國外先進設備禁運下,中國如何造出自己的大飛機？

　　出品| 網易新聞

　　作者| 喻媛，上海飛機設計研究院

　　今年5月，中國自主研製的大型客機C919成功首飛，隨後又於近日成功完成首次城際「遠行」。研製國產客機，關鍵之一就是提高先進材料的應用水平，而複合材料用量是判斷民用客機先進性的重要標誌，這款被網友們親切稱為「胖九」的國產大飛機，複合材料結構佔全機結構總重的比例達到了11.5%，這個比例在民用客機里是個什麼概念呢？我們從頭說起。

　　（一）C919用了哪些複合材料？

　　複合材料一般指由兩種或兩種以上異質、異型、異性材料（一種作為基體，其他作為增強體）複合而成的具有特殊功能和結構的新型材料。C919大型客機應用的複合材料包括環氧樹脂基/酚醛樹脂基為基體、碳纖維/玻璃纖維為增強體的樹脂基複合材料以及芳綸蜂窩材料。

　　1、後機身和平垂尾等使用了T800級碳纖維複合材料

　　碳纖維複合材料是目前國際上民用航空領域應用最為廣泛的複合材料，其剛度和強度性能相當於或超過鋁合金，而質量很輕，具有較高的比強度、比模量、較好的延展性、卓越的抗腐蝕性等特點。

　　C919大型客機是國內首個使用T800級高強碳纖維複合材料的民機型號。相比T300級材料，T800級材料強度、模量更高，韌性更強，具備更好的抗衝擊性，C919上受力較大的部件，如後機身和平垂尾等都使用了T800級碳纖維複合材料。

　　T300屬於第一代民機複合材料，其樹脂基體為未增韌的脆性環氧樹脂基體，增強纖維為T300碳纖維，其拉伸強度約為3.5GPa，拉伸模量約為230GPa。T300呈現脆性材料性能特徵，對衝擊載荷引起的分層損傷比較敏感，因此只能用於受力不大的次承力結構。C919上使用的T800材料採用增韌環氧樹脂基體，增強纖維為T800碳纖維，拉伸強度和拉伸模量較T300提高50%左右，也是目前國際上民機主承力結構應用最為廣泛的複合材料。

　　（殷立勤 拍攝）

　　2、雷達罩使用了玻璃纖維複合材料

　　相比碳纖維複合材料，玻璃纖維複合材料的力學性能稍低，但由於碳纖維介電常數較高，會影響雷達工作，C919大型客機的雷達罩使用了玻璃纖維複合材料。另外一些受力較小的部件，如襟翼也使用了玻璃纖維複合材料。因為玻璃纖維複合材料成本比碳纖維複合材料低，在受力較小的部件上應用，既可以達到設計要求，又可以降低製造成本。

　　3、艙門和客貨艙地板使用了芳綸蜂窩材料

　　C919大型客機艙門和客貨艙地板使用了芳綸蜂窩材料，這是一種採用酚醛樹脂浸漬的芳綸紙製成的輕質高強非金屬仿生芯材製品。它模仿蜜蜂的蜂巢設計，具有穩定、輕質的結構和很高的比強度，與泡沫芯材相比，它具有更高的剪切強度，與金屬蜂窩相比，它更加耐腐蝕。同時，芳綸蜂窩材料還具有高韌性、良好的抗疲勞性能和防火性能，是一種比較理想的民機複合材料。值得一提的是，近期，C919飛機確定了首家國內芳綸蜂窩材料供應商，這也是C919飛機首次「牽手」國產複合材料供應商。

　　（張海峰 拍攝）

　　（二）要生產滿足民用客機使用的複合材料並不容易

　　正如複合材料性能特點天然符合民用客機產業需求一樣，其由於生產工藝帶來的生產不穩定性也天然與民用客機產業需求相悖。

　　複合材料最早應用于軍用飛機上。上世紀90年代開始，國外率先將複合材料應用在戰機機身、主翼、尾翼及蒙皮等部位，起到了明顯的減重作用，大大提高了抗疲勞、耐腐蝕等性能，甚至在一些輕型飛機和無人駕駛飛機上，已實現了結構的複合材料化。

　　然而，與軍用飛機更加註重性能優越不同，民用飛機更加註重的是生產的穩定性。適航要求飛機每飛行小時發生一次災難性事故的概率在10-9以內，這個要求分解到材料上，就要求供應商保證生產出來的材料在大概率上能夠達到平均性能。

　　材料的平均性能需要以足夠的材料試驗為依據。C919應用的複合材料按照國際通行的「積木式」（BBA）方法開展試驗驗證，以獲取材料的靜力性能、各向異性、疲勞性能、斷裂韌性、疲勞裂紋擴展性能等一系列性能指標，建立材料規範體系和設計許用值體系。

　　積木式方法是指按照試件尺寸和試驗規模、環境複雜程度逐級增加，試驗數量逐級減少，後一級利用前一級結果進行試驗與分析的複合材料結構設計研製和驗證技術。

　　C919複合材料分試片級、元件級、組合件級、部件級和全機級五級試驗，一個牌號的試片級試驗達到數千件，進行了拉伸、壓縮、抗衝擊等力學試驗，密度、厚度、玻璃化轉變溫度等物理實驗，液相色譜、紅外、DSC等化學試驗，得到較為全面的材料性能數據。

　　複合材料零件生產對操作人員、操作工藝、操作環境等有著十分嚴格的要求，甚至不同的人按照同樣的工藝生產，產出的零件性能卻可能有較大差異，這對民機複合材料結構零部件生產的質量控制而言是個巨大挑戰。

　　此外，國外一些先進的設備，如自動鋪帶機和自動鋪絲機等對中國禁運，因此國內複合材料生產還存在自動化程度不高的困境。

　　（殷立勤 拍攝）

　　（三）C919複合材料應用的探索

　　相比於金屬結構，複合材料在民用航空領域還是一個新生事物。

　　在結構選材時，金屬材料有厚厚的《金屬材料性能的確定與標準化》作為參考，裡面詳細列明了各種常見航空結構用金屬材料的性能，是國際適航認可的行業標準「資料庫」。這完全要感謝近百年來航空材料領域開展的試驗驗證工作，積累了大量有效數據，同時還要感謝金屬本身的性能穩定性，只要選定一種材料和相應的工藝方法，金屬的性能可以說就是一定的。

　　而複合材料卻大不相同。目前複合材料性能可供參考的只有一本《複合材料手冊》，針對的也只是原材料的性能。據介紹，複合材料根據鋪層方向的不同，性能差異巨大。

　　一般單層原材料的厚度在0.2毫米左右，所以如果生產4毫米厚的零件，就要鋪20層，而每一層增強纖維相交角度不一樣，生產出來的零件性能就不一樣。另外，生產工藝、生產環境不同，生產出來的產品也不同。因此，複合材料應用比金屬複雜很多。

　　新生事物在初始階段總是帶著這樣那樣的問題，國外民機在複合材料應用方面也走過了從手工鋪貼到自動化、從生產不穩定到穩定、從次要結構到主要承力結構的探索過程。因此，C919複合材料應用在民機領域的探索作用可能遠大於型號收益本身。

　　C919大型客機球面框是首個完整按照國外先進驗證方法進行適航符合性驗證的複合材料部件。球面框安裝在飛機增壓客艙的後端，承擔約半個大氣壓左右的壓差載荷，是飛機重要的疲勞部件。在進行設計時，設計師採用了三維結構二維展開的方法，把這個雙曲面的復材結構「裁」成十幾條形狀各異的長形，因此，雖然是手工鋪貼，依然達到生產精度要求和穩定性要求。

　　球面框設計與驗證的成功，表明了中國在現有的工業基礎上，已經具備成功應用複合材料的能力。相信隨著C919項目和其他一些高新技術項目的不斷深化，複合材料的成熟應用指日可待。

　　結語

　　國產大飛機C919在雷達罩、機翼前後緣、活動翼面、翼梢小翼、翼身整流罩、後機身、尾翼等主承力和次承力結構上使用了複合材料，佔全機結構總重的比例達11.5%。這是中國民用航空製造領域第一次在主承力結構、高溫區、增壓區使用複合材料，並且實現了T800級高強碳纖維增韌複合材料的應用，為複合材料在民機製造領域的應用積累了寶貴的工程實踐經驗。

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　　編輯| 史文慧