通用飛機與複合材料
2011-11-14 航空製造網
一般認為，通用航空是指幹線和支線定期航班客貨運輸以及出租飛機公司經營的空運業務以外的所有民用航空活動。目前，各國對通用航空的定義說法不一，實際上還沒有一個統一的嚴格的有關通用航空的定義[1]。通用航空是民用航空的重要組成部分，通用航空的發展水平是一個國家科學技術發展水平、經濟發展水平和人民生活水平高低的重要標誌，在社會和經濟發展中有著重要地位。
通用飛機可以通俗地理解為用於通用航空飛行的飛機，由於通用飛機的用途廣泛，飛機的結構特點各有不同，大致可劃分為運動飛機、公務機、農林飛機、多用途飛機，國外主要
通用飛機製造商有龐巴迪宇航集團、灣流宇航公司、塞斯納飛機公司、豪客比奇飛機公司、歐洲直升機股份有限公司等。
隨著先進複合材料及其加工技術的快速發展，在通用飛機製造領域，新型飛機開始越來越多地使用先進複合材料，統計表明，2007 年通用飛機上複合材料用量，在總材料用量中佔到了57% 的比例[2]。本文將介紹幾種類型的通用飛機，並對一些通用飛機的複合材料使用情況進行介紹。
典型通用飛機及其複合材料的使用
1 小型飛機
小型飛機一般2~6 座，大部分都只裝一台活塞發動機，主要用于飛行員培訓、航空運動、空中遊覽、教育培訓、文化體育、航空廣告燈等。「小鷹」500 飛機是具有我國自主知識產權的輕型多用途飛機，是一種按單駕駛體制、雙操縱進行設計的前後兩排並列式4~5 座飛機， 這款飛機的發動機罩、尾錐和座艙部分側蒙皮採用了玻璃纖維複合材料。美國西銳設計公司（Cirrus Design Co）以生產複合材料見長，其生產的SR20/SR22採用活塞發動機的四座複合材料輕型飛機懸臂式下單翼，翼尖上翻，為複合材料結構，機翼懸掛複合材料懸臂式緩衝主支柱，外帶整流罩。G
2 多用途飛機多用途飛機是指可用於客貨運輸及其他社會服務的6~10 座左右的通用飛機。1974 年批量生產的P-68，其機體大部分為金屬結構，僅在機翼機身連接處整流包皮採用了玻璃纖維增強複合材料。隨著材料技術的發展，更多的新材料和新技術被應用，1991 年首飛的PC-12 來自瑞士派士飛機公司，其T形尾翼採用了玻璃纖維增強複合材料，而尾翼的背鰭和腹鰭則採用凱夫拉縴維增強蜂窩板夾層複合材料。「探險家」飛機更是採用先進計算機輔助模型設計和製造技術，可迅速轉入批量生產，其機身為半硬殼式結構，由碳纖維複合材料製成的外殼和金屬骨架構成。德國格羅布宇航公司製造的「SPn Utility Jet」，載客9 人，空載重量在
3 公務機
越來越多的複合材料被用在了繁忙的公務機上，各國的飛機製造商則紛紛研製新型的全複合材料公務機搶佔未來市場。
美國豪客比奇公司的「首相Ⅰ」，由於機身為碳纖維蜂窩複合材料結構，除去所有的整體機身框架，蒙皮僅厚
亞當公司的超輕型噴氣機A700和裝備了活塞發動機的A500，飛機大部分是由碳纖維增強Nomax 蜂窩夾心複合材料製成，部分地方使用了玻璃纖維增強。以A700 為例，其載客數為 6~7 人，用AGATE 認證的預浸料進行拼接（預浸料來自東麗公司），並相應開發了可以對複合材料進行二次加工的銑床。複合材料層合板是碳纖維或玻璃纖維織物增強Nomax 夾心材料，真空袋成型，從機頭到機尾的艙壁、翼梁底座、窗戶框和門框都是共固化成型的。翼梁則由單向碳纖維增強複合材料製造而成，而翼梁抗剪腹板則是有多向的碳纖維織物增強複合材料製成。為了消除閃電擊中的電弧作用，燃料箱是由玻璃纖維增強複合材料製成，碳纖維翼梁與蒙皮之間也用了一層玻璃纖維隔開, 售價在100 萬~250 萬美元[4]。
塞斯納750「獎狀」是美國塞斯納飛機公司研製的一種高速遠程公務機，其最大馬赫數可達0.92，機翼懸臂式下單翼，整體機加壁板式翼蒙皮，所有的控制面，擾流板、減速板和襟翼均由複合材料製成。「灣流」G250的一體化方向舵（長
設計公司生產的自動化裁剪設備及對多層碳纖維及玻璃纖維無屈曲織物（NCF）型增強材料進行裁剪[5]。另一款來自龐巴迪的全複合材料飛機里爾85 計劃在2013 年投入使用，里爾85 全復材機身不僅減輕重量，減少維修成本，而且獲得了更好的氣動性能和降噪效果。
4 農林飛機
農林飛機多由輕型飛機改裝而來，大多採用冷活塞發動機，要求能在土跑道起飛，超低空機動飛行，成本低等，因此在農林飛機出現伊始，很多二戰後退役的飛機被改裝成農林飛機。農林飛機速度低，高度也低，並且要求控制成本，因此一般不採用複合材料或者僅採用玻璃纖維增強複合材料以減輕重量，例如波蘭飛機和發動機工業集團華沙工廠研製的PZL-106「渡鴉」採用了玻璃鋼翼尖，機翼前緣縫翼採用了泡沫芯材的玻璃鋼夾層結構。農林飛機一般都攜帶有藥箱，藥箱則多為玻璃鋼結構，並在機身骨架塗有聚氨酯以防止腐蝕和防塵。
5 水上飛機
水上飛機是能在水面上起飛、降落和停泊的飛機，其中有些也能在陸上機場起降。水上飛機用途廣泛，在民用方面可用於運輸、森林消防、航空旅遊、飛播造林、醫療救護等，比較有名的有中國的水轟5、日本的US-1、美國的PBY-5、加拿大的CL-415、俄羅斯的Be-103，值得一提的是多尼爾海星馬來西亞公司的「海星」CD2，其複合材料用量很大，機翼為懸臂式下單翼，高升力機翼外側前緣下垂，採用玻璃纖維增強複合材料和泡沫夾心材料，具有碳纖維增強複合材料製成的前、後梁，尾翼由玻璃鋼製成，常規尾翼，裝電驅動可變安裝角平尾。
6 旋翼機
旋翼機是指利用動力驅動的旋轉旋翼提供升力、推進力和操作力的飛行器，目前通用航空中使用的旋翼機主要是直升機，民用側轉旋翼機BA609 正在研製，還未投入市場。
旋翼機的使用已經相當普遍，主要應用領域有：旅客運輸、海上油井服務、漁業作業、緊急救援、環境監測、城市治安管理、醫療救護等等。現在新型的直升機幾乎都採用了複合材料旋翼，機身也多在採用複合材料代替部分金屬材料，比如西科斯基飛機公司的S-92，4 片槳葉全複合材料旋翼，槳尖後掠，其機身主要由鋁和複合材料製成，複合材料約佔40%。歐洲直升機公司的EC135，4 片槳葉安裝在可控複合材料柔性臂上，機身殼、框、艙門、水平安定面及端板均採用複合材料結構，複合材料大部分是芳綸或碳纖維蜂窩結構[6]。德事龍集團貝爾加拿大直升機公司在貝爾230 基礎上研製的貝爾430 採用全複合材料4 槳無鉸無軸承旋翼系統，旋翼槳葉由不鏽鋼大梁、前緣包條和玻璃纖維增強複合材料蒙皮組成，在大梁和後緣之間填充Nomax 蜂窩[7]。在汶川大地震堰塞湖搶險中立下大功的俄米26 直升機，其尾槳由5 片玻璃鋼製槳葉組成。歐洲直升機工業公司的EH101使用了PMI 聚甲基丙烯醯亞胺硬質泡沫填充的直升機旋翼葉片[8]，EH101 還是新美國總統專機「海軍一號」的備選機型，該公司的 EC135和NH90 也是用了此項技術。另外，NH90 的扭力臂和縱向推力桿的中心凸耳RTM 工藝成型，使用了來自德國Heek-Nienborg 的機織織物預成型體。纖維使用東麗公司的T300-12K 碳纖維[9]。
通用飛機用複合材料的市場
預計在未來20 年內，世界上大約需要通用飛機56916 架( 含民用直升機)。專業人士認為中國每年至少應有250 架公務機和數百架私人飛機的市場潛力。未來10 年國內對各類通用飛機的需求量很大，保守預測應在1500 架。據估計[10]，2007 年通用飛機用複合材料的市場為7 億美元，而到了2008 年，這個數字增加了16.7%，達到了8.17 億美元，根據遺傳演算法計算等到了2014 年，通用航空用複合材料市場將達到峰值而超過11 億美元。
各國大力發展複合材料通用飛機
歐美的通用飛機發展已經有相當長的歷史，特別是美國，2004 年，美國通用飛機總數在約22 萬架，美國為了讓複合材料能夠在通用航空中得到更廣泛的應用，由飛機製造商與材料供應商、研究大
學和聯邦航空局（FAA），美國航空宇航局（NASA）在先進通用航空技術實驗室（AGATE）[11] 建立了可使用複合材料的資料庫，並由FAA 核准相關材料的技術細節。一旦選用了資料庫中的材料，就可以簡短研發周期，減少實驗數量從而節約研發經費( 據統計可以大約節約實驗經費50%)[12]。
歐洲諸國以及加拿大、日本均採取了航空公司與複合材料公司緊密合作的機制，廣泛進行企業間以及國家間的合作，奎奈蒂克（英國國防科技公司）的海王直升機就使用了由美國賓夕法尼亞州的卡爾森直升機工廠提供的複合材料直升機旋翼葉片。龐巴迪的里爾85 飛機項目更是擁有超過30 家的供應商。
印度雖然在複合材料領域的技術並不先進，但是由於通用航空用複合材料的技術門檻較低，印度也進行了這方面的嘗試，並取得了很好的成績。早在2004 年，印度就在班加羅爾的航空宇航技術實驗室完成設計和製造一架全復材兩座的輕型飛機。這架名為HANSA-3 的輕型飛機主要用來訓練領航員以及航空運動。這架飛機也能用於航空拍攝。海岸巡輪以及環境監測。整個機身除了起落架部分和發動機部分，是一個整體的複合材料夾層結構，是由玻璃纖維和硬質泡沫芯材真空袋固化成型的，翼梁則用碳纖維。
相比之下，中國通用飛機的發展就顯得比較緩慢，通用飛機用複合材料的使用也較少。隨著我國經濟的迅速發展，對通用飛機的需求呈現出指數形式的增加，這對中國通用飛機及其使用的複合材料的發展將是一種巨大的推動。日前，新成立的中航通用飛機公司成功收購了美國西銳公司，希望中國的通用航空事業能夠在新的時期蒸蒸日上，更好地為社會服務。
（責編 曉立）
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