王新年，姚雄華

(中航工業(yè)一飛院，西安710089)

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在MA700飛機上的應(yīng)用

王新年，姚雄華

(中航工業(yè)一飛院，西安710089)

闡述了MA700飛機采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的必要性，介紹了當(dāng)前國外渦槳支線飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用情況，以及國內(nèi)民用飛機復(fù)合材料應(yīng)用及技術(shù)發(fā)展情況，并對MA700飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用的指導(dǎo)思想、材料和工藝方法選用、先進設(shè)計與制造技術(shù)應(yīng)用等方面情況進行了說明，并從安全性、設(shè)計與制造能力、成本與效益、關(guān)鍵技術(shù)及解決途徑等方面，對MA700飛機復(fù)合材料應(yīng)用方案可行性進行了綜合論證。在MA700飛機的設(shè)計過程中，安全性、長服役壽命、最小重量、可維護性4個主要方面的性能是必須要考慮的。MA700飛機應(yīng)用復(fù)合材料是我國航空實現(xiàn)跨越發(fā)展的迫切需求，同時也是我國航空復(fù)合材料發(fā)展到了一定程度的必然結(jié)果。MA700飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用方案的制定以國內(nèi)設(shè)計、制造能力為基礎(chǔ)，借鑒國外飛機復(fù)合材料應(yīng)用和國內(nèi)轉(zhuǎn)包生產(chǎn)的成功經(jīng)驗，切合實際，具有可行性。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)；MA700渦槳支線飛機；應(yīng)用可行性

0 前言

飛機設(shè)計的研究和發(fā)展一直與采用性能優(yōu)越的新材料密切相關(guān)，材料的變革會引起飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計的重大變革。減輕結(jié)構(gòu)重量、提高飛機性能是飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計師追求的永恒目標(biāo)。近年來，各航空大國為實現(xiàn)飛機的高結(jié)構(gòu)效率和改善飛機氣動彈性等綜合性能，對新型航空材料開展了廣泛、深入的研究，在新型號和改進型號中不同程度地并盡可能多地應(yīng)用新型航空材料[1]。

先進復(fù)合材料屬于新型航空材料，是指結(jié)構(gòu)性能相當(dāng)或優(yōu)于鋁合金的復(fù)合材料。先進復(fù)合材料是60年代后期崛起的一種新型材料，具有比強度和比剛度高、可設(shè)計性好、耐介質(zhì)腐蝕性好、疲勞特性好等諸多優(yōu)點，一經(jīng)問世就顯示出了強大的生命力。目前，先進復(fù)合材料在航空航天結(jié)構(gòu)上獲得了廣泛的應(yīng)用。90年代以來，新研制飛機中復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)用比例逐步加大，已明顯出現(xiàn)了飛機結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料化趨勢，“復(fù)合材料是航空航天結(jié)構(gòu)的未來”的觀點正在或已經(jīng)形成。隨著航空航天工業(yè)的發(fā)展，復(fù)合材料的品種、性能及相應(yīng)的設(shè)計、工藝技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展[2]。

MA700飛機是一型以渦槳發(fā)動機為動力的中、短程先進支線飛機，擁有我國自主知識產(chǎn)權(quán)、能夠滿足國內(nèi)外市場需求，技術(shù)經(jīng)濟性領(lǐng)先于競爭對手，滿足CAAC、FAA適航要求的新一代70座級國產(chǎn)先進渦槳支線飛機。為了滿足飛機的高定位要求，提高結(jié)構(gòu)效率，保證飛機性能，適應(yīng)當(dāng)今飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)的發(fā)展趨勢，應(yīng)該盡可能多地采用先進復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，加大復(fù)合材料的應(yīng)用比例，并通過MA700飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)用同時帶動國內(nèi)民用飛機復(fù)合材料技術(shù)水平的發(fā)展。

1 國外先進民機復(fù)合材料應(yīng)用概況

1.1 歐美國家復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展策略

歐美國家航空復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展采用的策略是：根據(jù)技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用需求制定一系列研究計劃，根據(jù)研究計劃開展材料、設(shè)計、工藝及應(yīng)用等研究，再將成熟、可靠的技術(shù)轉(zhuǎn)移到民用飛機制造業(yè)，從而促進關(guān)鍵航空技術(shù)快速發(fā)展，保持世界領(lǐng)先地位。復(fù)合材料在國外先進軍用飛機上的應(yīng)用水平在上世紀(jì)末產(chǎn)生飛躍，進入21世紀(jì)，這種飛躍同時出現(xiàn)在對結(jié)構(gòu)可靠性和經(jīng)濟可承受性具有苛刻要求的民用飛機上。

1.2 復(fù)合材料在飛機結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用里程劃分

以美國為例，復(fù)合材料在飛機結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用里程大致可分為以下4個階段[3]：

(1) 第一階段是應(yīng)用于受力不大、形狀簡單的零部件，如艙門、口蓋、整流罩、方向舵、襟翼、副翼、雷達罩、起落架艙門等，該階段于70年代中期結(jié)束。

(2) 第二階段是應(yīng)用于受力大、規(guī)模較大的部件，如安定面、全動平尾、前機身段、鴨翼等，該階段于90年代中期結(jié)束。

(3) 第三階段是應(yīng)用于受力復(fù)雜、規(guī)模大的部件，如機翼翼盒、中機身段等，該階段于90年代末開始。

(4) 第四階段是應(yīng)用于受力很大的部件，用以代替鋼結(jié)構(gòu)，如起落架后撐桿、直升機起落架等，該階段于21世紀(jì)初開始。

1.3 復(fù)合材料在國外渦槳支線飛機上的應(yīng)用

目前運營的國外渦槳支線飛機主要有ATR72飛機和Q400飛機。

1.3.1 復(fù)合材料在ATR72飛機上的應(yīng)用

ATR72項目1986年正式啟動，1989年9月通過法國適航當(dāng)局適航審定，同年11月取得FAA適航證。ATR72飛機大量采用復(fù)合材料，復(fù)合材料應(yīng)用比例約為22%，碳纖維增強復(fù)合材料的應(yīng)用擴展到尾翼、外翼翼盒主結(jié)構(gòu)。在民用飛機發(fā)展史上，ATR72飛機外翼翼盒第一次實現(xiàn)了復(fù)合材料在飛機主承力結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。ATR72飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用情況見圖1。

1.3.2 復(fù)合材料在Q400飛機上的應(yīng)用

龐巴迪公司Q400項目1995年6月啟動，1998年1月31日首飛，1999年獲得美國FAA適航證，2000年初開始交付使用。Q400飛機復(fù)合材料應(yīng)用比例約為6%，應(yīng)用部位主要包括機翼和尾翼的前后緣、短艙蒙皮、翼身整流罩等次承力結(jié)構(gòu)，用量較少。Q400飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用情況見圖2。

2 國內(nèi)民用飛機復(fù)合材料應(yīng)用及技術(shù)發(fā)展情況

2.1 民用飛機復(fù)合材料應(yīng)用情況

我國民用飛機型號發(fā)展較慢，以前設(shè)計的民用飛機如運七、運八、運十二等很少采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，甚至次結(jié)構(gòu)件也很少采用。

多年前在MPC-75飛機發(fā)展初期，西德MBB公司向中方轉(zhuǎn)讓了部分復(fù)合材料技術(shù)，使我國民機復(fù)合材料技術(shù)有了一定技術(shù)基礎(chǔ)。通過應(yīng)用這些技術(shù)并結(jié)合自主研發(fā)，603所、640所、西飛公司、623所等單位共同實施了運七復(fù)合材料垂尾項目，將運七垂尾和方向舵的大部分金屬結(jié)構(gòu)改進設(shè)計成復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，前后歷時八年，完成了項目論證、設(shè)計、選型實驗、強度分析、制造裝配、適航審定試驗(包括組件試驗、雷擊試驗、濕熱環(huán)境條件下的全尺寸損傷容限試驗、剩余強度試驗、地面振動試驗)及裝機試飛，取到了適航審定中心頒發(fā)的單機適航證。但由于各種因素，復(fù)合材料垂尾沒有進行批量生產(chǎn)，因此也就沒能取得復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的使用經(jīng)驗。之后由于沒有型號需求，民機復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展緩慢。

ARJ21-700飛機的復(fù)合材料用量較小，約占結(jié)構(gòu)總重的1%，應(yīng)用部位也主要是方向舵、擾流板、翼稍小翼、機翼機身整流罩等次承力部件；在ARJ21-900飛機預(yù)研工作中，結(jié)合國家民機專項科研項目的支持，對復(fù)合材料全尺寸尾翼研究工作進行了課題立項，目前已完成了試驗件制造和強度試驗工作。

正在研制的C919飛機的尾翼翼盒、襟翼、副翼、方向舵、升降舵等部位應(yīng)用復(fù)合材料，復(fù)合材料在飛機結(jié)構(gòu)件中的應(yīng)用比例約為18%。

2.2 材料及基礎(chǔ)技術(shù)研究

國內(nèi)碳纖維研發(fā)已取得突破性進展。國產(chǎn)碳纖維CCF-1經(jīng)綜合評定，其性能達到了日本東麗公司T300量級纖維的水平，并已基本完成了軍用飛機結(jié)構(gòu)工程化應(yīng)用研究工作，進入批生產(chǎn)階段，基本上滿足了武器裝備研制對碳纖維材料的需求。航空工業(yè)系統(tǒng)中621所、623所、625所及有關(guān)生產(chǎn)廠為適應(yīng)軍機型號研制要求，在復(fù)合材料樹脂體系、試驗驗證、成形工藝技術(shù)、檢測及修補技術(shù)等方面進行了研究并取得了一定發(fā)展，部分產(chǎn)品已在飛機上應(yīng)用。盡管這些技術(shù)與民機要求還有一定差距，但為我國民機復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)。

在基礎(chǔ)研究工作方面，工信部相關(guān)部門已完成了多項國防科技工業(yè)民機科研項目，通過發(fā)揮全行業(yè)技術(shù)優(yōu)勢，對復(fù)合材料在飛機機身、機翼等主承力構(gòu)件中的應(yīng)用所需要的關(guān)鍵技術(shù)進行研究。

近年來，國內(nèi)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)研制單位積極參與國際合作，加強對外交流，促進了國內(nèi)復(fù)合材料應(yīng)用能力的提高，縮短了與國外在同類技術(shù)方面的差距。先后獲得了B787飛機方向舵、垂尾前緣、翼身整流罩，以及B747-8復(fù)材內(nèi)襟翼等部件制造權(quán)；西飛公司與美國古德里奇公司合資成立股份公司主要從事于復(fù)合材料短艙研制業(yè)務(wù)；西飛公司成功收購了奧地利FACC公司，并且雙方共同建立了菲舍爾(鎮(zhèn)江)公司；哈飛公司與空客聯(lián)合成立研制基地，主要用于A350 XWB飛機復(fù)材件的制造等。

3 MA700飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用

3.1 指導(dǎo)思想

制定MA700飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用方案的指導(dǎo)思想是：以國外同類飛機的成功應(yīng)用經(jīng)驗為基礎(chǔ)，以較大幅度的降低結(jié)構(gòu)重量和降低飛機全壽命周期成本為目標(biāo)，考慮國內(nèi)設(shè)計、工藝技術(shù)水平和可能的國際合作因素。

3.2 材料選用和工藝方法

考慮適航對飛機材料的嚴(yán)格要求，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的原材料將選用國外民用飛機上已成熟應(yīng)用的材料。

3.2.1 材料選用

原材料類型主要包括：纖維、樹脂、預(yù)浸料、蜂窩芯材、泡沫芯材、膠粘劑、防雷擊銅箔網(wǎng)。

3.2.2 結(jié)構(gòu)形式

結(jié)構(gòu)形式主要有：環(huán)氧實體層壓加筋板結(jié)構(gòu)、增強纖維/芳綸紙蜂窩(泡沫)夾層壁板、全高度碳纖維/芳綸紙蜂窩(泡沫)夾層結(jié)構(gòu)。

3.2.3 成形工藝方法

零件制造成形工藝方法主要采用手工鋪貼和熱壓罐工藝，尾翼盒段壁板采用自動鋪帶方式鋪貼，擾流板采用真空輔助樹脂滲透工藝(VARI)低成本生產(chǎn)工藝技術(shù)。

3.3 結(jié)構(gòu)應(yīng)用部位

MA700飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)占機體結(jié)構(gòu)重量的比例約為15%，與金屬結(jié)構(gòu)相比，減重目標(biāo)為10%～15%。

MA700飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用主要部位見圖3，具體應(yīng)用情況見表1。

表1 MA700飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用情況

3.4 先進設(shè)計技術(shù)應(yīng)用

3.4.1 大型復(fù)合材料主結(jié)構(gòu)整體化設(shè)計

復(fù)合材料成本過高仍是制約飛機結(jié)構(gòu)大量應(yīng)用復(fù)合材料的障礙，復(fù)合材料成本70%以上來自制造工藝。目前，國外復(fù)合材料應(yīng)用的最新理念是整體化設(shè)計與制造。復(fù)合材料整體化技術(shù)的意義在于可以通過減少零件數(shù)目、緊固件數(shù)量和協(xié)調(diào)/連接裝配工作量進一步減輕結(jié)構(gòu)重量，降低成本。同時，由于連接釘釘孔數(shù)量減少，可改善結(jié)構(gòu)的承載能力，采用整體成型技術(shù)還可以減少結(jié)構(gòu)分段、對接、間隙和臺階，使機體表面更加光滑，提高結(jié)構(gòu)氣動表面質(zhì)量。

MA700飛機大型復(fù)合材料主結(jié)構(gòu)整體化設(shè)計的典型構(gòu)件為平尾盒段壁板和平尾后梁。MA700飛機尾翼采用“T”型尾翼，水平尾翼固定在垂直尾翼頂部，平尾盒段采用梁肋式結(jié)構(gòu)布局，無設(shè)計工藝分離面和工藝分離面；上下壁板和后梁為左右貫通整體結(jié)構(gòu)形式，壁板筋條截面為“T”形，后梁截面為“[”形，材料選用CYCOM 977-2-35-12KHTS-134和M21/34%/UD134/AS7-12K高溫固化增韌環(huán)氧樹脂標(biāo)模碳纖維單向帶預(yù)浸料，材料幅寬150 mm。上下壁板長度輪廓尺寸為8.64 m，最大寬度尺寸約為0.95 m，最小寬度尺寸約為0.42 m；蒙皮最大厚度尺寸為4 mm；后梁長度輪廓尺寸為9.14 m，最大高度尺寸約為0.21 m，最小寬度尺寸約為0.15 m；緣條最大厚度尺寸為6 mm。

MA700飛機平尾盒段壁板和平尾后梁結(jié)構(gòu)示意圖見圖4。

3.4.2 新型多功能結(jié)構(gòu)材料與緊固件的應(yīng)用

對于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，由于復(fù)合材料的低導(dǎo)熱率和高阻抗，遭受雷擊時比金屬結(jié)構(gòu)更容易破壞，同時，未受保護的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)對機載電子、電氣系統(tǒng)電磁屏蔽保護能力一般不如金屬，因此進行MA700飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計時，必須采取有效的措施，解決閃電防護問題。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)閃電防護常采用金屬箔、噴涂鋁、金屬絲網(wǎng)三類雷擊防護層，金屬絲網(wǎng)系統(tǒng)防護效能最優(yōu)。目前金屬絲網(wǎng)主要包括鋁網(wǎng)和銅網(wǎng)兩種，空客經(jīng)過多年研究，認(rèn)為采用了銅箔材料代替由極細銅絲組成的導(dǎo)電網(wǎng)的傳統(tǒng)作法，可以保證良好的導(dǎo)電性能而又減重，該技術(shù)成果在A350XWB飛機上已成功應(yīng)用[4]。MA700飛機主要采用銅箔材料進行復(fù)合材料的閃電防護，并采用襯套螺栓作為導(dǎo)電釘與銅箔網(wǎng)、金屬條帶、搭鐵線構(gòu)成導(dǎo)電通路。

襯套螺栓是一種高強度，高抗疲勞的緊固件。最早設(shè)計使用在高載荷區(qū)域。之后被波音等公司選用用于復(fù)合材料的連接，在復(fù)合材料上連接可以起到填滿安裝孔，分散載荷，提高強度，增強抗疲勞能力以及防雷擊的作用。

雷擊防護用銅箔網(wǎng)與襯套螺栓示意圖見圖5。

前期已完成了標(biāo)準(zhǔn)平板試件的大電流直接效應(yīng)試驗、掃掠通路試驗及壓縮剩余強度試驗等項目的雷擊模擬選型試驗，試驗取得良好效果，可以認(rèn)為所選用的銅箔網(wǎng)能夠滿足雷電防護要求。目前正在進行復(fù)合材料典型結(jié)構(gòu)雷電防護選型試驗，主要驗證結(jié)構(gòu)導(dǎo)電通路電流傳導(dǎo)的有效性和可靠性。

復(fù)合材料典型結(jié)構(gòu)雷電防護選型試驗件示意圖見圖6。

3.5 先進制造技術(shù)應(yīng)用

3.5.1 蒙皮自動鋪帶技術(shù)

整體成型技術(shù)已廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料構(gòu)件的制造，當(dāng)復(fù)合材料零件的尺寸較大時，人工鋪層難度大、產(chǎn)品質(zhì)量也難以保證，因此，相應(yīng)的自動鋪帶技術(shù)(ATL)和纖維自動鋪放技術(shù)(AFP)等自動化制造技術(shù)應(yīng)運而生。

MA700飛機尾翼復(fù)合材料整體壁板結(jié)構(gòu)尺寸較大，不適于手工制造，只能采用自動鋪帶制造技術(shù)。目前已開展全尺寸平尾盒段下壁板試驗件的工藝驗證試驗工作。自動鋪帶技術(shù)工藝設(shè)備示意圖見圖7。

3.5.2 VARI低成本成形技術(shù)

復(fù)合材料液體成型工藝是目前在汽車、航空以及船舶制造業(yè)應(yīng)用的、最重要的復(fù)合材料低成本生產(chǎn)工藝之一[5]。

由于液體成型工藝具有因為較低的材料成本和材料固化成本等眾多的優(yōu)點，在歐美復(fù)合材料結(jié)構(gòu)研究開發(fā)計劃中受到重點關(guān)注。目前，VARI工藝是較成熟的低成本成形工藝技術(shù)，國外兩大民用飛機主要生產(chǎn)廠家波音與空客都己經(jīng)起步，將液體成型工藝分別應(yīng)用于新機型波音787(襟翼、副翼等)以及空客A380(艙壁)上。國內(nèi)液體成型技術(shù)尚處于技術(shù)積累及推廣應(yīng)用階段，復(fù)合材料液體成型工藝在民機上的應(yīng)用還是空白。

MA700飛機擾流板由擾流板本體和三個接頭組件組成，結(jié)構(gòu)示意圖見圖8。

擾流板本體結(jié)構(gòu)為泡沫夾層整體結(jié)構(gòu)形式，材料選用RTM6-2/G0926碳纖維環(huán)氧樹脂材料，采用VARI工藝制造。目前已完成全尺寸試驗件的制造和承載能力試驗，依據(jù)試驗結(jié)果基本可證明VARI工藝在擾流板本體結(jié)構(gòu)應(yīng)用具有較強的可行性。

3.5.3 先進裝配連接技術(shù)

飛機裝配中的連接質(zhì)量極大地影響飛機壽命。為了實現(xiàn)飛機長壽命、高可靠性的設(shè)計目標(biāo)，MA700飛機關(guān)鍵與重要區(qū)域復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件采用自動鉆鉚工藝方法進行制孔和連接裝配[6]。

機械連接仍將是MA700飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)主要連接方法，包括鉚接和螺接等，而螺接包括普通螺栓連接和高鎖螺栓等特種緊固件連接。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)連接一直是復(fù)合材料應(yīng)用中的薄弱環(huán)節(jié)，制約著復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用。

實施自動鉆鉚技術(shù)不只是工藝機械化、自動化的要求，更主要是飛機本身性能的要求[7]。關(guān)鍵、重要連接區(qū)采用手工鉚接難以保證穩(wěn)定的連接質(zhì)量，自動鉆鉚技術(shù)能高質(zhì)量、高效率的安裝緊固件，特別是能滿足現(xiàn)代飛機高疲勞壽命、高營運經(jīng)濟效益的要求。西方航空發(fā)達國家已研發(fā)了大量復(fù)合材料自動鉆鉚設(shè)備，并得到良好應(yīng)用。

目前已開展了相關(guān)MA700飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)自動鉆鉚工藝驗證試驗，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)自動鉆鉚工藝設(shè)備示意圖見圖9。

3.6 數(shù)字化設(shè)計/制造/管理一體化技術(shù)應(yīng)用

在MA700飛機設(shè)計中，全面采用三維數(shù)字化定義(DPD)、數(shù)字化預(yù)裝機(DPA)和并行工程(CE)，基本實現(xiàn)無紙設(shè)計，建立從設(shè)計、生產(chǎn)到管理的全數(shù)字化信息流。

4 應(yīng)用可行性分析

4.1 安全性分析

波音公司公布B787飛機使用50%復(fù)合材料之初，空客曾懷疑過其安全性。但美國人認(rèn)為是安全的，因為從上世紀(jì)70年代至今，復(fù)合材料在飛機上已經(jīng)應(yīng)用了40多年，在各方面做了很多實驗，技術(shù)也已十分成熟，將用量擴大至50%是安全的；同時復(fù)合材料已接受了軍用飛機多年的實踐檢驗，證明完全可以確保它的安全性，使用了60%復(fù)合材料的B2遠程戰(zhàn)略轟炸機在美國空軍服役已超過20年?？湛凸居捎谑艿讲ㄒ艄緩?fù)合材料高用量的威脅，將繼A380之后的下一代商用飛機A350XWB的復(fù)合材料用量由最初的37%提高到52%，以形成與B787飛機的競爭。ATR72飛機1988年首飛，復(fù)合材料應(yīng)用比例約為22%，到目前已安全飛行20多年。

國內(nèi)外復(fù)合材料應(yīng)用情況表明，軍機、民機從未發(fā)生過因大量使用復(fù)合材料而造成的飛行事故。MA700飛機復(fù)合材料部件與組件將通過精細化的設(shè)計與分析、可控的材料體系與制造工藝及積木式的試驗驗證工作，確保研發(fā)質(zhì)量。因此，MA700飛機應(yīng)用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)是安全的。

4.2 設(shè)計與制造能力分析

國內(nèi)目前已經(jīng)積累了一定的復(fù)合材料技術(shù)基礎(chǔ)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計、強度分析、制造、檢測和試驗等方面都具有一定的水平和經(jīng)驗，可以說達到了尾翼級部件應(yīng)用復(fù)合材料的設(shè)計、制造能力。此外，多年來對外國際合作形成的成果和國外民機研制經(jīng)驗，可以供MA700飛機應(yīng)用復(fù)合材料借鑒。開發(fā)和應(yīng)用國外先進國家比較成熟的技術(shù)，聘請國外專家進行技術(shù)咨詢，進行適當(dāng)?shù)膰H合作等，都可以提高MA700飛機復(fù)合材料技術(shù)的起點和降低技術(shù)風(fēng)險。

中航工業(yè)復(fù)材中心、哈飛、成飛、沈飛及西飛公司在復(fù)合材料成形工藝技術(shù)方面都積累了較豐富的經(jīng)驗；623所有結(jié)構(gòu)強度試驗方面的經(jīng)驗；603所和640所有民機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計的經(jīng)驗；601和611所有軍機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計/分析的經(jīng)驗。隨著近年來國內(nèi)主要航空單位對復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)的日益重視，不斷加大資金投入，軟件和工藝設(shè)備配置規(guī)模和質(zhì)量都有較大程度的提高，能夠滿足大型復(fù)雜主承力復(fù)合材料構(gòu)件制造對硬件建設(shè)方面的需求，與國外發(fā)達國家的差距明顯縮小。

因此，充分利用國內(nèi)設(shè)計、制造力量，必要時進行適當(dāng)?shù)膰H合作，MA700飛機應(yīng)用復(fù)合材料的目標(biāo)是能夠?qū)崿F(xiàn)的。

4.3 材料選用分析

國內(nèi)研制的幾類不同性能的樹脂體系已在軍用飛機上應(yīng)用。國產(chǎn)碳纖維CCF-1經(jīng)過綜合評定，性能已達到了日本T300量級纖維的水平，已基本完成了軍用飛機結(jié)構(gòu)工程化應(yīng)用研究工作，進入批生產(chǎn)階段，基本上滿足了武器裝備研制對碳纖維材料的需求。

但是，國產(chǎn)碳纖維和樹脂體系都沒有取得適航部門的認(rèn)證，而這個認(rèn)證過程需完成大量多批次的測試工作，周期漫長且費用很高，難以滿足MA700飛機的研制要求。所以，MA700飛機復(fù)合材料原材料(包括樹脂、纖維和預(yù)浸料等)需從國外專業(yè)材料公司進口。

美國的Hexcel公司和Cytec公司為全球知名的復(fù)合材料供應(yīng)商，均取得了美國FAA適航認(rèn)證，其產(chǎn)品為多家飛機制造公司選用(例如波音、空客等)，在國內(nèi)轉(zhuǎn)包生產(chǎn)中也已經(jīng)應(yīng)用。Hexcel公司和Cytec公司已在中國的天津、上海建預(yù)浸料廠，分別為中國的葉片和大飛機生產(chǎn)提供預(yù)浸料。Hexcel公司和Cytec公司的復(fù)合材料能夠滿足MA700飛機復(fù)合材料選材要求，材料進口途徑暢通，同時為飛機取得CAAC/FAA適航證創(chuàng)造了有利條件。

由于復(fù)合材料所具有的特殊性，設(shè)計、工藝、標(biāo)準(zhǔn)等部門應(yīng)成立聯(lián)合工作，制定MA700飛機復(fù)合材料標(biāo)準(zhǔn)和工藝文件，形成復(fù)合材料應(yīng)用的體系文件。有轉(zhuǎn)包生產(chǎn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)體系文件的借鑒，以及ARJ21和C919飛機研究成果的支持，相信能夠解決MA700飛機復(fù)合材料材料供應(yīng)渠道和體系文件的建立。

4.4 成本效益分析

4.4.1 復(fù)合材料的特點

與鋁合金結(jié)構(gòu)相比較，復(fù)合材料的優(yōu)點主要有：(1)重量輕；(2)抗腐蝕性好；(3)抗疲勞損傷性能好；(4)機械加工量少；(5)可設(shè)計性好，可按所需強度或剛度方向確定纖維方向；(6)適合生產(chǎn)形狀復(fù)雜或混合固化零件；(7)適用于整體結(jié)構(gòu)，組合件數(shù)量和緊固件數(shù)量均減少。

與鋁合金結(jié)構(gòu)相比較，復(fù)合材料的缺點主要有：(1)材料及制造成本高；(2)需通過大量試驗確定材料及設(shè)計許用值；(3)受濕熱影響，機械特性會降低；(4)抗沖擊損傷特性差；(5)雷電防護設(shè)計技術(shù)要求較高[3]。

4.4.2 成本效益分析

民用飛機復(fù)合材料應(yīng)用的高成本主要體現(xiàn)在形成工程和工藝數(shù)據(jù)庫的高成本、較高的取證費用、加工成本費用、以及可能給航空公司帶來的飛機使用和維護成本的增加。波音、空客等飛機公司對于復(fù)合材料的應(yīng)用進行了大量材料和制造成本的分析，在開展大量前期研究的基礎(chǔ)上，逐步推進在飛機結(jié)構(gòu)中應(yīng)用。從波音、空客、ATR等公司的研究和應(yīng)用結(jié)果看，飛機結(jié)構(gòu)應(yīng)用復(fù)合材料是實現(xiàn)機體結(jié)構(gòu)減重、實現(xiàn)機體結(jié)構(gòu)高效率和降低直接運營成本的有效途徑，應(yīng)用復(fù)合材料具有較高的性價比，能夠降低整個壽命期飛行成本，為航空公司帶來更大的經(jīng)濟效益，飛機產(chǎn)品具有更強的競爭力。因此，盡管前期研究成本很高，但綜合效益較好。

MA700飛機應(yīng)用復(fù)合材料的效益如何？飛機性能改善和研制成本的關(guān)系如何？由于國內(nèi)復(fù)合材料的研究和應(yīng)用起步較晚，一些關(guān)鍵/基礎(chǔ)技術(shù)還處于研究階段，原材料還依賴進口，因此，效益問題目前還無法定量給出。但通過國外復(fù)合材料的應(yīng)用，明顯看出了復(fù)合材料的發(fā)展和應(yīng)用趨勢，應(yīng)用復(fù)合材料所帶來的良好效益是肯定的。

可以預(yù)見，在MA700飛機上逐步、適量的應(yīng)用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，必將帶來好的經(jīng)濟效益和社會效益。

4.5 關(guān)鍵技術(shù)及解決途徑

長期以來，國外主要航空大國投入了大量人力、物力開展復(fù)合材料應(yīng)用研究，到目前已基本解決了飛機型號中的關(guān)鍵技術(shù)問題，能夠滿足適航對飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的要求。復(fù)合材料應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)目前仍為國外公司控制，與國內(nèi)技術(shù)的與國內(nèi)技術(shù)的交流受到限制。

國內(nèi)對復(fù)合材料的研究一直沒有間斷，但由于組織體系等原因，未能形成較為系統(tǒng)并可工程應(yīng)用的研究成果。近年來，國家加大了對復(fù)合材料應(yīng)用的研究力度，部分關(guān)鍵技術(shù)研究已取得突破性進展，可望在飛機型號中應(yīng)用。

MA700飛機結(jié)構(gòu)應(yīng)用復(fù)合材料需要解決以下關(guān)鍵技術(shù)并完成相應(yīng)工作：(1)材料體系、材料性能及結(jié)構(gòu)設(shè)計許用值的確定。(2)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強度分析和設(shè)計優(yōu)化技術(shù)。(3)低成本設(shè)計和制造技術(shù)。(4)雷電與靜電防護設(shè)計技術(shù)。(5)大型復(fù)雜復(fù)合材料加筋整體壁板成形工藝。(6)真空輔助樹脂滲透工藝(VARI)低成本成形工藝。(7)結(jié)構(gòu)損傷維修和修理技術(shù)。(8)適航驗證技術(shù)。

解決上述關(guān)鍵技術(shù)，完成相關(guān)工作，要充分利用國內(nèi)資源，總結(jié)已有成果，必要時適當(dāng)進行國際合作。為解決以上MA700飛機結(jié)構(gòu)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)，制訂了攻關(guān)計劃并開展了相關(guān)研究和試驗工作，現(xiàn)已取得階段性成果。

5 結(jié)束語

(1) 在MA700飛機的設(shè)計過程中，安全性、長服役壽命、最小重量、可維護性四個主要方面的性能是必須要考慮的。在MA700飛機上應(yīng)用復(fù)合材料是我國航空實現(xiàn)跨越發(fā)展的迫切需求，同時也是我國航空復(fù)合材料發(fā)展到了一定程度的必然結(jié)果。

(2) MA700飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用方案的制定以國內(nèi)設(shè)計、制造能力為基礎(chǔ)，借鑒國外飛機復(fù)合材料應(yīng)用和國內(nèi)轉(zhuǎn)包生產(chǎn)的成功經(jīng)驗；該方案切合實際，具有可行性；與國外同類飛機相比，MA700飛機復(fù)合材料用量低于ATR72飛機，高于Q400飛機，主要是為了適應(yīng)MA700飛機總體設(shè)計目標(biāo)和要求需要，以便得到更好的性能價格比，滿足項目成功需要。

[1]中國航空研究院.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊[M].北京：航空工業(yè)出版社，2001：1-2.

[2]楊乃賓，章怡寧.復(fù)合材料飛機結(jié)構(gòu)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2002：2-3.

[3]沈真.復(fù)合材料及其在飛機結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用論文[C].先進復(fù)合材料制造技術(shù)培訓(xùn)，哈爾濱，2011：5-8.

[4]陳亞莉.A350XWB的選材思路分析論文[C].航空復(fù)合材料專家論壇，西安，2009：2-38.

[5]牛春勻.實用飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造[M].北京：航空工業(yè)出版社，2010：17-18.

[6]中國航空研究院.復(fù)合材料連接設(shè)計手冊[M].北京：航空工業(yè)出版社，2014：223-225.

Application of Composite Structures in MA700 Aircraft

Wang Xinnian，Yao Xionghua

(FAI-AVIC，Xi’an 710089)

This paper expounds the necessity of using composite structures in MA700 aircraft，and introduces the application situation of composite structures in current foreign turboprop regional aircrafts and the application and technological developments of composites in domestic civil aircrafts.Next，the paper describes the guidelines for using composite structures in MA700 aircraft and comprehensively demonstrates the feasibility of the scheme of using composites in MA700 aircraft in terms of safety，design and manufacturing capabilities，cost and benefit，key technologies and solutions.In the design of MA700 aircraft，the safety，long service life，minimum weight and maintenance are four main aspects that must be considered.The use of composites in MA700 aircraft is not only the urgent demand of leap-type development of Chinese airlines，but also an inevitable result of the development of China’s aviation composites to certain extent.

composite structure；MA700 turboprop regional aircraft；application feasibility

TQ171.77+7

A

2016-11-15

王新年，男，1973年生，高級工程師。主要從事飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的研究。

修回日期：2016-12-05