通用飛機的低成本研究

李春威 馬瑛劍

摘 要：通用飛機是目前世界上種類最多、數量最大、用途最廣的一類飛機，是民用航空活動的重要工具之一。通用飛機的低成本模式已經成為世界通用飛機制造商必須要面對和解決的問題之一。本文從通用飛機的選材、設計和制造等周期進行分析研究，為我國通用飛機低成本發展提供研究參考依據。

關鍵詞：通用飛機；復合材料；低成本；設計；制造

在高油價時代，復合材料以其結構輕巧、維修費用低廉的優勢極大地沖擊了鋁材承力結構一統天下的局面。統計表明，2007年通用飛機上復合材料的用量，在總材料用量中所占比例已經高達57%。預計未來10年這一數字將上升到69%。復合材料在通用飛機中的大量使用為復合材料技術的發展注入了強大的活力，然而復合材料的高成本成為限制其擴大應用與發展的主要因素之一，鑒于此，一些國家紛紛制定了低成本復合材料計劃，例如美國在低成本復合材料技術方面實施ACT（Advanced Composite Technology）計劃，使得復合材料低成本化成為復合材料技術發展研究的核心問題。

1 材料的選擇

選材是結構設計的基礎，也是低成本復合材料結構設計與制造技術研究的前提。通用飛機的選材應以低成本為出發點，綜合考慮重量、性能等因素，與復合材料結構設計與制造技術相適應，合理地確定出適用于通用飛機的材料體系。另一方面，材料成本是復合材料制件總成本的重要組成部分，應用低成本復合材料本身就是降低通用飛機成本的技術途徑之一。玻璃纖維復合材料因其價格低，并適于低成本制造技術，是實現通用飛機低成本復合材料結構選材的有效途徑。但對飛機的主結構，還是要采用高性能碳纖維復合材料。碳纖維成本在材料成本中占主要份額，對材料成本有著重要的影響。飛機結構上應用的碳纖維，過去一直以小絲束（3K）為主，價格較高，而研究推廣低成本大絲束碳纖維的應用可顯著降低碳纖維復合材料成本，譬如說美國西銳公司的SR20、 SR22型飛機和EPIC公司的四款公務機等通用類飛機都是以大絲束碳纖維T700-12K為飛機結構的主要材料。

圖1 復合材料制件成本構成圖

具體來說選擇滿足通用飛機的載荷要求的材料；

（1）關重件：選擇高性能碳纖維預浸料

（2）次承力件：選擇滿足設計要求的混雜材料（碳纖維織物與玻璃纖維織物混雜等

（3）非承力件：選擇玻璃纖維織物預浸料

在材料的選取過程中，首先選擇已經在國外通用飛機上有所應用的低成本材料，借鑒國外用于制造低成本通用飛機的材料體系。為了加快材料認證進程，優先選擇已經被AGATE數據庫收錄的材料體系，通過FAA可以接受的1批次材料等同性試驗，最快的等同數據庫中材料許用值，來達到降低材料取證周期、材料費用、試驗費用的目的。

2 成型工藝的選擇

2.1 中溫固化手糊成型工藝

手糊也叫層貼成型，是以手工業為主成型的復合材料制造方法。手糊成型工藝最大的特點是以手工操作為主，適用于多品種、大批量生產，且不受產品尺寸和形狀的限制。通過對國外通用飛機制造技術的考察了解到，針對通用飛機滿足小載荷承力要求的特點，現有主承力及部分次承力構件均采用中溫固化手糊成型工藝制造。通過傳統預浸料+熱壓罐復合材料應用體系中的高成本因素對比與低成本應用開發的基于預浸料+固化爐的優勢和特點可以通過固化爐與熱壓罐的數據對比考察，如圖2、圖3所示：

圖2 某碳纖維預浸料推薦中溫固化工藝曲線（固化爐）

同容量固化爐與熱壓罐的數據比較如表1所示。

圖3 某碳纖維預浸料推薦的高溫固化曲線（熱壓罐）

通過以上數據可以得出：預浸料+固化爐復合材料應用體系在繼承傳統預浸料優勢和部分熱壓罐工藝特點的基礎上擺脫熱壓罐限制，消除了熱壓罐購置和高成本的使用環節，能有效降低最終產品的成本，可以在通用飛機的主、次承力結構中進行應用。

表1 熱壓罐、固化爐成本數據

2.2 RTM工藝

該技術已獲得了較為廣泛的應用，是先進復合材料低成本制造技術的主要發展方向之一。該工藝避免了預浸料的生產工序，能夠適應復合材料結構件的批量、多品種的生產特點。它可以減少裝袋的麻煩和最大程度地降低材料的浪費。但是，在實際的生產過程中，還要結合模具的資金投入來決定是否應該選擇RTM工藝。

2.3 自動鋪放技術

自動鋪放技術包括自動鋪帶和自動鋪絲兩部分。目前，該技術在速度和準確度上有了很大改進，以自動鋪放技術為代表的自動化成型技術能夠降低生產成本，提高復合材料構件質量。但是由于應用規模的限制，全自動化生產往往會造成有限規模的復合材料成本較高。因此，一定程度上的自動化生產，仍是復合材料低成本制造比較經濟的手段。

2.4 其他

近年來，更多的復合材料低成本成形、制造方法得到了應用，如復合材料低成本工裝等技術在近年來得到了業界專家的格外關注，國外開展了一些新的低成本方法，例如復合材料快步成型法縮短了固化時間，流動成形法在大型零件的成型制造中大大地降低了高比強度復合材料的成本等等。

3 結構件的設計

結構件的優化設計，通常采用整體化的設計模式，構件的共固化、整體成型能夠成型大型整體部件，可以明顯地減少零件、緊固件和模具的數量，盡而減少工裝數量節約成本。同時，減少裝配數量既是復合材料結構減重的重要措施，也是降低其成本的有效方法，如圖1說明所示。

整體成型技術是充分發揮復合材料優點和特點的高效、低成本技術。在滿足結構總體性能要求的前提下，整體成型技術可將多個零件集成為整體結構一次固化成型，降低了成型過程中的設備使用成本和工時。整體成型技術減少了零件數量和緊固件數量，進而減輕結構質量，降低成本，特別是制造成本，是一種降低通用飛機制造成本的有效方法。目前國外大部分通用飛機都是采用整體設計和整體成型技術，中航通飛研制的幾款商務機都是采用這種技術。機身由上下兩部分分別固化成型，后經過二次膠接成型。機翼也是由上下蒙皮膠接固化成型。

復合材料材料結構的發展方向是力求實現結構的整體化，但由于結構設計、工藝、檢查維修的需要，必須安排一定的設計和工藝分離面。因此，低成本復合材料結構連接技術是不可缺少的。但連接部位通常是復合材料結構的薄弱環節。據統計，對于復合材料結構來說，70%以上的破壞發生在連接部位。復合材料各向異性和脆性的特點，使復合材料連接部位的應力集中比金屬更嚴重，連接設計較金屬結構也更為復雜。

缺陷的存在是影響結構完整性的一個重要因素，低成本復合材料結構需要通過可靠的無損檢測技術，為低成本復合材料結構提供質量信息，檢測結果既可作為評價復合材料制件質量的依據，也為工藝分析提供參考信息。無損檢測技術與復合材料結構快速制造技術已融為一體，成為影響復合材料結構生產效率的一個重要環節。通用飛機復合材料結構正向著整體化、模塊化方向發展，結構尺寸越來越大，結構形式愈來愈復雜。

4 結構連接形式的選取

在傳統飛機的制造過程中需要大量的鉚釘將金屬板連接起來（一架小型飛機需要上萬個鉚釘），現代復合材料結構飛機，若采用膠接代替鉚接（緊固件的數量由上萬降低為千個以下），可使飛機質量減輕20%、強度提高30%，而減輕結構重量對通用飛機具有特殊的重要意義。

某些通用飛機采用全復合材料結構，故膠接是復合材料結構主要的連接形式。膠接的主要優點有：膠粘劑與基體通常是同一種材料體系，因而能夠保證材料間的相容性；膠接可以防止腐蝕，在結構件連接的同時還可以形成密封，比采用緊固件連接的接頭形式的重量輕；膠接區域面積大，分布的應力較小，且不需制孔，不會引起復合材料分層破壞，進而達到提升接頭強度的目的；膠接不同于焊接技術容易受到材料品種及厚度的限制，而且不同材料間連接無電偶腐蝕，從而可以拓寬設計選材和降低成本；膠接有阻止裂紋擴展的作用，破損安全性好，疲勞壽命強；膠接能獲得光滑的氣動外形。

因此，膠接結構在通用飛機結構連接形式中的比重越來越大，在通用飛機結構設計中大范圍地使用膠接連接對提高產品性能、減輕結構重量、簡化制造工藝和低成本設計等具有明顯的作用。

5 輔助軟件的應用

對通用飛機復合材料零部件采用數字化設計制造，應用復合材料制造和分析軟件FiberSIM對演示驗證件進行數字化制造，打通了復合材料零件由設計到制造的生產流程，通過數字化設計制造，為通用飛機低成本設計制造流程提供支撐及依據。

表2 主要預浸料材料報價

以國內某全復合材料通用飛機為例，整機結構除了機翼主起加強肋和一些連接結構件為金屬材料其余全為復合材料結構件，以碳纖維預浸料為例，設計人員將理論尺寸提交給工藝后，工藝人員要依據理論尺寸給出工人操作等等余量在150%以上。以某公司主要預浸料材料報價為依據，如表2所示。使用FiberSIM軟件設備報價清單如表3所示。

由表4得出結論，使用FiberSIM設計制造后單架機主要結構節約費用5.25萬元，而原型機為全復合材料飛機，故整機使用軟件后節約成本約在6萬元以上。通過表2、3對比分析得出原型機在銷售達到146架機時候（按照年產150架機計算），一年收回初期軟件及設備投入成本；在一年以后每架機節約費用超過6萬元，年節約費用超過900萬元。

表3 使用設備報價清單

以上數據為單方面從投入產出比計算效益，而軟件及設備投入后在人力成本及產品報廢率方面都會有更可觀的收益。

表4 使用FiberSIM設計制造后單架機的節約費用

6 制造模具的選擇

模具的選擇對控制通用飛機的成本也起到至關重要的作用，對于我們通用飛機而言高產量低成本始終應該放在最重要的位置（以原型機年產150架份考察）：

6.1 金屬工裝

金屬工裝雖然成本投入較低，但一般均使用在小尺寸、外形簡單的復合材料零件上面，對于大曲面、大尺寸零件來說，熱膨脹系數、搬運操作困難都是難以克服的缺點。

6.2 復材工裝

復材工裝雖說可以做到與零件同膨脹系數，而且理論上可以達到200次的使用壽命，但是根據使用經驗來講基本在80架機后會出現工裝變形、漏氣等一系列問題，所以按照以上年產來講產出比很低。

6.3 殷鋼工裝

殷鋼36的熱膨脹系數非常低，具有 “不變”尺寸的特點適合用作熱塑性復合材料工裝的生產，以現有產量為前提雖然初期投入成本較高，但是由于通用飛機批量生產的特殊性原因，從使用產出比來看仍然是低成本運作的最佳選擇。

7 結語

本文從通用飛機選材、設計、制造等周期進行分析研究，給出通用飛機低成本設計制造思路，低成本理論分析及實際數據說明為低成本研究提出合理建議。

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