大飞机复合材料新技术

欧美国家的大型客机制造商正在发展新一代大型客机，其中 包括波音787、A350及波音737和A320的后继机，这些飞机 的技术水平同当前服役的飞机相比性能水平有了较大提高。
波音787、A350飞机性能改进 与同级别的其他飞机相比，节省
15% ~20%的燃油
排放比类似飞机减少20%左右
起降噪声更小，如A350对机场附 近居民的噪声影响减少了60%
新一代大型客机的概念
新一代大型客机主要指: 上世纪90年代开始研发，本世纪初使用的
效率（Efficiency） 经济（Economics） 超凡的乘座舒适和便利
（Extraordinary comfort and convenience） 环保（Environmental） 4E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。
座公里成本降低10%左右
采用智能化航电系统，使飞机使 用安全可靠有显著的提高
波音737、A320后继机性能改进
综合使用性能将比现在服役的 波音737和A320高15%~20% 全复合材料主机身和机翼结构 电传操纵、多电系统结构 视景增强系统-综合航空电子系 统
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复合材料（纤维增强聚合物基复合材料）在大型 民机机体结构上大量应用是现代大型民机显著特点 之一；
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5
（2007-07-08下线） CFPR 5
A350XWB
(正在研发)
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飞机复合材料结构技术
• 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。
• 技术发展水平现状以战斗机、轰炸机上复合材料 结构应用为代表。
• 技术成熟程度以干线客机（运输类飞机）上复合 材料结构应用为标志。
飞机安全性提高10倍，即事故率降低到现在的1/10； 经济性提高一倍，即运输成本降低50%； 废气排放减少到现在的1/5～1/3； 噪声减少到现在的1/4～1/2； 研制周期缩短30%，研制费用降低35%，制造成本减少 30%； 飞机的阻力水平降低10%～20%，巡航效率增加30%。
国外大型客机发展趋势（续）
B-2轰炸机大型整体壁板翼身融合体研 究（1989）
NASA RP 1142（1985）公布 MIL HDBK-17B（1988.2）公布 MIL A-87221（USAF）1985.2公布
NASA（1976~1985）主持ACEE计划 （Advanced Composite Energy Efficiency，飞机节能计划），结构减 重、节省燃油、增加商载，突破尾翼级 复合材料应用。
厚板结构、大型整体结构和复合材料/ 金属混合结构的设计、制造、验证技术 特点明显。
建立规范：JSSG 2006（1998.10） MIL HDBK-17F（2002.6）
NASA首先实施了ATCAS计划（先进 技术复合材料飞机结构计划）
1988~1998年NASA主持实施了ACT 计划（Advanced Composite Technology），先进复合材料技术计 划）。目的在于突破高损伤容限复合 材料主结构设计、制造和应用的关键 技术，并降低成本，为运输类飞机机 翼、机身大量应用复合材料提供技术 支持。要求减重30%~50%，成本降低 20%~30%。
新一代大型客机的研发
空中客车公司
波音公司
强调航空枢纽间的交通对整个市 场的重要性
·研发双层客舱480~650座，超大 型客机A380（2005年首飞）
作为与波音787抗衡，2005年5月 宣布研发250座级客机A350（预计 2010年投入运营）
曾尝试研发500座级超大型客机波 音763-246C（1999年公布）和音速 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
复合材料已成为现代大型民机首要结构材料，结 束了铝合金为主的机体结构选材时代。
大型客机复合材料用量随年度变化
新一代大型客机机体结构材料使用比例 （重量百分比）
机型
复合材料 铝合金 钛合金 合金钢 其他材料
A380
CFRP 22
（2005-04-27首飞） GLARE 3
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4
波音787
CFRP 45 20
FAA AC 20-107复合材料飞机结构（ 1978.7）公布用于指导民机复合材料结 构设计。
不久，FAA AC 20-107A（1984.4）公 布
复合材料结构应用技术研究（80年代中~90年代）
军机
民机
复合材料结构应用已从为了结构减重 扩大到提高飞机综合性能，代表机型为 F-22。
机翼整体蒙皮壁板、前掠翼壁板、翼 身融合体、机身主承力框和梁、S进气 道、水平尾翼枢轴等主承力结构件装机
复合材料结构应用技术研究（70年代中~80年代）
军机
民机
F-18复合材料机翼研制（1987）和AV8B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 ，解决特殊的低能量冲击问题。
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年首飞）
2006-2025年全世界大中型民用客机需求量预测
国外大型客机发展趋势
未来二、三十年内大型客机在总体布局上与当代飞机不 会有很大差别，但在综合性能方面将有很大的提高。
• 大量移植采用军机复合材料结构技术是民机复合 材料技术发展的显著特点之一。
飞机复合材料结构技术
结构试用与航空工业认可
(20世纪60年代~70年代中)
复合材料飞机结构应用与航空工业认可在F-14、F-15和F16尾翼上完成。
建立规范：MIL HDBK-17A聚合物基复合材料，用于指导 复合材料结构设计选材和材料性能许用值确定。
复合材料结构应用技术研究（90年代~ 今）
军机
民机
复合材料在飞机主承力结构上的成功 应用，降低成本要求提上日程，使复合 材料结构具有高性价比，“可买得起” （即可买得起，又用得起）。
F-35首次将“可买得起”列为飞机结 构设计重要指标，要求最佳性能与最低 成本之间作出折衷和平衡。