民机方面,波音777采用全复合材料尾翼,其翼面及翼盒构件,均采用自动铺带技术制造。空客A330/A340飞机长9m,宽2m,重200kg的大型蒙皮壁板。A380的后机身所有蒙皮壁板19段,22%的机身重量是CFRP。尤其是A380的8*7*2.4米中央翼盒,重8.8吨,CFRP就用了5.5吨,比金属材料减重达1.5吨,其燃料经济性相当可观。

这方面的先行者,是波音公司的B787“梦想”飞机,复合材料应用率50%。CFRP广泛应用在机翼、机身、垂尾、平尾、机身地板梁、后承压框等部位,同时是第一个同时采用CFRP复合材料机翼和机身的大型商用客机,其23%的机身均使用了自动铺丝机制成的CFRP材料。

最值得关注的,是其机身:787机身工艺采用直径5.8m的成型模胎安装在一旋转夹具上沿长轴转动,先铺长桁然后铺皮,形成外表光滑的变厚度的壳体以及共固化的桁条组成的机身段,经过热压罐固化后,取下模胎。这一工艺可以代替由上百块蒙皮壁板、加强筋及长桁、上千个紧固件组成机身的工艺,见下图。

在研机方面,波音公司X-45系列飞机复合材料用量达90%以上,诺斯罗普·格鲁门公司的X-47系列飞机也基本上为全复合材料飞机。

看完波音的系列CFRP主承力结构产品,兵器迷想问问某些网友,凭哪条说美国是产业空心化,只剩下金融和房地产了?人家居安思危,几句谦虚的自拙之语,被刚进入工业化不久的我们如获至宝般的照单全收,再加以主观放大,作为沾沾自喜的根据,实在不足为取啊。

国内方面:

根据中广网的公开报道,2012年12月,中航工业西飞公司向中国商用飞机有限责任公司(简称中国商飞)交付了C919大型客机中央翼、襟翼及运动机构部段,这是C919大型客机七大部段中难度最大、工作量最大的两个部分。这两个部段尺寸大、结构复杂、外形公差要求高,尤其是国内民机最长尺寸、长达15米的襟翼缘条加工,技术难度非常大。西飞突破了复合材料大型成型模具设计制造技术、复合材料构件预装配变形控制技术等多项技术难关,整个研制过程全部采用先进的三维数字化设计、传递与制造,中央翼部段除1号肋是金属件外,全部采用了先进的中模高强碳纤维/增韧环氧树脂复合材料制造。这是国内首次在固定翼飞机最重要的主承力结构件上使用复合材料,代表了中国制造的碳纤维航空复合材料应用的最高水平。

注意,图5的产品仍然面积较小,需要通过机械加工多块拼接形成大型壁板。而波音787可以整体成型超长超宽的壁板,覆盖在两个大型工艺分离面(核心主框段)之间,如5.8m×7m的47段和4.3m×4.6m的48段CFRP壁板。

我们能做出来787这么大的壁板吗?回答是:能。

这位眼睛瞪圆了——那为什么不用呢?

其实,国内C919大飞在一开始,也曾雄心勃勃,想做类似波音787这样的大型整体壁板.但我们的工艺水平不成熟,虽然能做出来,却无法控制批次质量的稳定性。废品率高,成本自然下不来。C919是商飞啊,不是技术验证机,安全性和经济性都是一票否决,所以琢磨了很久,还是放弃了。仍然采用分块成型拼接吧。

差强人意,亦属无奈。

为了学习CFRP大型构件整体成型的新技术、新工艺,哈飞复合材料公司与外方合作伙伴一起,共同进行C919的部件开发。下图6展示的,就是哈飞复材公司参与制造的C919机尾框段——在2.4米的长度内,直径从2米平滑过渡到1.2米,一次整体成型,是目前公开所见国内合作制作的最大体积整体成型CFRP制件,见下图。

CFRP主承力结构件,对T700,T800等高性能军用碳纤维生产,以及大型复材整体成型技术提出了更高需求。国内在这两方面又都存在短板甚至空白。因此大多数应用是探索性,合作性和阶段性的。在短期内,我们尚无法做到主承力结构CFRP的大规模应用。

对此,正确的态度应当是:学而时习之。中国人有差距,不可怕。咱学,咱追,一定有一天咱超——就像空警2000一样。可怕的是妄自菲薄和夜郎自大两种极端心态。这样的心态,距离事实很远,距离成功,那是无限远。

CFRP三个阶段的应用介绍完了,咱们再看看——

直升机、旋翼机、风扇叶片等其他方面

包括CFRP在内的先进复合材料的用量甚至更大。如V-22鱼鹰倾转旋翼机,其结构的50%由复合材料制成,包括机身、机翼、尾翼、旋转机构等,共用复合材料3000多千克,其中很大一部分是CFRP。V-22的整体后机身,原由9块手工铺叠的壁板装配构成,后改为自动铺丝工艺整体成型,减少了34%的紧固件,53%的工时,降低了90%废料率。自动铺丝技术同时应用于储油箱、旋翼整流罩、主起落架舱门。已经下马的“科曼奇”(RAH-66)共使用复合材料50%,欧洲最新批次的“虎”式武装直升机结构部件的复合材料用量高达80%,接近全复材结构。

国内方面:

2011年国际通用航空大会披露,我国与法国、新加坡合作研制的轻型直升机EC120的机身、垂尾、水平安定面、尾翼、前舱等结构均由CFRP等复合材料制成。在军机方面,近年来所有的国产直升机旋翼都是多维编制的CFRP复材叶片,金属旋翼叶片已经完全淘汰。报载:复材叶片和先进旋翼机构,已经成为中国直升机整体短板下不可多得的优势点,水平基本与国外看齐——歼-20、武直-10、辽宁号这些平台类的突破固然可喜,而直升机叶片这样长期困境中的点滴进步,也同样令人感动。

既然说起叶片,再唠叨两句航空涡扇发动机。

大家知道,航发的风扇叶片,大多采用钛合金。金属叶片有一个弱点,就是振动阻尼性能较差,高速旋转时容易震颤,而且不易衰减。而且如果叶片本身已经有微小裂纹,就会在这种持续震颤中,引发裂纹由内向外快速扩张,在极短时间内造成叶片断裂。这是一种比共振更加危险的振动现象。