淺談復(fù)合材料在飛機(jī)、直升機(jī)中的應(yīng)用

摘 要：先進(jìn)的復(fù)合材料自六十年代問(wèn)世以來(lái)，由于其具有比強(qiáng)度高、比模量大、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、減震性、耐疲勞性、耐腐蝕性、過(guò)載時(shí)安全性好的優(yōu)點(diǎn)，迅速在航空航天領(lǐng)域被廣泛采用。本文介紹了復(fù)合材料的發(fā)展過(guò)程，在分析復(fù)合材料在飛機(jī)上使用狀況的基礎(chǔ)上，總結(jié)我國(guó)現(xiàn)階段復(fù)合材料應(yīng)用上存在的問(wèn)題，并提出解決問(wèn)題的方法。

關(guān)鍵詞：飛機(jī) 直升機(jī) 復(fù)合材料 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理指南

中圖分類(lèi)號(hào)：V25 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）01（b）-0000-00

1引言

戰(zhàn)斗機(jī)因高性能要求，需要綜合應(yīng)用各種高新技術(shù)。因?yàn)橄冗M(jìn)復(fù)合材料的崛起源于飛機(jī)結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化需求，而且復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)要求高，性能要求全面，設(shè)計(jì)難度大，涵蓋面廣，要求進(jìn)行綜合優(yōu)化，其設(shè)計(jì)技術(shù)代表了先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展的方向。因此復(fù)合材料在戰(zhàn)斗機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用代表了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展的最先進(jìn)水平。

2復(fù)合材料的應(yīng)用

復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用大致可分為三個(gè)階段：

第一階段是應(yīng)用于承載不大的簡(jiǎn)單部件，如各類(lèi)口蓋、舵面，阻力板、起落架艙門(mén)等。對(duì)這類(lèi)部件，據(jù)統(tǒng)計(jì)可減重20%左右。

第二階段是應(yīng)用于承力大的結(jié)構(gòu)和主結(jié)構(gòu)上，如安定面、全動(dòng)平尾、前機(jī)身段、機(jī)翼等。據(jù)統(tǒng)計(jì)可減重25%—30%。

第三階段是應(yīng)用于主承力和復(fù)雜受力結(jié)構(gòu)，如機(jī)身、中央翼盒等，據(jù)統(tǒng)計(jì)可減重25%—30%。

2.1符合材料在軍機(jī)上的應(yīng)用

先進(jìn)復(fù)合材料具有比強(qiáng)度和比剛度高、性能可設(shè)計(jì)和易于整體成型等許多優(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)減輕飛機(jī)重量，并可明顯改善氣動(dòng)彈性特征，提高飛機(jī)性能。這是其他材料無(wú)法或難以達(dá)到的。先進(jìn)復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用還可進(jìn)一步推進(jìn)隱身和智能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展。因此，先進(jìn)復(fù)合材料在飛機(jī)上應(yīng)用的部位和用量的多少已成為衡量飛機(jī)結(jié)構(gòu)先進(jìn)性的重要指標(biāo)之一。

直升機(jī)上復(fù)合材料的用量已達(dá)到結(jié)構(gòu)質(zhì)量的60%—80%，如美國(guó)的武裝直升機(jī)RAH-66，其復(fù)合材料用量達(dá)到結(jié)構(gòu)質(zhì)量的50%以上，美國(guó)的垂直起降，傾轉(zhuǎn)旋翼后又可高速巡航的V-22“魚(yú)鷹”幾乎是一個(gè)全復(fù)合材料直升機(jī)。

2.2復(fù)合材料在民機(jī)上的應(yīng)用

從安全性和經(jīng)濟(jì)性考慮，復(fù)合材料在民機(jī)上的應(yīng)用滯后于軍用飛機(jī)。飛機(jī)的安全性是民用飛機(jī)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的基礎(chǔ)，而市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)使飛機(jī)公司更為注重飛機(jī)的全壽命成本和性能效益。波音777和A340等飛機(jī)上的應(yīng)用情況代表了當(dāng)今在民機(jī)結(jié)構(gòu)上復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展的成熟程度和應(yīng)用水平。可以預(yù)見(jiàn)，隨著軍用飛機(jī)應(yīng)用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的經(jīng)驗(yàn)不斷積累和成熟，以及成本的降低，在下一代民機(jī)上肯定會(huì)進(jìn)一步增加復(fù)合材料的應(yīng)用。

3我國(guó)復(fù)合材料的發(fā)展歷程

我國(guó)從20實(shí)際60年代末開(kāi)始復(fù)合材料及其在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用研究。70年代中期研制成功了第一個(gè)復(fù)合材料飛機(jī)構(gòu)件--某殲擊機(jī)進(jìn)氣道壁板。80年代基本實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料的應(yīng)用從次承力結(jié)構(gòu)到主承力結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，復(fù)合材料的垂直平尾、水平尾翼、前機(jī)身等構(gòu)件已在多種型號(hào)上使用，可以小批量生產(chǎn)，并出版了由中國(guó)航空研究院編寫(xiě)的?復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)?、?符合材料連接手冊(cè)?、?復(fù)合材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析指南?、?復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理指南?，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)在復(fù)合材料規(guī)范方面的空白【2】。標(biāo)志著我國(guó)復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用已上了一個(gè)新臺(tái)階，航空先進(jìn)符合材料在我國(guó)已進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。

4我國(guó)復(fù)合材料現(xiàn)階段遇到的問(wèn)題

4.1復(fù)合材料發(fā)展產(chǎn)業(yè)：有產(chǎn)能，無(wú)產(chǎn)量。

與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，復(fù)合材料在我國(guó)軍事領(lǐng)域的使用量并不高。發(fā)達(dá)國(guó)家復(fù)合材料在部分軍機(jī)上的用量早已超過(guò)50%，而我國(guó)軍用戰(zhàn)斗機(jī)上最大用量尚不足10%；在民用方面美國(guó)的大型客機(jī)波音787上復(fù)合材料用量也超過(guò)50%【3】，而我國(guó)首架擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的支線客機(jī)ARJ使用的復(fù)合材料僅占飛機(jī)結(jié)構(gòu)總量的2%。我國(guó)的產(chǎn)能有了，但產(chǎn)量還不能滿足需求，高品質(zhì)、高性能的纖維復(fù)合材料還沒(méi)有過(guò)關(guān)。

4.2結(jié)構(gòu)效率與可靠性的矛盾。

在復(fù)合材料研究領(lǐng)域的科學(xué)與技術(shù)難題中，材料結(jié)構(gòu)效率與可靠性的矛盾是最難解決的。復(fù)合材料的性能分散性和服役環(huán)境的不確定性是制約復(fù)合材料及結(jié)構(gòu)工程化應(yīng)用最大的難題，也是復(fù)合材料的“軟肋”。

4.3基礎(chǔ)研究薄弱

基礎(chǔ)研究不足、關(guān)鍵技術(shù)未能實(shí)現(xiàn)突破，是復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展停滯不前的原因。基礎(chǔ)研究固有的投入高、風(fēng)險(xiǎn)高、研究周期長(zhǎng)的特點(diǎn)，是造成我國(guó)復(fù)合材料基礎(chǔ)研究薄弱、缺乏原創(chuàng)性技術(shù)的根本原因。

作為國(guó)務(wù)院《“十二五”國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中重點(diǎn)發(fā)展的三大新材料之一，復(fù)合材料的產(chǎn)業(yè)化備受矚目。只要我們重視基礎(chǔ)研究，以基礎(chǔ)研究的發(fā)展作為先導(dǎo)，用政策推動(dòng)基礎(chǔ)研究，堅(jiān)持科研、生產(chǎn)和應(yīng)用的結(jié)合，相信一定能克服各種難題，促進(jìn)我國(guó)復(fù)合材料的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

5結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)近50年的發(fā)展，我國(guó)復(fù)合材料逐漸形成體系，部分已經(jīng)滿足了飛機(jī)、直升機(jī)的技術(shù)需求，但總體上與發(fā)達(dá)國(guó)家還有一定的差距。新的型號(hào)需求為先進(jìn)復(fù)合材料提供了新的動(dòng)力和機(jī)遇。因此，隨著材料技術(shù)的發(fā)展和飛行器的研制，先進(jìn)復(fù)合材料在飛機(jī)、直升機(jī)中將得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]趙美英，陶梅貞.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社.2007

[2]沈真，陳普會(huì)，柴亞南.航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究發(fā)展的回顧和展望[J].航空復(fù)合材料預(yù)研二十年回顧展望研討會(huì).北京.2001.10.1

[3]益小蘇.先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)研究與發(fā)展[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版業(yè).2006