在日前結(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A350XWB超寬體客機(jī)備受關(guān)注。在航展中，A350XWB進(jìn)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(jìn)行巡演。

    A350XWB是空中客車公司與波音B787“夢(mèng)想客機(jī)”競(jìng)爭(zhēng)的新一代機(jī)型，其中XWB意為超寬體客機(jī)（eXtra Wide—Body），是在空客A330的基礎(chǔ)上改進(jìn)，迄今為止被認(rèn)為復(fù)合材料用量占全機(jī)結(jié)構(gòu)重量比例最大的一種客機(jī)：以碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料為代表的新型材料，能夠有效降低機(jī)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(dá)53%，史上復(fù)合材料最多的客機(jī)

    此次飛抵中國(guó)的A350MSN2號(hào)測(cè)試機(jī)，遠(yuǎn)看涂裝類似于“蛇皮袋”，其實(shí)這是特別設(shè)計(jì)的碳纖維涂裝，其機(jī)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(rèn)為復(fù)合材料用量占全機(jī)結(jié)構(gòu)重量比例最大的一種客機(jī)。

    復(fù)合材料、鈦和新一代鋁合金被廣泛應(yīng)用于A350XWB寬體飛機(jī)，空客根據(jù)這些材料的最佳特性將它們分別應(yīng)用于機(jī)身的不同部位。據(jù)介紹，復(fù)合材料占A350XWB機(jī)體重量達(dá)53%，為民用飛機(jī)史上最高。空客方面的宣傳稱，新型材料的廣泛使用使A350XWB的整體機(jī)身疲勞和耐腐蝕性維護(hù)工作減少60%。

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

    A350XWB機(jī)身是由四個(gè)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(jī)腹面板。

    A350XWB的機(jī)翼主要由碳纖維復(fù)合材料制成，空客通過廣泛使用計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)和風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，從而使A350XWB擁有更快的0.85馬赫的巡航速度。這不僅縮短了飛行時(shí)間，為航空公司提升了運(yùn)營(yíng)效率，而且進(jìn)一步拓展了飛機(jī)的航程。A350XWB系列的兩個(gè)型號(hào)采用同樣的機(jī)翼平臺(tái)——翼展64.7米，總面積442平方米及大角度后掠機(jī)翼。但是，A350XWB不同機(jī)型機(jī)翼的內(nèi)部結(jié)構(gòu)將有所不同，從而滿足每個(gè)特定機(jī)型的不同要求。

    此外，A350XWB的發(fā)動(dòng)機(jī)也有升級(jí)：采用了羅爾斯·羅伊斯公司生產(chǎn)的新型高效遄達(dá)XWB發(fā)動(dòng)機(jī)，能夠降低燃油消耗25%，降低排放25%，維護(hù)成本也大幅下降。對(duì)于乘客來說，A350XWB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(shì)：提高乘客舒適度 降低油耗

    長(zhǎng)期以來，民用飛機(jī)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(jìn)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(jià)格也大幅降低，“由于復(fù)合材料具有比強(qiáng)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(jī)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(jī)隱身、氣動(dòng)彈性等綜合性能得到改善和提高。”

    中國(guó)材料研究學(xué)會(huì)常務(wù)理事唐見茂認(rèn)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(qiáng)樹脂基復(fù)合材料。

    2007年下線的“夢(mèng)想客機(jī)”波音B787機(jī)體的主要結(jié)構(gòu)機(jī)身和機(jī)翼幾乎都由此類復(fù)合材料制成，僅少數(shù)機(jī)體部位應(yīng)用鋁合金，以防飛鳥的碰撞和發(fā)動(dòng)機(jī)高溫的影響。唐見茂評(píng)價(jià)稱，空客A350XWB和B—787的復(fù)合材料用量分別達(dá)到53%和50%，這標(biāo)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(jì)60年代，美國(guó)就陸續(xù)將碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料用在軍機(jī)上，現(xiàn)在復(fù)合材料的用量已經(jīng)占軍用飛機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量的20%—50%。

    唐見茂說，復(fù)合材料在軍機(jī)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(jī)上的應(yīng)用從20世紀(jì)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(duì)于大量采用復(fù)合材料的飛機(jī)非常歡迎：復(fù)合材料重量輕，油耗降低，運(yùn)營(yíng)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(jī)的人都有這樣的體會(huì)，當(dāng)?shù)巧巷w機(jī)時(shí)，會(huì)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(jī)，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(qiáng)。飛機(jī)只能增壓到這種高度的壓強(qiáng)，是因?yàn)榭蜋C(jī)的機(jī)身是由鋁合金壁板通過幾十萬到上百萬個(gè)鉚釘?shù)染o固件連接組裝而成，它在一定壓強(qiáng)作用下，氣密性較差，金屬機(jī)身耐疲勞性能也較差；另一方面，由于金屬機(jī)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(jī)旅行不舒適的主要原因。”

    而采用復(fù)合材料的機(jī)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(jiǎn)化了制造工藝，更重要的是，長(zhǎng)期加濕不會(huì)對(duì)飛機(jī)造成腐蝕，艙內(nèi)空氣濕度可提高10%—20%。同時(shí)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(jì)算表明，以波音B787為例，其艙壓的提高僅僅使機(jī)身質(zhì)量增加了70公斤；而如果使用鋁合金機(jī)身，要達(dá)到這一指標(biāo)，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(shí)，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(jī)身比用鉚釘連接的鋁合金機(jī)身的表面光潔度提升不少，能有效減少機(jī)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A350XWB和波音B787等新一代民用飛機(jī)上的大量應(yīng)用，對(duì)傳統(tǒng)鋁合金材料形成了前所未有的挑戰(zhàn)。面對(duì)新材料的挑戰(zhàn)，鋁合金并非“束手無策”：性能更強(qiáng)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(diǎn)背后，碳纖維復(fù)合材料也具有一些突出的缺點(diǎn)，比如：工裝模具需要專門設(shè)計(jì)，且一般都比較龐大和笨重；如機(jī)翼、機(jī)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(fèi)時(shí)等等。再者，由于材料屬性、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)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(gè)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(huì)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(jìn)材料”。事實(shí)上，在A350XWB機(jī)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(shí)，主要以重量與成本的比值作為篩選依據(jù)，認(rèn)為對(duì)于承力大的翼肋，鋁鋰合金優(yōu)于復(fù)合材料。

    而在機(jī)頭材料的選取上，空客公司反復(fù)對(duì)比鋁鋰合金與復(fù)合材料，最終選擇前者。因?yàn)槿舨捎脧?fù)合材料，還需要用鈦合金來增強(qiáng)以抗鳥撞，而用鋁鋰合金，相對(duì)經(jīng)濟(jì)又抗沖擊。

    延伸閱讀

    A350部分復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件由中國(guó)造

    值得關(guān)注的是，空客A350XWB有當(dāng)一部分的復(fù)合材料機(jī)身結(jié)構(gòu)是交由中國(guó)制造。

    2005年，空客（北京）工程技術(shù)中心成立，派遣了中國(guó)工程師前往法國(guó)圖盧茲空客總部以及各飛機(jī)制造中心接受培訓(xùn)。2006年，首批工程師歸國(guó)后開始參與A350飛機(jī)的設(shè)計(jì)工作，哈飛空客復(fù)合材料制造中心承擔(dān)了相當(dāng)數(shù)量的關(guān)鍵復(fù)合材料部件的制造。

    哈飛空客復(fù)合材料制造中心是目前亞洲最先進(jìn)的碳纖維復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)件制造中心之一，它承擔(dān)了A350XWB在華5%工作份額中的大部分制造工作。自2009年成立以來，首先承擔(dān)A320飛機(jī)方向舵、升降舵的制造任務(wù)，繼而承擔(dān)A350維護(hù)艙門、方向舵、升降舵、機(jī)腹整流罩的生產(chǎn)任務(wù)。未來，制造中心將成為A350飛機(jī)19段維護(hù)艙門、方向舵和升降舵的唯一供應(yīng)商，在A350飛機(jī)制造環(huán)節(jié)中，扮演至關(guān)重要的角色。

    A350的制造分工比較復(fù)雜，總的情況是前機(jī)身在德國(guó)總成，中機(jī)身在美國(guó)總成，后機(jī)身也在德國(guó)總成，機(jī)翼在英國(guó)總成，尾翼在西班牙總成，中央翼在法國(guó)總成，最后都交到法國(guó)圖魯茲進(jìn)行總裝配。

    其中哈爾濱生產(chǎn)的方向舵將交付位于德國(guó)的空客施塔德工廠，并集成到位于飛機(jī)尾部的垂直安定面，然后交付位于法國(guó)圖盧茲的空客A350XWB總裝線。