先進結構技術在民機機身結構上的應用前景

鄧蓉

【摘 要】本文就國內外機身結構上新型鋁合金材料的應用，金屬膠接連接結構以及復合材料三種新技術的應用前景進行了分析，為國內民用飛機機身結構的研制提供一定的參考。

【關鍵詞】機身結構；鋁鋰合金；金屬膠接；復合材料

20世紀以來，民用飛機機體結構的研制水平取得了飛躍性的發展，隨著新技術、新材料和新工藝的應用，民用飛機的經濟性、舒適性得到了極大的提升。對于民用飛機機身結構，國外研制的民機在新型鋁合金材料的應用、金屬膠接連接以及復合材料在機身主承力結構上大面積應用方面取得巨大的進展。本文就以上新技術在機身主結構上的應用前景進行分析和論證，為國內民用飛機機身結構的研制提供一定的參考。

1 新型鋁合金材料在機身結構上的應用

金屬結構飛機機體經過多年的發展已經十分成熟，鋁合金在飛機機體材料方面一直處于主導地位。2024和7075鋁合金是廣泛應用于飛機機體結構的兩種鋁合金。2024是Al-Cu-Mg系鋁合金，具有優良的壓力加工和機械加工性能，疲勞強度性能好，該合金薄板、厚板和型材已廣泛地用于制造飛機的蒙皮等主要承力件；7075是Al -Zn-Mg-Cu系鋁合金，該合金強度高，抗應力腐蝕性能好，廣泛應用于制造飛機的長桁、隔框等結構件。

能源危機的爆發以來，飛機結構輕量化以及復合材料的興起給傳統鋁合金帶來新的挑戰，低密度、比強度高得新型鋁合金材料的應用變得十分迫切。鋁鋰合金具有低密度、高比剛度、高比強度、卓越的超塑成形性能和良好的耐腐蝕性能，用它取代常規鋁合金，能使構件減重10%～15%，剛度增加15%～20%。國外已認證或在飛機上使用的鋁鋰合金產品牌號主要有美鋁的2099、2199和加鋁2196、2098、2198等，主要應用于機身蒙皮、長桁以及框、梁等。空客的A330、A340以及A380等機型的機身蒙皮、座椅滑軌和地板梁等都使用了鋁鋰合金。龐巴迪C系列機身蒙皮、長桁等也大量采用鋁鋰合金。

鋁鋰合金在國外飛機結構設計中應用廣泛，而我國的鋁鋰合金還處在小批量研制階段，目前為止，僅在部分軍機的普通框緣鈑金結構上有少量的應用。鋁鋰合金的價格較常規鋁合金高，塑性和斷裂韌性一般。因此，鋁鋰合金在國內大型客機上的應用也受到了一定的限制。目前我們要做的主要工作就是從制造工藝方面改進鋁鋰合金的性能，降低其制造成本，只有這樣才能夠將鋁鋰合金大規模地應用到國內客機的研制中去。

2 金屬膠接技術機身結構上的應用

自航空工業誕生以來，金屬膠接技術就應用于各類飛機結構的制造，現代飛機已離不開金屬膠接結構件。用膠接代替鉚接可使重量減輕25%，成本下降約20%。由于膠接是面連接，能避免機械連接的應力集中，大大改善結構的抗疲勞性能和結構表面的氣動特性。而且膠接結構能夠顯著提高結構的壽命，根據F50支線客機的實際運營數據，最初按60000飛行起落設計的機身膠接壁板最終壽命超過了90000飛行起落。目前，膠接制件的數量已成為衡量民用客機制造水平高低的標準之一。

英國在1946年采用金屬膠接技術制造了世界上第一架有鋁合金膠接結構的鴿子號支線客機，隨后美國生產的L-1011飛機的增壓客艙全部采用了大型的膠接整體壁板。空客A330、A380、A350XWB客機金屬膠接的應用部位主要為機身前中段及后中段的上壁板。波音B737、B757、B767客機也都采用了大量的膠接結構。

近幾年國內在金屬膠接技術方面取得了一些進展，如MA60、MA600飛機裝飾隔板、登機梯踏板；ARJ飛機的擾流板、襟翼艙壁板等一些次受力構件上應用比較廣泛，但在機身壁板等主承力結構件方面缺乏經驗。為了降低技術風險，我們在努力提高國內金屬膠接技術的同時，需與國外具有膠接結構適航取證經驗和實際運營經驗的供應商合作。比如說荷蘭的福克公司，該公司是較早從事金屬膠接技術研究與應用的企業，在金屬膠接結構計算分析、試驗、制造及適航等方面都建立了完善的配套體系。更為重要的是，其設計的采用金屬膠接主承力結構件的飛機具有適航取證和航線營運的成功經驗，如福克F50、空客A330/A340/A380、灣流G650公務機等。

就制造技術而言，目前金屬膠接制造技術的發展方向主要有以下方面：不斷完善提高膠接質量品質，提高膠接質量無損檢測的精確化；全面采用計算機輔助技術，提高膠接工藝的機械化、自動化程度；開拓和發展新材料的膠接技術，比如鈦合金、鋁鋰合金等。

3 復合材料機身結構

先進復合材料是20世紀60年代后期崛起的一種新型材料，具有比強度、比剛度高、耐介質腐蝕性好以及疲勞特性好等優點。目前民用飛機復合材料的應用比例顯著增加，尤其是從波音787和空客A350的研制開始，復合材料在民用運輸機上的應用從次級結構和尾翼部件向機身機翼主結構擴展的趨勢愈發明顯。波音787機體的主要結構幾乎均由復合材料制成，各機身段單獨由復合材料纏繞后共固化而成。空客A350 機身由4 塊復合材料壁板組成，機身框由鋁合金制成，其復合材料用量達到了52%。由于復合材料結構比鋁合金結構有更好的抗疲勞和腐蝕特性，有利于提高客艙的壓力和濕度，給旅客提供更加舒適的空中旅行享受。復合材料機身結構的飛機總重量也明顯減小，制造成本大大降低。

我國民用飛機型號發展較慢，以前設計的民用飛機如運七、運八、等很少采用復合材料，近年來，國內復合材料在飛機結構的應用研究方面取得了很大的進步，由于缺乏復合材料結構損傷容限設計技術的應用經驗，導致復合材料設計分析技術效率偏低，材料利用率不高。同時，復合材料結構的性能優勢僅在拉伸和疲勞強度方面，它的耐壓性能還不能確定。所以，為減少研制風險，復合材料機身主結構上的應用以限制在壁板級別的組件為宜，待取得成功經驗后再逐步實現由組件級別向部件級別的擴展。

綜上所述，以上三種不同的機身結構都有各自的優缺點，在研制新型民用飛機時機身應該使用何種技術和材料還需考慮當下的實際情況，比如說國內技術的可行性、制造和維修成本、適航驗證等等，這就需要我們進一步的研究與討論最后得出各方面都可行的方案。

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[責任編輯：楊玉潔]