .com
第 3 期
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
杨乃宾 :新一代大型客机复合材料结构
597
1 大型客机复合材料结构效益
新一代大型客 机机体 结构材 料分配 如表 1 所示 。 大量采用复合材料 结构是最突出 特点之 一, 也是机体结构减重的主要措施。 机体结构 减重潜力分析(见图 1)表明只有机翼 、机身主承 力结构均采用复合材料才 可取得明显的 结构明 显减重效果 。
表 1 新 一 代 大 型 客 机机 体 结 构 材 料 分 配(重 量 百 分 比)[ 5-6]
空中客车公司强调航空枢纽间的交通对整个 市场的重要性 , 研发了双层客舱 555 座 , 超大型客 机 A 380(2005 年 4 月首飞)[ 3-4] 。
波音公司也曾尝试研发 500 座级超大型客机
波音 763-246C(1999 年 公布)和 声 速巡 航 客机 (2001 年公布), 但市场调查结 果表明 :机场间点 对点运输市场潜力巨大 。 因此 , 改变计划 , 研发具 有超凡的乘座舒适和便利的人性化设计的 200 ～ 300 座波音 7E7 即波音 787(2007 年 7 月 8 日下 线)[ 5] 。
新一代大型客机主要指使用效率 、经济 、超凡 的乘座舒适和便利以及环保(Envi ronment al)等 综合性能比当前航线使用的客机有很大提高的大 型商用运输机[ 1-2] 。 新一代大型客机的研发始于 20 世纪 90 年代 , 以欧洲空中客车公司的 A380 和 美国波音公司的波音 787 为典型代表 。
59 8
航 空 学 报
第 29 卷
(2)复合材料结构应用技术研究与新型纤维/ 树脂开发(20 世纪 70 年代中 —80 年代末)
军 机
民 机
F-18 复合材料机翼研制(1978)和 AV-8B 复 合材料前机身 、机翼研制(1982)用于研究复合材 料结构完整性 。
X-29 前掠翼验证机气动弹性剪裁技术研究 (1984-12 首飞)。
1982 年 10 月 —1987 年 3 月空军执行“复合 材料飞机主结构损伤容限研究”计划 , 解决复合材 料特殊的低能量冲击损伤问题 。
B-2 轰炸 机大型 整体 壁板 翼身 融合 体研究 (19 89)
NASA RP 1142(1985)公布 MI L HDBK-17B(1988-02)公布 MI L A-87221(USAF)1985-02 公布
第 29 卷 第 3 期 2008 年 5 月
航 空 学 报 ACT A A ERON A U T ICA ET A ST RO N A U T ICA SIN ICA
文章编号 :1000-6893(2008)03-0596-09
新一代大型客机复合材料结构
Vo l.29 No.3 M ay 2008
机型
其他 复合材料 铝合金 钛合金 合金钢
材料
A 380
CFRP 22
61
10
10
4
(2005-04-27 首飞)G LA RE 3
ture[ 1]
复合材料结构是以设计为主导 、材料为基础 、 综合制造 、工艺检测 、维修诸方面成果的结晶 。复 合材料结构效益不仅由材料具有的高比强度 、高 比刚度带来的减重效益 , 而且还应包括通过结构 优化设计 、材料和工艺改进带来的结构性能和功 能 、效能的改善与提高 , 以及运营成本下降等综合 效益 。因此 , 复合材料结构的效益在相当大的程
摘 要 :大量采用复合材料结构是新一代大型客机机体结构设计的突出特点 , 用量已达结构重量 50 %。 复合 材料结构不仅带来了明显的减重效益 , 而且带来 了结构耐腐蚀 、疲劳 和维护等性 能的改善 提高 。 波音 787 飞 机人 性化设计的全复合材料机身使乘坐舒适性和便利性得 到显著改 善 。 民机复合 材料结构技 术重点研 究解 决了复合材料自然环境老化 、大型翼面壁板整体 成型 、机身大开口区载荷重新分布和应力集中 、地面维护装备 冲击损伤 、健康检测等关键技术问题 , 并且建立了以中模高强碳纤维/ 韧性环氧树脂复合材料热压罐成形工艺 为主 的大型客机复合材料结构材料体系 。 对复合材料机翼和 机身结构的 设计和工 艺关键技术 问题做了 较为 详尽的介绍 。 关键词 :复合材料 ;大型客机 ;机体结构 ;应用 ;效益 中图分类号 :V 214.8 文献标识码 :A Abstract:Ex tensive use o f com posite m aterials is a pro minent cha racteristic of air fram e desig n fo r the new gener atio n la rge co mm ercial aircr aft .T he am ount of co mpo site mater ials ha s r eache d up to 50 % of the airf rame w eig ht .Co m po site str uctures no t o nly sig nifica ntly decr ease the structur al w eig ht , but also impr ov e the perfo rm ance of cor ro sio n r esistance , fa tig ue and m aintenance .Bo eing 78 7' s hum anity desig n o f the entire co mpo site fuselage sig nificantly impr ov ed passeng er com fo rt a nd co nvenience .T echno lo gy fo r la rg e co mm ercial je t com po site str uc tu res focuses o n study ing and r eso lving the na tural aging o f the co mpo site material , la rg e wing pa nel integ r al m anufa cture , loa d redist ributio n and stre ss co ncentra tion in larg e fuselag e opening area s, g round maintena nce equipment im pact damag e , health testing , and o ther key technical pro blems .A lar ge comm ercial air craf t com posite structur e m aterial system is established based mainly o n middle-m odule high-st reng th ca rbon fibe r/ to ug hne ss epo xy com po site m aterial auto clav e technolog y .Detailed in troductio n to the key technical pr oblem s of com posite w ing and f uselage structural de sign is pre sented in this pa pe r . Key words:co mpo sites;la rge co mme rcial aircr aft ;airframe ;applicatio n;efficiency
特邀
杨乃宾
(北京航空航天大学 航 空科学与工程学院 , 北京 100083)
Composite Structures for New Generation Large Commercial Jet
Yang Naibin
(Schoo l o f Ae ronautic Science and Engineering , Beijing Unive rsity of A ero nautics and A stro nautics , Beijing 100083 , China)
波音 787 客机不仅复合 材料结构重量 百分 比远超过 A380 , 大 大提 高了 结构效 率 , 而且 人 性化设计的 全复合 材料 机身 , 使 乘坐 舒适性 和 便利性得到 显著改 善 , 从而 带来 可观 的经济 效 益 。 具体讲 :波 音 787 客机把 巡航 时座 舱的 压 力提高到 有利于乘 客健康的 相当于海 拔 1 800 m 高度的 压力(而不 是现 在一般 客机 的相当 于 海拔 2 400 m 高度的压力)[ 7] , 从而 , 使机身座舱 结构承受的 压差增 大(比 现有 客机 大)。 同时 , 加大了机身窗口达到 483 mm ×279 m m , 使乘客 有更大 视野 。 由此 引起 的设 计增 重 , 复合材 料 机身为 70 kg , 而铝合金机身则要 1 000 kg , 充分 体现了复合材料性能的 可设计性和优异 的疲劳 性能带来的效益 。 再有 , 复合材 料不易腐蚀 , 允 许设计人员 增加客 舱湿 度 , 从而 解决 了铝合 金 易腐蚀 、客 舱湿 度不能 提高 的难 题 。 复合材 料 优异的 疲 劳性 能 和 采用 健 康监 控 技 术使 波 音 787 客机维护 间隔延长 到 1 000 h , 而不是 目前 波音 767 的 500 h 。
波音 787
CFRP 45
20
15
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(2007-07-08 下线) G FP R 5
A350 ＊ 52
(正在研发)
20
14
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注 :G LA RE 是一种铝箔和 玻璃 纤维/ 环 氧层 交替铺 层压 制的 板 材。 ＊2007 年资料数据 。 随研发工作进展 , 材料分配还有可能变化 。
图 1 大型客机机体结构减重潜力分析示意图[ 1] F ig.1 W eight reductio n po te ntial o f the airframe st ruc-
(1)复合材料飞机结构试用与航空工业认可 (20 世纪 60 —70 年代中)
在 F-14 , F-15 和 F-16 尾翼上试用 , 完成了航 空工业对碳纤维聚合物基复合材料结构应用的认 可 , 并建立规范 :M IL HDBK-17A 聚合物基复合 材料(1971-01), 用于指导复合材料结构设计选材 和材料性能许用值确定 。
2 民机复合材料结构技术研发历程[ 2, 8-10]
20 世纪 60 年代以硼/ 环氧为代表 , 先进复合 材料问世 , 源于军机结构减重需求 。此后 , 碳纤维 成为主要增强纤维 。 美国飞机复合材料结构技术 研究大致经历了 4 个阶段 。民机着重研究了与安 全性 、可靠性 、经济 性相关的复合材料性能和设 计 、工艺技术 。
度上取决于飞机结构设计师(包括结构分析师)和 工艺师对复合材料认知水平和经验积累及其合作 的程度 。
复合材料 结构给新一代 大型客机带 来的效 益 , 在 A 380 和波音 787 中有所不同 。
A380 超大型客机首先要解决尽可能减轻结 构重量问题 。“使用复合材料的最大好处是减轻 了结构质量 , 从而大大减少了油耗和排放 , 并降低 了运营成本” 。(摘自 :空中客车 A380 技术和创 新 , 人民日报 2005-6-16 广告)
为与波音 787 抗衡 , 2005 年 5 月空中客车公 司宣布研发 250 座级客机 A350(预计 2010 年投 入运营)。
收稿日期 :2007-12-20 ;修订日期 :2008-01-17 通讯作者 :杨乃宾 E-mail :milaoshu0527 @163 .com
第 3 期
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
杨乃宾 :新一代大型客机复合材料结构
597
1 大型客机复合材料结构效益
新一代大型客 机机体 结构材 料分配 如表 1 所示 。 大量采用复合材料 结构是最突出 特点之 一, 也是机体结构减重的主要措施。 机体结构 减重潜力分析(见图 1)表明只有机翼 、机身主承 力结构均采用复合材料才 可取得明显的 结构明 显减重效果 。
表 1 新 一 代 大 型 客 机机 体 结 构 材 料 分 配(重 量 百 分 比)[ 5-6]
空中客车公司强调航空枢纽间的交通对整个 市场的重要性 , 研发了双层客舱 555 座 , 超大型客 机 A 380(2005 年 4 月首飞)[ 3-4] 。
波音公司也曾尝试研发 500 座级超大型客机
波音 763-246C(1999 年 公布)和 声 速巡 航 客机 (2001 年公布), 但市场调查结 果表明 :机场间点 对点运输市场潜力巨大 。 因此 , 改变计划 , 研发具 有超凡的乘座舒适和便利的人性化设计的 200 ～ 300 座波音 7E7 即波音 787(2007 年 7 月 8 日下 线)[ 5] 。
新一代大型客机主要指使用效率 、经济 、超凡 的乘座舒适和便利以及环保(Envi ronment al)等 综合性能比当前航线使用的客机有很大提高的大 型商用运输机[ 1-2] 。 新一代大型客机的研发始于 20 世纪 90 年代 , 以欧洲空中客车公司的 A380 和 美国波音公司的波音 787 为典型代表 。
59 8
航 空 学 报
第 29 卷
(2)复合材料结构应用技术研究与新型纤维/ 树脂开发(20 世纪 70 年代中 —80 年代末)
军 机
民 机
F-18 复合材料机翼研制(1978)和 AV-8B 复 合材料前机身 、机翼研制(1982)用于研究复合材 料结构完整性 。
X-29 前掠翼验证机气动弹性剪裁技术研究 (1984-12 首飞)。
1982 年 10 月 —1987 年 3 月空军执行“复合 材料飞机主结构损伤容限研究”计划 , 解决复合材 料特殊的低能量冲击损伤问题 。
B-2 轰炸 机大型 整体 壁板 翼身 融合 体研究 (19 89)
NASA RP 1142(1985)公布 MI L HDBK-17B(1988-02)公布 MI L A-87221(USAF)1985-02 公布
第 29 卷 第 3 期 2008 年 5 月
航 空 学 报 ACT A A ERON A U T ICA ET A ST RO N A U T ICA SIN ICA
文章编号 :1000-6893(2008)03-0596-09
新一代大型客机复合材料结构
Vo l.29 No.3 M ay 2008