這里的機(jī)身說(shuō)的是單通道、窄體、100座以上的民機(jī)的機(jī)身。目前這類(lèi)民機(jī)有空客A320、波音737、商飛C919、俄羅斯MC-21以及空客A220（原加拿大龐巴迪的C系列飛機(jī)）。

表1.  部件使用的材料

波音787和空客A350投入航線快十年了。航空公司和廣大乘客都感受到碳纖維復(fù)合材料帶來(lái)的福祉。民機(jī)使用復(fù)合材料已經(jīng)成為衡量先進(jìn)與否的重要標(biāo)志之一。特別是機(jī)身使用復(fù)合材料被譽(yù)為民機(jī)工業(yè)的“革命”。

現(xiàn)A320和B737盡管機(jī)翼、機(jī)身都是用金屬制造。但這種大小的飛機(jī)銷(xiāo)路十分火爆，是這兩家飛機(jī)制造公司的拳頭產(chǎn)品、也是搖錢(qián)樹(shù)。近些年其他公司新研發(fā)的飛機(jī)，僅機(jī)翼使用了復(fù)合材料。她們還不能對(duì)A320和B737的市場(chǎng)構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。因此，空客和波音對(duì)用復(fù)合材料制造機(jī)翼和機(jī)身的方案，遲遲沒(méi)有啟動(dòng)。沒(méi)有啟動(dòng)不等于不做工作。今年巴黎復(fù)合材料展會(huì)和航展，以及近期有關(guān)復(fù)合材料報(bào)道的文章，都清晰地看到空客和波音在A350和787投產(chǎn)后，結(jié)合它們的經(jīng)驗(yàn)，一直在研究如何把復(fù)合材料更好地應(yīng)用在單通道民機(jī)上。雙方都想在用復(fù)合材料制造機(jī)翼、機(jī)身的單通道民機(jī)上，再爭(zhēng)高下。如，東麗為波音研發(fā)的、制造受力結(jié)構(gòu)的、新型樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合材料預(yù)浸料：T1100/3960。同時(shí)還展出了蒙皮、長(zhǎng)桁、大梁集成的尾翼組件試驗(yàn)件?？湛秃退暮献骰锇橐碴懤m(xù)發(fā)表了，在“明日之翼”項(xiàng)目合作研發(fā)的一些成果?！懊魅罩怼泵鞔_地表示，替代A320的新型號(hào)民機(jī)，機(jī)翼將是蒙皮、長(zhǎng)桁、大梁集成的結(jié)構(gòu)。同時(shí)要采用滿足生產(chǎn)進(jìn)度需求的樹(shù)脂注入工藝。最近為空客和波音制造大部件的SpiritAeroSystems公司，公布了制造新一代單通道民機(jī)機(jī)身的創(chuàng)新方案。新機(jī)身創(chuàng)新壁板造使用新材料/新工藝結(jié)合，集成制造蒙皮和長(zhǎng)桁，節(jié)約成本30%（圖1.）。

圖1.  在巴黎航空展上首次亮相的5.5×3.7米的展示機(jī)身板組件

在巴黎航空展上首次亮相的5.5×3.7米的展示機(jī)身板組件，集成了蒙皮和長(zhǎng)桁，并提供了可觀的成本節(jié)約和強(qiáng)大的性能。

創(chuàng)新材料

新機(jī)身創(chuàng)新壁板造使用新材料/新工藝結(jié)合，集成制造蒙皮和長(zhǎng)桁，節(jié)約成本30%。制造蒙皮、長(zhǎng)桁所用的材料是，東麗新研發(fā)的環(huán)氧樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合材料T1100/3960。

• 制造長(zhǎng)桁用預(yù)浸3960基材樹(shù)脂的QISO?準(zhǔn)各向同性織物（又叫無(wú)卷曲織物 - NCF）。

• 制造蒙皮用T1100/3960預(yù)浸基材樹(shù)脂的碳纖維無(wú)捻紗帶。

T1100是2017年?yáng)|麗引入市場(chǎng)的。它不但提高了強(qiáng)度，而且還提高料模量。它是介入中模量（IM）和高模量（HM）之間的一種新纖維，被稱(chēng)為IM 纖維。

T1100碳纖維使用了東麗定量技術(shù)，達(dá)到精細(xì)級(jí)控制纖維結(jié)構(gòu)。結(jié)果是顯著的性能改進(jìn)超過(guò)東麗的其他碳纖維，見(jiàn)表2.和表3.。

表2.  碳纖維強(qiáng)度性能數(shù)據(jù)

表3. 碳纖維性能范圍

東麗下一代3960預(yù)浸料系統(tǒng)展示了航空材料性能的下一個(gè)飛躍。它使用“納米-合金-基礎(chǔ)”的技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)拉伸強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。3960樹(shù)脂系統(tǒng)與先進(jìn)的T1100碳纖維的互補(bǔ)配對(duì)（Complementary pairing），為未來(lái)的材料提供了無(wú)與倫比的性能。高韌性，卓越的抗拉性能，以及保持121°C(250°F)的熱濕性能，使3960系統(tǒng)成為航空航天工業(yè)未來(lái)需求的明確選擇。   

T1100/3960它比其廣泛使用的前輩—東麗的T800S/3900預(yù)浸料—提供了20%以上的剛度，但沒(méi)有通常伴隨剛度增加而出現(xiàn)的強(qiáng)度下降。（T800S/3900-2B是波音787機(jī)身、機(jī)翼，以及波音777X機(jī)翼使用的材料。）

T1100/3960的抗拉強(qiáng)度為3797 MPa，抗拉模量為173GPa，（T800S/3900-2B抗拉強(qiáng)度為2960 Mpa，抗拉模量為153 GPa。飛機(jī)使用的高強(qiáng)度鋁合金7075拉伸強(qiáng)度為510Mpa，抗拉模量為71GPa。）

T1100/3960不用熱壓罐，在高溫爐中固化。

T1100/3960不僅適用于自動(dòng)鋪絲機(jī)（AFP）,還適用于手工鋪鋪放。

QISO? 準(zhǔn)各向同性織物（圖2.）是A&P技術(shù)公司(美國(guó)俄亥俄州辛辛那提市)的產(chǎn)品（用哪種纖維沒(méi)查到）。

圖2. 準(zhǔn)各向同性織物

創(chuàng)新工藝

圖3.   機(jī)身長(zhǎng)桁的演變

從圖3.清晰地看出，復(fù)合材料長(zhǎng)桁改變了原金屬長(zhǎng)桁的剖面。與蒙皮連接不再用鉚釘，而是共固化或者共膠接。這兩類(lèi)長(zhǎng)桁都是事先在長(zhǎng)桁制造車(chē)間制造好的。

創(chuàng)新機(jī)身壁板長(zhǎng)桁不再是單獨(dú)預(yù)先制造出來(lái)。長(zhǎng)桁由碳纖維QISO?準(zhǔn)各向同性織物預(yù)浸片制成。先將預(yù)浸片放置在開(kāi)槽的機(jī)身模具表面。然后，使用真空成型，預(yù)浸片被拉入長(zhǎng)桁圓弧凹槽，形成具有長(zhǎng)桁圓弧凹槽波紋的長(zhǎng)桁板。接著，就像波音787或者A350機(jī)身中段曲面板所做的一樣，用自動(dòng)鋪絲機(jī)（AFP）鋪放T1100/3960纖維帶，制造機(jī)身蒙皮。再在熱壓罐中固化。結(jié)果是機(jī)身蒙皮具有連續(xù)的內(nèi)表層，并具有完全集成的長(zhǎng)桁。創(chuàng)新工藝最突出的亮點(diǎn)是：

• 長(zhǎng)桁和蒙皮集成制造；

• 蒙皮內(nèi)表面貼合著一層無(wú)縫QISO?準(zhǔn)各向同性織物；

• 無(wú)排氣充氣囊系統(tǒng)；

• 長(zhǎng)桁剖面是圓弧狀。

模具型面使用雙馬來(lái)酰亞胺(BMI)碳纖維復(fù)合材料。型面與支撐結(jié)構(gòu)之間采用浮動(dòng)連接。

板件制成后，SpiritAeroSystems公司與威奇托州立大學(xué)的國(guó)家航空研究所(NIAR)合作，開(kāi)始了一項(xiàng)測(cè)試工作，旨在評(píng)估蒙皮和長(zhǎng)桁板的不同纖維組合。該公司測(cè)試了抗沖擊、強(qiáng)度、疲勞、環(huán)境沖擊、雷擊、FST(火焰、煙霧、毒性)和損傷容限。測(cè)試的結(jié)果，達(dá)到了公司的目標(biāo)厚度。

鋪放碳纖維帶使用Electroimpact公司 (Mukilteo, 華盛頓州)自動(dòng)鋪絲機(jī)（AFP），該機(jī)器可操縱鋪放放門(mén)開(kāi)口周?chē)膱A角（圓角半徑6英寸- 152.4毫米）。

SpiritAeroSystems公司雖然展示的創(chuàng)新材料和工藝，最適合基于曲面板的機(jī)身結(jié)構(gòu)（類(lèi)似A350），但是它也可以適用于基于整體桶的機(jī)身結(jié)構(gòu)(類(lèi)似波音787)。此外，該公司還開(kāi)發(fā)了一套制造生產(chǎn)線，稱(chēng)其可以滿足單通道項(xiàng)目每月60架次的需求。 

編譯感言

? 在介紹T1100/3960資料特別用到纖維與基材樹(shù)脂“互補(bǔ)配對(duì)”（Complementary pairing）一詞。這一點(diǎn)對(duì)國(guó)內(nèi)研發(fā)復(fù)合材料十分重要。

? 圖1所示的創(chuàng)新機(jī)身板件中，蒙皮和10根長(zhǎng)桁共固化后，成為一個(gè)零件。兩個(gè)復(fù)合材料框是在板件的裝配夾具中安裝的。框與蒙皮通過(guò)剪切角片與用鉚釘連接。

? 創(chuàng)新機(jī)身壁板的確適合，由曲面板組合的機(jī)身結(jié)構(gòu)。它要用于整體筒結(jié)構(gòu)的機(jī)身，想像中還有問(wèn)題。需要進(jìn)一步跟蹤、研究。

? Spirit在文章中還沒(méi)有披露空客、波音，到底是用曲面板組合的機(jī)身結(jié)構(gòu)，還是整體筒的機(jī)身結(jié)構(gòu)。

? 單通道民機(jī)機(jī)身（包括機(jī)翼）使用復(fù)合材料，一個(gè)共識(shí)是，在成本控制的前提下，“要有鋁合金的制造速度，又要有復(fù)合材料的優(yōu)越性能”。固化時(shí)間是一個(gè)重要因素。文章中還沒(méi)有固化時(shí)間。

? 單通道民機(jī)機(jī)體重量在23噸左右。如果機(jī)翼、機(jī)身使用復(fù)合材料，再加上尾翼用的復(fù)合材料，復(fù)合材料用量占機(jī)體重量的50%左右，即11.5噸。新型號(hào)民機(jī)目標(biāo)產(chǎn)量是每月60架，這也就是說(shuō)每月需要600多噸碳纖維復(fù)合材料。

? SpiritAeroSystems(美國(guó)堪薩斯州的威奇塔)她收購(gòu)了，波音公司在威奇塔的飛機(jī)部件制造廠。目前是世界第一大的飛機(jī)部、組件制造公司。其中最突出的是：目前她每月至少要向波音公司737在西雅圖的倫頓總裝廠，提供50個(gè)737整機(jī)身。737整機(jī)身用火車(chē)，由威奇塔運(yùn)輸?shù)絺愵D總裝廠（圖.4）。每月至少向波音787總裝廠交付16-17架787機(jī)頭段。機(jī)頭段用飛機(jī)運(yùn)輸（圖.5）。 

另外，在美國(guó)北卡羅來(lái)拉州的金斯頓新建復(fù)合材料部件制造工廠。專(zhuān)門(mén)為空客生產(chǎn)A350的中機(jī)身復(fù)合材6塊料曲面板（圖.6）。帶框的曲面板空運(yùn)到法國(guó)圖魯茲的總裝廠。

Spirit AeroSystems 還參加了空客的“明日之翼”項(xiàng)目的研發(fā)工作。 

圖4. 火車(chē)運(yùn)輸737整機(jī)身

圖5.  飛機(jī)運(yùn)輸787機(jī)頭段

圖6.  制造A350機(jī)身中段曲面板 

附：一組現(xiàn)搜索到的創(chuàng)新機(jī)壁身板詳圖：

參考資料：

《Spirit AeroSystems debuts next-generation composite fuselage pane》6/16/2019                                 

《SpiritAeroSystems collaborates on Wing of Tomorrow program》6/18/2019

《2019 Paris Air Show: Highlights》6/25/2019

《High-strength andHigh-modulus Carbon Fiber TORAYCA? T1100G》

《3960 PREPREG SYSTEM - Toray CompositeMaterials …》

《明日之翼》

本文作為向黨的98歲生日獻(xiàn)禮！

楊超凡

2019.6.26