在不久前結(jié)束的第十一屆珠海航展上，身披碳纖維特殊涂裝的空中客車A350WB超寬體客機備受關(guān)注。在航展中，A350WB進行了靜態(tài)和飛行展示，并在海口、北京、上海、廣州和成都等五城進行巡演。

    A350WB是空中客車公司與波音B787“夢想客機”競爭的新一代機型，其中XWB意為超寬體客機（eXtra Wide—Body），是在空客A330的基礎(chǔ)上改進，迄今為止被認為復(fù)合材料用量占全機結(jié)構(gòu)重量比例最大的一種客機：以碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料為代表的新型材料，能夠有效降低機體重量，降低油耗，并減少維修成本，頗受航空公司歡迎。

    占重達53%，史上復(fù)合材料最多的客機

    此次飛抵中國的A350MSN2號測試機，遠看涂裝類似于“蛇皮袋”，其實這是特別設(shè)計的碳纖維涂裝，其機身的特殊噴涂是放大的碳纖維結(jié)構(gòu)，而A350是迄今為止被認為復(fù)合材料用量占全機結(jié)構(gòu)重量比例最大的一種客機。

    復(fù)合材料、鈦和新一代鋁合金被廣泛應(yīng)用于A350WB寬體飛機，空客根據(jù)這些材料的最佳特性將它們分別應(yīng)用于機身的不同部位。據(jù)介紹，復(fù)合材料占A350WB機體重量達53%，為民用飛機史上最高。空客方面的宣傳稱，新型材料的廣泛使用使A350WB的整體機身疲勞和耐腐蝕性維護工作減少60%。

    值得注意的是，在最初的設(shè)計中，該系列飛機的方案是采用占機體重量35%的復(fù)合材料，但在波音B787復(fù)合材料占重達機體重量50%的壓力下，空客不得不“三易其稿”，終于誕生了這臺史上復(fù)合材料使用率最高的民用飛機。

    A350WB機身是由四個部分的復(fù)合材料面板組裝至碳纖維框架而成，其中有兩塊側(cè)面板、一塊頂面板及一塊機腹面板。

    A350WB的機翼主要由碳纖維復(fù)合材料制成，空客通過廣泛使用計算流體力學(xué)技術(shù)和風(fēng)洞試驗對其進行優(yōu)化，從而使A350WB擁有更快的0.85馬赫的巡航速度。這不僅縮短了飛行時間，為航空公司提升了運營效率，而且進一步拓展了飛機的航程。A350WB系列的兩個型號采用同樣的機翼平臺——翼展64.7米，總面積442平方米及大角度后掠機翼。但是，A350WB不同機型機翼的內(nèi)部結(jié)構(gòu)將有所不同，從而滿足每個特定機型的不同要求。

    此外，A350WB的發(fā)動機也有升級：采用了羅爾斯·羅伊斯公司生產(chǎn)的新型高效遄達XWB發(fā)動機，能夠降低燃油消耗25%，降低排放25%，維護成本也大幅下降。對于乘客來說，A350WB客艙還擁有更大的舷窗、更大的頭頂行李艙。

    復(fù)合材料優(yōu)勢：提高乘客舒適度 降低油耗

    長期以來，民用飛機大量使用鋁合金作為主要材質(zhì)。而隨著材料科學(xué)發(fā)展，以碳纖維為代表的復(fù)合材料逐漸開始被大量應(yīng)用。

    航空制造領(lǐng)域?qū)＜摇⒈本┖娇蘸教齑髮W(xué)教授范玉青介紹，先進復(fù)合材料及其相關(guān)技術(shù)經(jīng)過多年的研究和應(yīng)用的發(fā)展，不僅其技術(shù)日趨成熟，價格也大幅降低，“由于復(fù)合材料具有比強度和比模量高，抗疲勞性能、耐腐蝕性能和整體成形性好等許多優(yōu)異特性，將其用于飛機結(jié)構(gòu)上，可比常規(guī)的金屬結(jié)構(gòu)減重25%到30%，而且使飛機隱身、氣動彈性等綜合性能得到改善和提高。”

    中國材料研究學(xué)會常務(wù)理事唐見茂認為，就復(fù)合材料而言，在航空航天領(lǐng)域，目前和今后20—30年的發(fā)展主流是用于制造空天飛行器結(jié)構(gòu)件的碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料。

    2007年下線的“夢想客機”波音B787機體的主要結(jié)構(gòu)機身和機翼幾乎都由此類復(fù)合材料制成，僅少數(shù)機體部位應(yīng)用鋁合金，以防飛鳥的碰撞和發(fā)動機高溫的影響。唐見茂評價稱，空客A350WB和B—787的復(fù)合材料用量分別達到53%和50%，這標志著航空航天復(fù)合材料發(fā)展新的里程碑。

    唐見茂介紹，早在上世紀60年代，美國就陸續(xù)將碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料用在軍機上，現(xiàn)在復(fù)合材料的用量已經(jīng)占軍用飛機結(jié)構(gòu)質(zhì)量的20%—50%。

    唐見茂說，復(fù)合材料在軍機上的應(yīng)用從起步到主結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用，也就是10多年；而在民機上的應(yīng)用從20世紀80年代開始到大范圍的應(yīng)用，經(jīng)歷了30多年。

    不過，航空公司對于大量采用復(fù)合材料的飛機非常歡迎：復(fù)合材料重量輕，油耗降低，運營成本顯著降低。

    另外，復(fù)合材料還能夠提高乘客舒適度。“多次乘過飛機的人都有這樣的體會，當(dāng)?shù)巧巷w機時，會立即感到客艙內(nèi)的環(huán)境令人不適，特別是在飛行過程中，客艙內(nèi)干燥的空氣，加上含氧量偏低，容易讓人頭疼、頭暈，使人疲勞。”范玉青介紹，“這是由于當(dāng)前的商用客機，客艙內(nèi)的氣壓相當(dāng)于海拔8000英寸（約2438米）高度的大氣壓強。飛機只能增壓到這種高度的壓強，是因為客機的機身是由鋁合金壁板通過幾十萬到上百萬個鉚釘?shù)染o固件連接組裝而成，它在一定壓強作用下，氣密性較差，金屬機身耐疲勞性能也較差；另一方面，由于金屬機身在一定濕度下易受腐蝕，所以航空公司把客艙內(nèi)空氣濕度保持在極低水平。這就是人們乘坐飛機旅行不舒適的主要原因。”

    而采用復(fù)合材料的機身，能夠減少大量結(jié)構(gòu)件數(shù)量。范玉青表示，“不僅在很大程度上簡化了制造工藝，更重要的是，長期加濕不會對飛機造成腐蝕，艙內(nèi)空氣濕度可提高10%—20%。同時增加艙內(nèi)的氣壓和空氣的含氧量。”這些能夠大幅提高乘客舒適度。

    有計算表明，以波音B787為例，其艙壓的提高僅僅使機身質(zhì)量增加了70公斤；而如果使用鋁合金機身，要達到這一指標，其結(jié)構(gòu)質(zhì)量將增加1噸。

    另一方面，復(fù)合材料易于集成制造，結(jié)構(gòu)件的共固化和整體成型技術(shù)能夠顯著減少零件和緊固件的數(shù)量，縮短生產(chǎn)周期，減少制造和裝配工時，大幅度降低生產(chǎn)成本，并降低維修成本。此外，整體成型的復(fù)合材料機身比用鉚釘連接的鋁合金機身的表面光潔度提升不少，能有效減少機身表面的湍流噪聲，為乘客提供更安靜的環(huán)境。

    碳纖維還是鋁鋰合金？

    碳纖維復(fù)合材料在空客A350WB和波音B787等新一代民用飛機上的大量應(yīng)用，對傳統(tǒng)鋁合金材料形成了前所未有的挑戰(zhàn)。面對新材料的挑戰(zhàn)，鋁合金并非“束手無策”：性能更強的鋁鋰合金也逐漸成為航空材料的主流，并試圖“反攻”碳纖維。

    無可回避的是，在優(yōu)點背后，碳纖維復(fù)合材料也具有一些突出的缺點，比如：工裝模具需要專門設(shè)計，且一般都比較龐大和笨重；如機翼、機身這樣的主承力結(jié)構(gòu)件固化通常需要熱壓罐，能耗大且費時等等。再者，由于材料屬性、設(shè)計經(jīng)驗和制造水平等問題，一些結(jié)構(gòu)件采用復(fù)合材料后可能還不如鋁合金效果好。此外，生產(chǎn)能力也是影響工廠選擇的一個因素：例如，波音B787交付延遲有一部分原因就在于生產(chǎn)商的復(fù)合材料供貨能力不足。

    鋁鋰合金材料在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。據(jù)悉，向鋁金屬中每添加1%的鋰，鋁合金的密度就下降約3%，而其彈性模量則會上升約6%，這能夠極大提升鋁合金性能。另外，有數(shù)據(jù)顯示，目前鋁鋰合金的成本僅為碳纖維復(fù)合材料的10%。

    在空客的宣傳中，鋁鋰合金也是其重要的“先進材料”。事實上，在A350WB機翼承重的翼肋部分，大量使用了鋁鋰合金。據(jù)了解，空客在選擇該翼肋的用料時，主要以重量與成本的比值作為篩選依據(jù)，認為對于承力大的翼肋，鋁鋰合金優(yōu)于復(fù)合材料。

    而在機頭材料的選取上，空客公司反復(fù)對比鋁鋰合金與復(fù)合材料，最終選擇前者。因為若采用復(fù)合材料，還需要用鈦合金來增強以抗鳥撞，而用鋁鋰合金，相對經(jīng)濟又抗沖擊。

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