【原】【技術(shù)干貨】詳細(xì)解析碳纖維復(fù)合材料在空客A350飛機(jī)中應(yīng)用

碳纖復(fù)材 2020-12-03

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新聞事件：2019年12月19日，歐洲空客公司向Cara?bes航空公司移交了第一架A350-1000飛機(jī),，這是空中客車公司新一代A350 XWB系列飛機(jī)的最大成員,。A350 XWB采用最新的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì),，并且在機(jī)身和機(jī)翼大量采用碳纖維復(fù)合材料,，以及使用了新型節(jié)油的勞斯萊斯發(fā)動(dòng)機(jī)。在這些功能協(xié)同作用下,，A350 XWB燃油消耗和排放降低了25％,。截至2019年11月底,，A350 XWB系列飛機(jī)已收到來(lái)自全球51個(gè)客戶的959筆確認(rèn)訂單,，使其成為有史以來(lái)最成功的寬體飛機(jī)之一,。

空客A350民用飛機(jī)

空客A350 XWB系列民用飛機(jī)

目前A350 XWB系列民用飛機(jī)共有三種機(jī)型,，分別為A350-800,、A350-900,、A350-1000,。三款飛機(jī)主要區(qū)別在于飛機(jī)總長(zhǎng)度和座位數(shù)（圖1）,，其中A350-1000是該系列載客量最大一款飛機(jī),，座位數(shù)可達(dá)350人,。

圖1 空客公司A350系列民用飛機(jī)尺寸、行程及起飛重量

A350 XWB系列民用飛機(jī)從2007年概念設(shè)計(jì)凍結(jié)到首飛再到量產(chǎn)也經(jīng)過(guò)近10年的發(fā)展歷程（圖2）,。

圖2 空客公司A350系列民用飛機(jī)發(fā)展歷程

相比于空客公司以往型號(hào)飛機(jī),，A350系列飛機(jī)的新穎性不單單體現(xiàn)在設(shè)計(jì)上采用了新機(jī)艙橫截面，機(jī)械結(jié)構(gòu)件中采用了新發(fā)動(dòng)機(jī),，而從其材料體系上,，該款飛機(jī)80%以上采用了先進(jìn)材料,。

A350飛機(jī)主要應(yīng)用先進(jìn)材料包括碳纖維復(fù)合材料（53%）、鋁合金（19%）,、鈦合金（14%）等,，如圖3所示,。與之相比,，目前國(guó)產(chǎn)C919飛機(jī)中碳纖維復(fù)合材料,、鋁合金,、鈦合金應(yīng)用比例分別為12%,、70%,、9%,，其中在碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用上與A350差距顯著,。

圖3 空客公司A350飛機(jī)采用的材料體系

其實(shí)在2005年A350飛機(jī)設(shè)計(jì)之初,，碳纖維復(fù)合材料,、鋁合金（含鋁鋰合金）,、鈦合金應(yīng)用比例分別為40%、31%,、9%,，為了實(shí)現(xiàn)飛機(jī)進(jìn)一步輕量化,，在最終定型設(shè)計(jì)中,，金屬鋼,、鋁合金用量進(jìn)一步下降,，而碳纖維復(fù)合材料和鈦合金比例增加（圖4）,。

圖4 空客公司A320到A350飛機(jī)材料體系發(fā)展

詳解CFRP在A350飛機(jī)中的應(yīng)用

關(guān)于碳纖維復(fù)合材料在飛機(jī)中大量應(yīng)用，空客公司也是經(jīng)歷了一個(gè)逐漸認(rèn)知的過(guò)程,，隨著空客飛機(jī)中碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用比例逐漸提高（圖5），而碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用又為空客公司積累的豐富的經(jīng)驗(yàn),。

圖5 空客飛機(jī)中碳纖維復(fù)合材料比例增長(zhǎng)情況

1,、機(jī)身主要結(jié)構(gòu)

A350 XWB結(jié)構(gòu)分解如圖6所示,，在其設(shè)計(jì)時(shí)采用了典型機(jī)身、機(jī)翼和尾翼三個(gè)結(jié)構(gòu),，并且它們都得益于空客在復(fù)合材料領(lǐng)域積累的經(jīng)驗(yàn),。憑借CFRP在飛機(jī)服役中的經(jīng)驗(yàn),，其活動(dòng)部件如方向舵等由整體結(jié)構(gòu)制成,，從而提高了其運(yùn)行性能,。而尾翼的經(jīng)驗(yàn)也使其在機(jī)翼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用,。

圖6 空客A350飛機(jī)結(jié)構(gòu)分解

后梁和前梁分為三部分,，分別支撐上,、下蓋板。機(jī)翼箱結(jié)構(gòu)由長(zhǎng)為32m的單塊CFRP頂蓋和底蓋,、前后CFRP翼梁（共3件）組成，內(nèi)部用金屬肋加強(qiáng),。主起落架通過(guò)后翼梁上的前樞軸配件和齒輪梁上的后樞軸配件固定在機(jī)翼盒中,。齒輪梁固定在機(jī)身內(nèi)側(cè)和后梁外側(cè),。雙面支架用于更好地輔助制動(dòng)，并將載荷轉(zhuǎn)移到機(jī)身結(jié)構(gòu)中,。

2、耐腐蝕性設(shè)計(jì)

為了能夠應(yīng)對(duì)各種環(huán)境條件下的腐蝕威脅,，A350 XWB采用了嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)應(yīng)對(duì),。由于CFRP具有優(yōu)異的耐腐蝕特性,，因此CFRP應(yīng)用比例高達(dá)53%，而在易受液體侵蝕的區(qū)域中,，使用鈦合金來(lái)替代傳統(tǒng)鋁已被鈦替代。同樣,，機(jī)身下部的金屬框架由鈦合金制成,，而不是鋁合金制成,。

在A350飛機(jī)中通過(guò)特定的材料混合,，如將鈦的使用量增加到機(jī)身結(jié)構(gòu)質(zhì)量的14％,、將CFRP的使用量增加到53％，從而可使針對(duì)飛機(jī)腐蝕性檢查的間隔延長(zhǎng),，在大多數(shù)地區(qū)無(wú)檢查期可達(dá)到12年。

3、機(jī)身設(shè)計(jì)與組裝概念

增壓機(jī)身是基于經(jīng)典且堅(jiān)固的型材組裝概念,，但已利用新的CFRP技術(shù)對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化。改進(jìn)后每個(gè)CFRP部分都由4個(gè)面板組成（圖7）,。面板的周向和縱向尺寸均經(jīng)過(guò)優(yōu)化,，以提高飛機(jī)性能：

· 周向接頭的位置遠(yuǎn)離機(jī)翼到機(jī)身交界的重載區(qū)域,；
· 接頭在縱向和圓周方向上也遠(yuǎn)離主要的機(jī)身開(kāi)口，例如乘客門(mén)和貨艙門(mén),；
· 連接的類型也進(jìn)行了優(yōu)化，而且為這些連接點(diǎn)提供了更多的支撐結(jié)構(gòu),，可以保障在嚴(yán)重?fù)p壞的情況下修復(fù)飛機(jī),。

將較長(zhǎng)的面板組裝成四個(gè)部分與只有圓柱形部分結(jié)構(gòu)相比，成型加工會(huì)更成熟,，而且對(duì)飛機(jī)更有利。

圖7 空客A350飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)

4,、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

飛機(jī)結(jié)構(gòu)的抗損傷能力是滿足其適航性不可或缺的一部分,，為了提高A350結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,，主要解決方案是在最經(jīng)常影響飛機(jī)結(jié)構(gòu)的區(qū)域改變CFRP蒙皮的厚度,，比如與低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域相比,，門(mén)圍的皮膚厚度增加了3到5倍。最終效果是它比金屬產(chǎn)品對(duì)沖擊損傷的敏感性更低,，同時(shí)有助于整體性能的提高。

A350飛機(jī)中CFRP設(shè)計(jì)創(chuàng)新性

與以往飛機(jī)用CFRP相比,，A350在設(shè)計(jì)時(shí)提出了一些新概念，并且付諸實(shí)施,，新設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面（圖8-11）,，針對(duì)不同應(yīng)用特性開(kāi)展的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)最終也取得一定成效,。