地效飛行器在波浪中起降的過程位于氣水交界面上，受到高航速和波浪的雙重作用，這就對地效飛機的材料選擇提出了較高的要求，既要具有良好的抗沖擊性、抗海水腐蝕性以及足夠的強度、剛度、抗疲勞性能，又要盡量減輕結(jié)構(gòu)重量。鋁合金材料作為飛機設(shè)計的傳統(tǒng)材料，在強度、剛度、抗沖擊性方面性能優(yōu)異，但是其抗海水腐蝕性能差，而地效飛機的服役環(huán)境以海洋為主，海水的腐蝕極大增加了飛機的維護成本，降低了結(jié)構(gòu)壽命。先進的復(fù)合材料由于比強度比剛度高、可設(shè)計性強、抗疲勞斷裂性能好、耐腐蝕、結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)點，其在飛機上的應(yīng)用量已成為當(dāng)今衡量飛機先進性的重要指標(biāo)。地效飛機應(yīng)用復(fù)合材料不僅可解決飛機的海水腐蝕問題，同時由于復(fù)合材料可剪裁設(shè)計和便于大面積整體成型的獨特優(yōu)點，可減輕結(jié)構(gòu)重量，減少機械連接及整機的裝配任務(wù)量，在一定程度上降低了工裝成本。

    國外復(fù)合材料應(yīng)用現(xiàn)狀

    當(dāng)今世界上存在著一種飛機結(jié)構(gòu)復(fù)合材料化的趨勢，飛機設(shè)計要求為減重每1克重量而奮斗，比重僅為1.6g/cm3的先進復(fù)合材料，能夠給飛機結(jié)構(gòu)帶來20%~30%的減重，這是其他手段無法企及的。此外復(fù)合材料還具有可設(shè)計性強、疲勞性能好、耐腐蝕、便于整體成型等一系列的優(yōu)點。國外飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計中復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)已十分成熟。

    大型客機方面，以波音公司的B787為例，其復(fù)合材料用量占結(jié)構(gòu)重量的50%以上，包括機翼、機身、垂尾、平尾、發(fā)房、地板梁及部分艙門、整流罩等。在設(shè)計過程中采用了多項復(fù)合材料關(guān)鍵技術(shù)，包括新材料體系的研發(fā)、先進的結(jié)構(gòu)形式、低成本的制造工藝等，使飛機結(jié)構(gòu)重量大大減輕，運行成本也大幅下降，座公里數(shù)比其他同類飛機低10%，燃油消耗比其他同類飛機低20％，檢修時間由500小時提高到1000小時，檢修率相對降低30％。

    軍機方面， 復(fù)合材料在軍機上的應(yīng)用范圍遠高于民機。以F-22為例，其復(fù)合材料的總用量占結(jié)構(gòu)重量的25%，以雙馬樹脂為主的熱固性復(fù)合材料占24%，熱塑性復(fù)合材料占1%。在制造過程中采用RTM技術(shù)制造的復(fù)合材料件達400件，占復(fù)合材料結(jié)構(gòu)重量的25%，采用該技術(shù)后比原設(shè)計節(jié)省開支達2.5億美元。美國F-35的垂尾采用整體成型技術(shù)，制成了單件最大、最復(fù)雜的RTM成形航空結(jié)構(gòu)件，制件長3.65m，重約90kg，減少緊固件1000多個，降低成本60% 。

    地效飛機方面，由韓國設(shè)計的20座級的地效飛機，其機翼、水平尾翼、操縱面均采用復(fù)合材料，為梁-蒙皮-泡沫夾層結(jié)構(gòu)，材料選用碳纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，泡沫為聚氨酯泡沫。機翼的重量僅為371.4kg，比目標(biāo)重量輕了11.6kg。水平尾翼的重量為150kg，比目標(biāo)重量輕了30kg。

    復(fù)合材料在軍機及民機上應(yīng)用的成熟技術(shù)，對于地效飛機同樣適用，這些型號的經(jīng)驗積累為復(fù)合材料應(yīng)用于地效飛機打下了堅實的基礎(chǔ)。

    國內(nèi)復(fù)合材料應(yīng)用現(xiàn)狀

    我國飛機結(jié)構(gòu)上對復(fù)合材料的應(yīng)用追隨著國際上先進國家的腳步，發(fā)展的歷程基本相同。軍民用飛機的各類舵面上選擇復(fù)合材料結(jié)構(gòu)已經(jīng)很普遍。國內(nèi)最早在殲8飛機的垂尾上應(yīng)用復(fù)合材料，在苛刻的飛行條件下飛行使用近20年，地面檢查無任何問題。在運7系列支線飛機的腹鰭、方向舵等次結(jié)構(gòu)上應(yīng)用了先進復(fù)合材料。到了90年代中期設(shè)計、研制成功了運7復(fù)合材料垂尾，并取得了適航證。中國自行研制的殲8Ⅱ帶整體油箱的復(fù)合材料機翼自1995 年裝機飛行12 年來亦毫無問題，至今仍在服役。殲10作為三代戰(zhàn)機的代表，垂尾及內(nèi)外側(cè)副翼等都采用復(fù)合材料。復(fù)合材料的大量使用以及采用先進的機動外形和高性能發(fā)動機，使我國戰(zhàn)機作戰(zhàn)能力有了極大的提升。ARJ21在客艙地板、貨艙天花板、側(cè)壁板、前后短板以及方向舵都采用了復(fù)合材料設(shè)計，其復(fù)合材料用量占結(jié)構(gòu)重量的2%。目前，復(fù)合材料的適航驗證工作即將完成。運12F的升降舵、方向舵、副翼、翼尖、翼身整流罩等部件都采用了復(fù)合材料設(shè)計，操縱面的調(diào)整片也都選用碳纖維面板和全高度蜂窩夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計，目前運行狀態(tài)良好。

    地效飛機應(yīng)用復(fù)合材料好處

    地效飛機服役環(huán)境以海洋為主，復(fù)合材料的應(yīng)用會帶來鋁合金材料無法比擬的優(yōu)異性能，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

    減重效益　復(fù)合材料為各向異性材料，單層性能具有明顯的方向性，因此復(fù)合材料層合板剛度和強度性能可“剪裁”，即通過調(diào)整每個單層的鋪設(shè)角、鋪層比、鋪層順序來獲得所需的強度和剛度性能，恰似量體裁衣，這種特殊的剪裁性能使復(fù)合材料相對于鋁合金材料明顯的減輕結(jié)構(gòu)重量，提高飛機有效載荷。研究表明，飛機結(jié)構(gòu)應(yīng)用復(fù)合材料相對于鋁合金材料可減重20%~30%。

    提高抗腐蝕能力　復(fù)合材料具有優(yōu)異的抗腐蝕性能，比強度、比剛度大，在地效飛機上應(yīng)用復(fù)合材料可有效避免腐蝕問題。

    降低工裝成本　傳統(tǒng)的鋁合金結(jié)構(gòu)往往采用分離式制造方法，多個零件單獨加工后再通過緊固件裝配成組件，期間還有可能會用到大量的連接角材，既浪費了重量又增加了裝配成本。以長桁加筋壁板為例，若采用復(fù)合材料制造，基本蒙皮和長桁可通過共固化或共膠接的形式做成整體壁板，整個過程不會用到一個緊固件，既降低了重量又節(jié)約了成本。

    此外，復(fù)合材料還可以通過鋪層設(shè)計和組件化整體設(shè)計實現(xiàn)在一個結(jié)構(gòu)內(nèi)包括不同材料、性能差異的分組件，甚至包括金屬、陶瓷件等，減少了零件數(shù)量，簡化了裝配程序，降低了工裝成本。

    地效飛機復(fù)合材料關(guān)鍵技術(shù)

    海洋環(huán)境濕熱影響　在濕熱環(huán)境下，樹脂基體會吸收水分，導(dǎo)致復(fù)合材料構(gòu)件力學(xué)和物理性能下降。地效飛機服役環(huán)境以海洋為主，考慮海面濕氣及海水對復(fù)合材料浸泡侵蝕的影響，應(yīng)用于地效飛機的復(fù)合材料在材料選擇階段，要考慮最高使用溫度和長時間高溫下材料飽和吸濕，在設(shè)計驗證階段，要著重驗證濕/熱條件下復(fù)合材料的壓縮性能。

    提高材料的抗沖擊性　地效飛機在水面起降的過程中，海浪對飛機結(jié)構(gòu)有很強的沖擊力，要求材料具有良好的抗沖擊性。目前國內(nèi)外就提高復(fù)合材料抗沖擊性做了大量研究，主要包括以下幾點：

    增韌樹脂基體　樹脂基復(fù)合材料抗低速沖擊能力在很大程度上取決于樹脂的韌性。習(xí)慣上，以復(fù)合材料沖擊后壓縮強度CAI值劃分樹脂基體的韌性等級。沖擊能量67J/cm沖擊后，CAI值大于195MPa為韌性樹脂基體。

    提高纖維模量　為滿足新一代高性能飛機的減重要求，航空工業(yè)對碳纖維提出了韌性要求，即將纖維拉伸強度和拉伸模量提高30%~40%，使纖維斷裂伸長率提高20%，并要求與韌性樹脂基體組合提高抗損傷能力。

    三維增強體　通過編、縫、織等在厚度方向引入纖維的3D復(fù)合材料可有效抑制復(fù)合材料的損傷增長，已廣泛地用于提高復(fù)合材料抗層間斷裂能力和沖擊損傷容限。

    先進的樹脂和纖維在大型飛機主承力結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用說明改進的復(fù)合材料的抗沖擊性可以與金屬材料媲美，地效飛機上應(yīng)用先進復(fù)合材料能夠滿足海浪沖擊的要求。

    縱觀目前復(fù)合材料以及復(fù)合材料的成型技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r，實現(xiàn)復(fù)合材料在地效飛機上的應(yīng)用必須從以下幾條入手：

    材料體系設(shè)計在材料選擇時，主要在濕熱環(huán)境和沖擊環(huán)境下綜合考慮樹脂、纖維、樹脂和纖維的界面三個方面的性能。樹脂主要考慮最高使用溫度、飽和吸濕量及樹脂的韌性。纖維主要考慮纖維的強度、模量及抗腐蝕能力。同時，要著重考慮纖維和界面的粘附能力。

    抗沖擊的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)　復(fù)合材料結(jié)構(gòu)用于地效飛機可以帶來抗腐蝕、結(jié)構(gòu)強度高、剛度大和重量輕的好處。同時也引入了復(fù)合材料的一個缺點，就是抗面外沖擊能力弱的特點。通過研究不同的結(jié)構(gòu)形式、增強纖維的種類、樹脂的類型、鋪層方式、纖維含量及鋪層數(shù)量相關(guān)內(nèi)容，提高復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的抗沖擊性。

    數(shù)字化設(shè)計技術(shù)　通過數(shù)字樣機可以實現(xiàn)全機各零部件的優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計階段即可以對制造過程仿真，精確分析復(fù)合材料零部件公差，合理分配，確保一次制造出合格的制件。

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