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【热点】C919下线 揭秘国产大飞机背后的先进复合材料

时间:2019-03-15 03:08:35

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【热点】C919下线 揭秘国产大飞机背后的先进复合材料

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11月2日,经过7年的设计研发,C919大型客机首架机在中国商飞公司新建成的总装制造中心浦东基地总装下线。这标志着C919大型客机项目工程发展阶段研制取得了阶段性成果,为下一步首飞奠定了坚实基础。

C919大型客机所采用的新技术、新材料、新工艺对我国经济和科技发展、基础学科进步及航空工业发展有重要的带动辐射作用。

C919大型客机是我国首款按照最新国际适航标准研制的干线民用飞机,于开始研制,基本型混合级布局158座,全经济舱布局168座,高密度布局174座,标准航程4075公里,增大航程5555公里。先进材料首次在国产民机大规模应用,第三代铝锂合金材料、先进复合材料在C919机体结构用量分别达到8.8%和12%。目前,C919大型客机国内外用户数量为21家,总订单数达到了517架。

如今,与电传操纵或飞机上的其他部分的发展历程类似,复合材料的应用率也逐步在一代代的飞机上增大。复合材料用量占飞机机体结构的比例无疑已成为衡量飞机先进性的重要指标。

从0到53%的飞跃

与传统飞机上使用的铝合金材料相比,复合材料不仅重量轻、强度好、劲度高,还耐热、耐腐蚀,同时又有很好的抗疲劳性。然而,在复合材料刚引入航空工业界时,由于对其特性缺乏了解及信心,最初只限用于整流罩等非承力结构件。

先进复合材料的发展,始于20世纪60年代对纤维丝及层合板的研究,当时美国不遗余力地对复合材料结构零件的设计与制造进行大力研发。由于其优异的减重性能,复合材料开始用于飞机的次承力结构上。到了20世纪90年代,复合材料已能与金属结构件相互搭配用于主承力结构件上,但仅限于小尺寸结构。这是因为制造大型复合材料结构件所需的大型热压罐成本非常昂贵,在成本因素考虑下,复合材料一直无法大量应用于航空工业界。

空客是首家在大型民用飞机上广泛采用复合材料的飞机制造商,率先使用碳纤维增强型复合材料替代金属材料。与传统的飞机材料相比,碳纤维增强型复合材料有强度高、质量轻、抗腐蚀和具有超级耐久性等优势。对于航空公司,这意味着一架高性能的飞机,重量轻,有较低的维护和使用成本。

A310采用了复合材料垂尾盒,这款飞机的复合材料用量不到5%。之后的A320则采用了全复合材料尾翼。A380的中央翼盒主要由碳纤维增强型复合材料制造,比铝合金可以减轻1.5吨的重量。

A350XWB是迄今为止被认为复合材料用量占全机结构重量比例最大的一种客机,其复合材料结构重量占全机结构重量53%,超过了波音787复合材料结构重量比例的50%,并且第一次实现了复合材料的用量超过了金属材料。

提升复合材料利用率

新材料的开发并不是一件容易的事情。一种新材料完成研发、生产、应用全过程可能需要时间,花费1.5亿美元。如今,经过几十年的发展,复合材料的制造工艺愈发成熟,在飞机上的应用也日益广泛。

数据显示,复合材料的应用具有可使飞机结构减重10%至40%,结构设计成本降低15%至30% 。但高成本一直是阻碍复合材料大量应用于飞机上的原因之一。近些年,制造商们也开发了不少缩短复合材料生产周期、降低成本的先进技术。

让科研成果“走出去”

实际上,我国复合材料的研制水平与发达国家相比差距还很大。中国进行复合材料科学研究的时间还比较短,尽管一直在加速,但仍需要一个过程去赶上发达国家。同时,在复合材料研制的管理上还存在很多问题,很多材料基础研究的成果没有从实验室里“走出来”,无法实现产业化。然而,一个产品从科研阶段到实现产业化有很长的一段路要走。

事实上,国产大飞机C919的研制无疑带动了我国碳纤维复合材料的发展。据了解,总装下线的C919大型客机在复合材料研发、制造工艺、试验验证等方面开展了攻关,取得了不少突破性进展。

对于飞机运营商而言,复合材料的好处是飞机在运营期间不会有腐蚀和疲劳损伤等情况,但若受到外物撞击,比如鸟撞,除了目视检查外,还需进行额外的详细无损评估,如采用超声波/共振方法,并根据评估结果开展必要的修理。

中国商飞上海飞机设计研究院副院长、C919项目行政指挥韩克岑认为,复合材料在国产大飞机上用量的提升很大程度上依赖我国相关行业、专业的发展进步,不仅是结构,电子、机械行业,还包括后续使用过程中的航材派遣、修理、维护工作,需要从设计制造到修理维护形成一个完整的产业支持体系。

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