新一代大型客機復合材料結構一體化設計的若干特點

何長川++梁偉++楊乃賓

[摘 要]大量采用復合材料結構是新一代大型客機機體結構設計的突出特點。飛機機體復合材料結構規模化應用的核心問題是突破飛機機體關鍵結構復合材料應用技術。復合材料結構一體化綜合設計是在確保使用壽命期內、飛機安全飛行使用的前提下，實現復合材料結構規模化應用并取得良好經濟的、多設計要素變量的綜合設計。本文對波音787和空客A350復合材料機身的設計與制造進行了對比，分析了各自的優缺點。

[關鍵詞]大型客機；復合材料結構；機體結構；規模化應用；一體化設計

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2017.04.091

[中圖分類號]V25 [文獻標識碼]A [文章編號]1673-0194（2017）04-0-03

新一代大型客機主要指使用效率（Efficiency）、經濟（Economics）、超凡的乘坐舒適和便利（Extraordinary comfort and convenience）以及環保（Environmental）等綜合性能比當前航線使用的客機有很大提高的大型商用運輸機。

新一代大型客機的概念指導了波音787飛機和空客A350飛機的研發。新一代大型客機機體結構的突出特點是廣泛采用復合材料，復合材料不僅減輕了飛機結構的質量、提高了飛機結構的使用壽命、降低了飛機的維護費用，還可以增加艙內壓力和空氣濕度，提高民用飛機的經濟性、舒適性、環保性。先進復合材料在飛機結構上的應用走過了一條由小到大、由次到主、由局部到整體、由結構到功能和由軍機應用擴展到民機的發展道路。

基于近20多年經驗的積累和認知的共識，按照適航規章要求，結合民機工程實際，聚合物基纖維增強復合材料在飛機結構中實現了規模化的應用。要實現復合材料結構規模化的應用，結構設計必須要著重考慮復合材料結構在使用壽命期內、安全使用前提下，同時取得較好的經濟效益。結構設計在滿足型號設計要求的同時，必須要考慮結構規模化應用對制造、使用、維修提出的新需求，在設計主導下，形成“設計—制造—使用—維修”一體化的結構設計，實現飛機復合材料結構的安全性與經濟性。

1 新一代大型客機復合材料結構規模化應用的決策

新一代大型客機機體結構需用新材料的決策是依據未來20～30年內大型客機在總體布局上與目前航線飛機不會有很大差別，但在綜合性能、安全性、經濟性和環保要求等方面，將有很大的提高發展趨勢和航線寬體客機的需求增長制定。

新一代大型客機復合材料結構規模化應用的決策主要考慮：

①實現飛機結構明顯減重，機翼、機身主結構均采用復合材料制造；②中模量高強碳纖維/增韌環氧（180℃固化）復合材料已經過工程應用的驗證，可滿足大型客機主結構對材料的要求；③復合材料制造工藝技術革新和新工藝技術發展，可使復合材料大型結構件制造成本明顯下降；④先進設計技術和設計—制造一體化、并行工程技術的應用，使結構設計結果更科學合理，可實現異地設計和制造，為復合材料結構制造國際化創造了條件；⑤半個世紀復合材料應用經驗的積累和復合材料結構設計理念與驗證技術的更新，使新一代飛機研制周期大大縮短、研發費用減少。

因此，波音公司率先將21世紀初開始研制的現代寬體客機波音787復合材料的用量占到機體結構重量的50%，大大提高了結構效率，與同級別客機相比可節省燃油20%。

空中客車公司于2005年5月宣布空客A350項目啟動（A350后稱A350XWB，extra Wide-Body，型號系列為A350-900）。空中客車公司面對競爭對手的壓力和用戶的要求，在A350項目推出的三年間，曾對A350的設計方案進行多次重要修改，選材方案的修改多達6次，包括機身由計劃初期采用鋁和鋁鋰合金，改為機體由復合材料制造。

2 復合材料關鍵結構設計的新問題

飛機機體復合材料結構規模化應用的核心問題是突破飛機機體關鍵結構復合材料的應用技術。

飛機機體關鍵結構是指其完整性對保持飛機總體安全是至關重要的承受飛行、地面和增壓載荷的結構或元件（其破壞會降低飛機結構完整性）。如：機翼、中央翼盒、機身等主結構，對運輸類飛機還包括主要結構元件。

復合材料在飛機機體關鍵結構的應用，首先要考慮飛機總體安全對結構完整性的要求。同時，還應考慮復合材料用量大幅增加帶來的固有特性潛在的危害威脅，如對結構制造缺陷、閃電防護及使用、維修提出的一系列要求。復合材料關鍵結構設計的新問題、新考慮，大致可歸納為以下幾方面。

（1）基于對飛行安全性的認知，機體結構疲勞和損傷容限設計是重點，按《運輸類飛機適航標準》對復合材料飛機結構的要求，飛機在整個使用壽命期內將避免由于疲勞、環境影響、制造缺陷或意外損傷引起的災難性破壞。特別關注考慮的是外來物沖擊、目視可見損傷及其擴展特性，兩垮元件損傷、結構膠結以及“地—空—地”或“飛—續—飛”重復加載引起的材料性能退化和“高—低—高”溫度交變引起的附加應力。

（2）質量、產量、成本綜合平衡的大型整體結構制造技術。主結構零構件大型化、整體化設計，如翼面加筋壁板、翼梁、機身筒殼壁板、地板梁、中央翼盒壁板等，對制造技術提出了應通過充分的試制和試驗，并進行合格鑒定，以保證其可重復生產性和設計的可靠性，結構制造生產能力應滿足飛機按期交付的需求。采用成熟的制造技術，如數字化、自動化（包括檢測自動化）、減少或消除人為因素影響的制造方法，可實現降低結構的制造成本，設計、制造一體化是必由的技術途徑。

（3）復合材料結構閃電防護設計的地位很重要。復合材料（以碳/環氧復合材料為代表）導電性比標準鋁合金大約低1 000倍的固有特性，決定了如果不提供恰當的導電閃電防護，閃電雷擊可能造成結構破壞或大面積損傷，并可能在金屬液壓管路、燃油系統管路和電纜誘導上產生高閃電電流和電壓。閃電防護可細分為結構完整性、燃油系統、電氣和電子系統三個方面進行考慮，復合材料結構閃電防護給飛機帶來了重量和成本的增加。

（4）結構耐撞損性的設計要求。飛機的耐撞損性由機身的沖擊響應特性控制。對耐撞損性，規章一直隨著實際飛機運行使用得到的經驗而改變。機群經驗還沒有證實需要整機級耐撞損性的標準。因此，現行規章反映了傳統鋁合金飛機結構在可存活撞損條件下的條件。

相對于傳統的機體設計，復合材料耐撞損性的設計應考慮其獨特行為（如各向異性與準脆性）與結構特性，包括大修或設計更改。必須評估復合材料機身的沖擊響應、油箱的結構完整性，以及遭受可存活撞損時，局部強度能量吸收和多種破壞模式的競爭破壞等。

（5）結構的可燃性和防火要求。隨著運輸類飛機機翼和機身結構中復合材料的擴大應用，對乘客的安全性帶來了額外的問題。現有的規章并沒有論述機體結構本身潛在的可燃性問題。機翼和機身使用復合材料，應考慮在飛機飛行期間著火和緊急著陸隨后溢出燃油可能起火的條件，復合材料設計和結構引起的對乘客安全性的影響。

（6）售后服務、使用維護、修理技術的標準化、維修基地的建設。

3 復合材料結構一體化綜合設計的特點

復合材料結構一體化綜合設計是在確保使用壽命期內、飛機安全飛行使用的前提下，實現復合材料結構規模化應用并取得良好經濟的、多設計要素變量的綜合設計。

復合材料結構一體化綜合設計是一項同時實現設計—制造—使用—維修一體化和結構承載—結構功能閃電防護一體化的綜合優化設計系統工程。在飛機使用壽命期內避免由疲勞、環境影響、制造缺陷或意外損傷引起的災難性破壞。同時，又要避免復合材料結構規模化應用，材料固有特性帶來的潛在的閃電、阻燃性、熱損傷等危害引起的安全問題。

復合材料固有的性能可設計性和材料結構成形中形成的同時性（內在技術制備材料的屬性），決定了復合材料必須采用設計、制造一體化，以實現結構的可制造性和設計的重復性。當機體主結構、機翼、機身采用復合材料，閃電防護成為機體結構主要設計要求時，采用設計—制造—功能綜合一體化，方可取得明顯的減重效果。

維修納入復合材料結構一體化的綜合設計，一方面，源于復合材料鋪層的可設計性，造成了結構構型風格多樣化的特色；另一方面，損傷修理，通常要進行損傷部位修整，損傷尺寸反被擴大，甚至會影響周圍結構的承載特性，而修補的補強設計措施若有不當，同樣也會對結構承載帶來不良影響，這說明了復合材料結構與金屬結構維修的差異。

新一代寬體客機復合材料結構規模化應用的結果是客機機體結構成為復合材料結構為主體的復合材料—金屬材料混合結構。從而為新一代客機承載—功能（閃電防護、電磁屏蔽）一體化綜合設計提供了條件。

使用維護（包括檢查方法和檢查周期）、修理是飛機持續安全飛行的保障。復合材料結構修理要同時恢復結構承載能力和功能需求（如閃電防護、電池屏蔽要求等）。復合材料結構修理與結構構型、結構細節、損傷等形式密切相關，且損傷部位的修整往往會需要擴大損傷范圍，修補材料與結構原用材料匹配，以及修理補強可能引起應力集中等問題。故此，復合材料結構維修時適航規章要求設計一體化需予以考慮。

復合材料結構一體化綜合設計技術具有以下特點

（1）結構一體化綜合設計取決于復合材料固有的材料性能可設計性、結構成形與材料成形的同時性。給定的復合材料最終力學性能很大程度上取決于制品零件所采用的制造方法。

（2）結構一體化綜合設計應歸于飛機機體總體設計的范圍，其與結構傳力路線和受力構件布局密切相關。

復合材料結構設計分離面和制造工藝分離面選擇以及主要連接方式對降低制造成本有重要影響。整體筒殼機身和壁板組合機身對比實例充分說明了這一點。

（3）結構一體化綜合設計目的在于發揮復合材料結構和金屬結構優勢的互補，并均衡、綜合為一體，實現結構承載—功能（閃電防護、電磁屏蔽）一體化。

4 復合材料結構一體化綜合設計的實例分析

4.1 整體筒殼機身結構設計方案的實例

整體筒殼機身結構設計方案立足于利用復合材料自動纖維鋪放/纏繞成形工藝，將機身段設計成整體筒殼，這是一種機身結構設計的創新嘗試。經過小型飛機整體筒殼機身設計試驗驗證，取得一定經驗后，波音787大型客機放棄了壁板組合機身結構的方案，大膽采用了整體筒殼機身設計方案。

波音787復合材料機身采用整體筒殼機身設計方案，結構總體布局分為前機身、中機身、后機身三部分、6個整體筒殼結構段，如圖1所示。

圖1 波音787復合材料機身結構分段示意圖

波音公司對飛機結構選擇新結構方案取決于飛機性能要求、成本考慮和技術的成熟程度。20世紀80年代末，波音公司民用飛機部進行了NASA的ACT先導計劃的一部分——先進技術復合材料飛機結構（ATCAS）計劃，對復合材料機身結構分區壁板研制中設計和制造的問題進行了分析、研究，其最終還是選擇了整體筒殼機身結構的設計方案，其主要有以下考慮。①整體筒殼機身結構可以采用纖維自動鋪放技術實現自動鋪層，提高生產效率、降低成本，滿足了批量生產供貨的要求；②由壁板組合機身結構改為整體筒殼機身結構可大大減少裝配，機身結構減重預期可達20%。整體筒殼機身使波音787機身減少了31 500個零件。

選擇整體筒殼機身結構設計方案的不足之處：①熱壓罐尺寸限制了機身分段的長度，出現機身分段多，且在受力大的部位有機身分段對接面，每個對接接頭增重80 kg；②整體筒殼出現大的缺陷時，修理或更換困難；③需要大直徑熱壓罐固化設備。

4.2 壁板組合機身結構設計方案的實例

空客A350XWB機身筒體結構設計是在分析、吸取復合材料整體筒殼機身結構的經驗，并借鑒A380機身筒體壁板組合結構設計的基礎上，確定復合材料機身為3個分段、4塊壁板組合機身結構設計的方案。A350技術設計分前、中、后3段，直徑為5.89 m。長度分別為13、18、16 m，A350機身設計如圖2所示。

圖2 A350機身設計

空客公司認為復合材料壁板組合機身結構的方案與整體筒殼機身結構的方案相比，具有以下優點：①可按照各分區結構和載荷特點進行鋪層優化和加筋桁梁—隔框布局；②機身可以根據受力情況進行分段，分為前機身段、中機身段和后機身段，從而避免在受力大的部位處進行分段之間對接，減少了兩分段對接的復雜程度，且由于減少了機身分段數，維修工作也更為方便；③機身筒體每塊復合材料壁板均有較好的平直度，易于采用纖維自動鋪放技術實現自動鋪層；④有利于分段外包、促進競爭、減小風險。

空客公司認為復合材料壁板組合機身結構的方案與整體筒殼機身結構的方案相比的不足之處或問題：①壁板之間不僅對接長度增加，且在應力水平高的環向對接，造成結構增重明顯；②座艙氣密性也受到影響。

4.3 波音787和空客A350復合材料機身設計與制造對比分析

（1）波音787機身結構設計面向當時已成熟的纖維自動鋪放技術，整體筒殼機身實現了“異地設計、異地制造”的自動化生產，有利于消除人為因素對結構件質量的影響。空客A350充分吸取了波音787的經驗和教訓，方案確定花費了三年時間，優化了材料的利用，選擇了復合材料壁板組合機身筒體，機頭段采用鋁合金結構，實現了設計—制造—使用—維護一體化和結構—功能（承載和閃電防護）一體化的綜合設計。

（2）波音787整體筒殼段對接，兩筒段間幾何尺寸和形狀偏差，大大增加了機身段對接連接的困難。空客A350壁板組合機身筒段，大大降低了對熱壓罐尺寸的要求，并可顯著提高熱壓罐的利用率，降低了成本。

（3）波音787閃電防護采用銅網“全屏蔽”，結合結構中金屬構件方案。空客A350閃電防護采用金屬型材和條帶，結合結構中金屬構件形成電結構網絡方案。

（4）波音787整體筒殼機身維修困難。空客A350壁板組合結構維修相對容易。

5 結 語

復合材料結構一體綜合設計，從設計—制造一體化延伸到與結構疲勞、損傷容限密切相關細節的設計和可維修性，綜合優化制造、損傷阻止擴展及其維修，科學合理的使用壽命期的綜合優化設計方案將大幅度提高結構的重復性，降低制造和維修成本。

結構承載和飛機航電、飛控系統防護、閃電防護等的一體化設計，利用金屬材料構件彌補和消除復合材料弱導電、導熱固有特性帶來的潛在危害，既可達到結構安全使用，又可減重，并取得顯著的經濟效益。

繼波音787飛機復合整體筒殼機身結構后，空客A350飛機壁板組合復合材料機身結構把復合材料大型壁板和金屬骨架支承、閃電防護、電磁屏蔽作用合理利用，綜合一體化設計的優點更加突出。

主要參考文獻

[1]楊乃賓.新一代大型客機復合材料結構[J].航空學報，2008（3）.

[2]馬立敏，張嘉振，岳廣全，等.復合材料在新一代大型民用飛機中的應用[J].復合材料學報，2015（2）.

[3]孫振起，吳安如.先進復合材料在飛機結構中的應用[J].材料導報.2015（11）.

[4]陳紹杰.復合材料技術與大型飛機[J].新材料產業，2008（1）.

[5]楊乃賓，梁偉.大型民機機體結構個復合材料分析[J].航空制造技術，2009（5）.

[6]吳志恩.波音787的復合材料結構件生產[J].航空制造技術，2008（15）.

[7]范玉青.波音787復合材料機身段的制造技術[J].航空制造技術，2011（15）.

[8]周雷敏，孫沛.波音787客機的復合材料國際化制造[J].高科技纖維與應用，2013（2）.

[9]吳志恩.A350的復合材料結構件制造[J].航空制造技術，2013（13）.

[10]范玉青，張麗華.超大型復合材料機體部件應用技術的新進展——飛機制造技術的新跨越[J].航空學報，2009（3）.