理智看待高比例複合材料飛機的得失

06-19

作者：候知健導語：　　波音最新一代的「夢想」787客機依靠極高比例的複合材料應用，實現了極其優異的飛行性能。然而在安全和環保方面，以787為代表的新一代飛機卻仍然潛藏著不少隱患。一：飛機上的複合材料多指纖維增強塑料，重量輕強度高　　傳統的飛機製造以鋼、鋁、鈦合金為主要材料，這三者各有千秋，在結構中各司其職。超高強度合金鋼的密度最大（超過7.8克/立方厘米），相同體積下最重，但在三者中能達到的絕對強度指標最高，適用於對尺寸和強度要求都最為苛刻的部位。比如除了輕型、超輕型飛機外，現代高性能起落架的材料，唯有使用超高強度合金鋼進行鍛造一途可選。所謂3D列印、鈦合金起落架之類的新聞，都是宣傳上的噱頭，不足為信。

圖：波音747起落架（飛友網飛鷹攝影）　　相同體積下鋁合金部件的重量最輕（密度2.8克/立方厘米），但是強度也最低，此外它對於高溫的耐受能力很差。而鈦合金（密度4.5克/立方厘米）則介於鋼、鋁合金之間，同體積部件比鋼材輕很多，強度和耐熱性比鋁合金高很多。它適合用于飛機上的主承力結構、高溫結構——比如發動機燃燒室附近；可以取代鋼材、鎳基合金以減輕重量，取代鋁合金以減少空間佔用。但是由於加工困難，鈦合金部件的成本一直很高。　　而現在越來越流行的複合材料，它的主要取代對象正是傳統飛機上應用比例最大、構成輕質結構主體的鋁合金，在要求較低的場合下也能取代一部分鈦合金。在談及飛機等航空器時，我們所指的複合材料主要都是指纖維增強塑料（fiber reinforced plastic）；它是以高性能纖維作為增強體，用樹脂作為基體將纖維粘結在內部並固化成型的高性能塑料。

這就是碳纖維絲放大後的截面　　由於玻璃纖維性能較低，鎢絲芯硼纖維高毒性、高成本，而芳綸纖維對環境耐受性不好（水分、紫外線）等諸多因素；目前在複合材料中應用最廣、最具有代表性的則是PAN（聚丙烯腈）碳纖維。

圖：波音787鋪設複合結構機身，圖中黑色束狀物就是由預浸過樹脂的碳纖維所組成　　飛機製造上應用廣泛的7050、7075等鋁-鋅系高強度鋁合金，在放棄韌性等其它重要性能的極端情況下，最高強度也只能接近0.65GPa，一般在0.43-0.46GPa左右。第一種實用化的碳纖維T300系列，其抗拉強度在1971年試驗性生產時就達到了2.8GPa，現階段的T300J則達到4.21Gpa。而波音787上使用的是更高級的T800S，抗拉強度達到5.88GPa。　　與密度達到2.8克/立方厘米左右的鋁合金相比，先進的碳纖維複合材料密度一般在1.45-1.6克/立方厘米左右；而拉伸強度可以達到1.5GMPa以上，超過鋁合金部件的3倍，接近超高強度合金鋼製部件的水平。這種密度低而強度剛度高的優勢，使飛機的複合材料結構部件在獲得與先進鋁合金部件在強度剛度等綜合性能方面相當的水平時，重量可以大幅減少20~30%。　　以波音787為例，它每架飛機需要消耗23噸碳纖維，結構比例中有50%是重約35噸的複合材料，這意味著它從材料密度上就減輕了15噸左右的重量。而空客也不甘示弱，新的A350客機結構中，複合材料的比例達到了52%，是現在所有大型商用飛機中最高的。作為世界上僅有的兩個大型商用飛機研製巨頭，波音、空客先後推出複合材料占結構比例達到、超過50%的主力型號，這意味著大型客機結構設計以複合材料為主要材料的時代已經全面來臨。

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二：複合材料使民用飛機性能提升巨大　　波音787等新一代複合材料飛機上實現的性能提升，並不僅僅是低密度材料減重得來。實際上複合材料在工藝、結構力學設計上，都有著傳統金屬材料所完全無法具備的優勢。比如複合材料可以做出超大尺寸的整體結構部件，而且尺寸大小不會隨著溫度高低而產生變化。

圖：波音787機身的基本製造原理與實物　　以波音787的機身為例，它由數個分段組成，分段主體都是單個完整的複合材料筒狀結構。它的大概製造原理是首先製造出複合材料長桁，將這些長桁固定在成型模具上並塗膠；然後利用碳纖維鋪放機將預浸過熱固性樹脂的碳纖維按照設計好的角度和層數纏繞鋪設在旋轉的成型模具上形成筒狀的複合材料殼體，然後送入熱壓罐內進行高溫固化一體成型。而要用金屬材料做出這樣的結構，至少在目前是完全不可能的。

成形的機身分段

巨大的熱壓罐

即使是因為時代限制，複合材料結構水平遠遜於波音787的F22上，這種結構一體化帶來的效益也是非常可怕的：11000個金屬零部件被減少到450個，135000緊固件（螺栓、鉚釘等）被減少到600個。而在波音787上，每一個機身段都因此取消掉了1500個左右的鋁合金板件和40000~50000個緊固件。這不僅帶來了額外的大幅減重收益，而且極大的減少了裝配環節的成本。

圖：波音787 的一個機身分段主結構件，這個狀態下還沒有任何的緊固件

當然，內部隔框還是要緊固件的　　複合材料飛機裝配成本降低其實還存在另一個因素：結構部件隨溫度高低熱脹冷縮而帶來的尺寸變化問題被消除了。金屬材料中確實存在著熱膨脹係數很低的種類，比如殷鋼；但用於製造飛機的鋼鋁鈦卻基本上都不具備這種特點。尤其是大型飛機的尺寸巨大，溫差會使接頭、安裝孔的尺寸都會出現比較明顯的變化；帶來很大的裝配難度和額外的加工成本。　　事實上在強調生產、裝配環境溫度一致性之前，夏天製造的飛機結構質量普遍不如冬天製造的，原因就是夏季的溫差要大得多。仰仗於碳纖維的熱膨脹特性很低、甚至為負，飛機的複合材料部件可以做到0膨脹係數，外形尺寸不隨溫度高低而變化。　　依靠複合材料，設計師還可以做出傳統金屬材料所無法達成的氣動力學設計——比如超聲速飛行的前掠翼飛機。由鈦、鋼、鋁這些傳統材料製造出來的金屬飛機部件，其原子、晶體的分布都是相當均勻的，這使它內部在各個方向上的力學性能都高度相同。而由碳纖維對性能進行增強的複合材料則完全不同。比如對於碳纖維都以單向鋪設的部件來說，在順著纖維方向和垂直方向這兩種情況下，強度等力學性能相差1~2個數量級——也就是十倍、百倍的差距。

圖：雖然做不出F-22、J-20那樣的高機動飛行，但波音787 的機翼變形過程中一樣蘊含著人類現階段頂級的空氣動力學水平　　這種各向異性、而且可以進行人為設計的特性，催生了被稱之為氣動彈性剪裁的技術。設計師通過調整機翼複合材料結構中各個鋪層的方向角度、厚度、順序；機翼剛度完全可以在各個方向上都滿足針對性的設計要求，進而控制機翼飛行中產生的彈性形變向對性能有利的方向發展。在設計得當的情況下，它能使飛機以更低的重量、更小的飛行阻力，獲取高的多的升力表現。

三：複合材料的劣勢　　雖然複合材料有著諸多好處，但是波音787仍然保留了20%的鋁，15%的鈦，10%的鋼，這是複合材料不耐高溫、不耐衝擊的特點所決定的。碳纖維本身雖然不怕熱，但是將其粘結成型的樹脂基體卻很難耐受高溫；尤其是波音787上普遍使用的環氧樹脂類產品，一般最大工作溫度不高於150攝氏度。F22由於存在超聲速巡航需求，飛機外表會長時間與空氣高速摩擦；因此在機翼複合材料上不惜使用韌性更差、更不耐衝擊的雙馬來醯亞胺樹脂基體以獲得260攝氏度的最大工作溫度。波音787的鈦、鋼結構中，就有相當一部分是用於發動機吊架等高溫結構。

圖：發動機吊架等部位不能使用複合材料　　波音787上的鋁合金結構主要承擔的則是預防飛鳥撞擊的功能，以避免複合材料在高能量衝擊下直接解體引發災難性事故。F22上也有過類似的反覆：它的機翼大梁等核心承力結構最初計劃使用複合材料，但試驗證明它抗機炮破壞的能力遠遠無法達到要求，最終又換回了鈦合金材料。這源自於複合材料的兩個缺陷：首先它一層與一層之間的結合力非常薄弱，而一旦出現分層的情況，就會對其整體性能造成嚴重的破壞。其次用以粘結碳纖維、形成複合材料整體的樹脂基體的韌性都很差。

787靜力試驗中斷裂的複合材料　　事實上比起飛行中撞鳥、或者挨上幾發炮彈這種概率比較低的情況，複合材料結構往往更怕的是日常的低能量衝擊：比如被維修人員失手掉下的扳手給砸了——這就足以導致它形成內部的層間缺陷，然而從外表卻很可能根本看不出痕迹。當一個複合材料部件的衝擊損傷在表面已經可以勉強目視發現時，它內部已經出現大範圍的基體開裂和分層，強度可以驟降到無損狀態的40%。事實上飛機複合材料部件最多的損傷就是在維護過程中各種碰撞、拆卸而產生的。　　在傳統的鋼、鈦、鋁合金部件加工過程中，人們幾乎不需要考慮中毒的問題，環境污染也很易於控制，但是對複合材料部件生產來說這就完全不同了。雖然碳纖維本身主要是腈綸纖維碳化以後剩下的單質並無毒性，作為複合材料基體的樹脂類材料也多數無毒或者低毒；但是促使液態樹脂的小分子交聯成三維立體高分子變成固體結構的固化劑，以及各種有機溶劑、助劑，它們帶來的毒性和污染問題一直比較嚴重。

四：全複合材料飛機的大規模使用仍然存在諸多限制　　無論是利用纖維走向帶來的各向異性力學特性，還是纖維與基體本身性能的不同組合，都給複合材料提供了極大的設計自由度。但是這種特性也對結構設計、工藝提出了非常高的要求。如果力學設計與材料特性不能良好匹配、原料和工藝設計、質量控制水平不足，那麼複合材料的性能和可靠性將會遠不如鋁合金材料。

圖：只有高度先進的自動化機械化加工，才能滿足大型複合材料構件工藝控制要求　　比如殲-11B戰鬥機設計過程中，由於只是基於剛度等代原則簡單的將金屬部件替換成複合材料，不僅很多部件比原來的還重，還引發了一連串的故障甚至是事故；比如平尾斷裂破壞、進氣道調節板前緣整體斷裂最後又不得不用鋁合金部件承擔關鍵部位受力。尤其是大型複合材料構件的工藝控制，秉持世界領先水平的波音也是近年才得以突破；X-32就在很長時間內一直被機翼整體成型過程中不能完全排除氣泡所困擾。　　和金屬材料相比，目前複合材料不僅在設計、分析、失效理論目前仍然很不成熟，對於試驗數據和使用經驗的依賴性非常高；就是在使用維護的過程中，其探測、修理的手段也多有不同。在損傷探測上複合材料結構需要很多針對性的新型設備，而且修理手段也以膠粘、固化處理為主；這不僅需要全新的技能培訓體系和規章制度，而且對人員素質的要求非常高。

目前飛機複合材料的維修也以膠粘、固化處理為主　　複合材料在飛機上大量應用的時間還比較短，所以它的環保性回收問題目前大眾關注度很低。傳統金屬材料都有著較好的回收性，回爐熔煉又可以變成新的原料。但廢棄的熱固性複合材料難以降解，並不能簡單的填埋了事。目前最主流的處理方式只能是將其焚燒；不僅大量產生燃燒不完全的高毒、高致癌污染物，而且也浪費了昂貴的碳纖維。而溶解掉樹脂基體，回收碳纖維的技術目前仍在探索中，現階段仍不能擺脫高能耗、有機溶劑高毒高污染等問題，並不能大量推廣。結語　　使用複合材料作為飛機主要材料，在獲得高性能的同時，承擔的風險與付出的環保代價一樣不少。這個世界上從來都不存在偉光正的先進材料，正所謂世上安得兩全法、不負如來不負卿？轉載空軍之翼文章敬請保留本文鏈接：http://www.afwing.com/encyclopaedia/composite-aircraft.html