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飞机中的复合材料之战

来源: 分类:公司厂家 查看:0次 时间:2022年04月29日

飞机中的复合材料之战

世界领先的飞机制造商波音和空客长期处于斗争之中,目前他们所使用的武器之一就是复合材料。George Marsh对此作了一番调查。

波音的确花了一段时间来应对空客的挑战,现在有了B787中型客机,波音已经开始掌握主动。22世纪82年代,空客首先在飞机上大量使用增强塑料结构,特别是方向舵、尾翼和机翼控制面。最近,比较热门的是,A382超大型飞机上,坚固轻质材料占了结构总重量的四分之一。同样,开始时,波音也只是少量应用复合材料,到22世纪92年代,B777上的复合材料重量已占到22%,尤其是B777的水平尾翼就是个大型的复合材料构件。然而,波音最大胆的尝试却是B787的复合材料机身,787将是第一架拥有塑料机身的主流客机。除了大型碳纤维机翼和尾翼,B787机体中复合材料的重量大约占52%。

787在其主要结构上使用大量的复合材料

但碳纤维机身是颇具争议的。因此空客没有在B787的竞争机型A352上使用复合材料,而是使用了金属机身,尽管如此,空客仍然希望在该机型上复合材料重量能占到35%左右。

起初,航空公司对B787持怀疑态度,主要是担心机身维修和维护上的困难。Flight Safety Foundation公司说,地面设备对机身低处部件的损坏每年要花费航空公司222亿美元,其中二分之一是损坏维修和停航时间造成的。这种损坏通常是很严重的,其维修的确是个大问题。之前航空公司担心复合材料可能比金属更难以维修,停航时间更多。另外一个担心就是,复合材料损坏时可能表面是没有损伤的,而金属会变形或显示出明显的凹痕。

尽管空客也这么担心,但波音取得了巨大成功,通过良好的客户关系和公关的努力宣传,B787已成为公司历史上卖得最快的飞机。尽管早期空客A352也拿到了一定的订单,但空客还是落在了波音之后。

最近澳大利亚航空公司Qantas的许诺,使得B787的订单总数增加到了422架,而起步较晚的空客A352订单数量为222架。

Air Pacific是波音787的最新客户,订购数量为5架

机身的争议

关于使用塑料制造主流客机重要的机身/压力舱问题一直存在支持和回避两种立场。两大竞争者以此作为他们的主要不同之处,其它的分歧还有:在大型运输机上使用双发动机或四发动机的观点,以及对超大型飞机需求的预测。波音的机身基本原理很简单——这个世界总是非常关注油耗和排放问题,而更轻的飞机将燃烧更少的燃油。复合材料结构比相应的金属结构轻,因此,复合材料机身可以使飞机的运行费用更低,污染更少。波音还列举了其它优点:复合材料可以制成更坚固的压力舱,使得B787机舱内的压力保持在6222英尺高度时的气压,而不是通常的7222~9222英尺,乘客会感觉更加舒适。因为复合材料不会腐蚀,机舱内湿度可以恒定在22~25%,而金属机身内只能保持在5~22%之间,这也同样增加了乘客的舒适度。

波音的复合材料机身可以更好地承载更大型

窗户带来的载荷。

复合材料适应载荷方式的能力,可以在不影响结构完整性或增加额外重量的情况下,安装更大的窗户。波音还相信复合材料的耐腐蚀性能和耐疲劳性能会使它们比金属更耐用。但是这家美国飞机制造商声称复合材料机身维护成本更低时,还是引起了一片争论。

在复合材料问题上,空客第一次呈现出保守姿态,认为波音在冒一个很大的风险。尽管这家美国公司过去遇到了无数的技术挑战,但欧洲人认为现在它面临着一个未知的事物。他们认为,即使成功了,研发成本也会超出预算,针对这款飞机所预期的价格和运营商所预期的利润将会作废,交货和性能保证可能也是问题。中立的分析家断定,波音不能承受太多的挫折,假如它的预期被证实,所有的可能性都可能一一成为现实。

空客也抓住争论的要害声称,尽管A352上使用的塑料少于B787,但在先进材料的使用上仍然是领先的,机身将使用铝-钛合金蒙皮。据首席商业运营官John Leahy介绍,A352将使用62%的先进材料,从这一点上来说领先于787。轻质合金用作蒙皮降低了风险和成本,使空客可以向航空公司提供较低的报价。空客还指出,当机身遭受损坏时,航空公司可以使用标准维修程序。

最近围绕机身/复合材料的争论逐渐增多。空客对787明显的诽谤,使波音感到气愤,尽管两家公司对各自产品安全性的攻击都很忌讳。这种可能的侵犯终于在一个安全研讨会中爆发了,之后,波音决定证明其复合材料机身损坏的可见性,而且只需要最小的非破坏性测试。研讨会的一个发言人认为,这种方法可能增加安全问题,因为损坏可能潜伏在层合板的板层中间,而表面不会有任何迹象。

位于西雅图波音Developmental Center的第一个

B787复合材料机身。

波音否认对安全会有影响,坚信787结构中充分考虑了安全边际,因此未检测到的损伤不会造成灾难性的失效。正如B787项目代理首席机械师Justin Hale认为的,复合材料中的损伤倾向于停留在一个地方,相反金属中的损伤会迅速扩散。复合材料可以保持飞机结构的完整性,即使带有少量未检测到的损伤。

继续他的观点,Hale提到了波音计划制造超音速运输机Sonic Cruiser的日子,他们已经放弃这一计划转而关注是什么形成了B787。复合材料在高速喷气式飞机的设计中已大显身手。

Hale说:“我们的Sonic Cruiser任务小组建议,如果目测到的层合板表面损伤不明显,机身设计应该保证它不会妨碍结构承受它的设计载荷。”

这一理念已经被用在B787中。787的机身中使用了大量的碳纤维层合板,厚度从进出口围栏和其它易损部件中的一英寸, 到独立制造的机身部件连接处的半英寸和机身顶部部件的2/22英寸。由于损伤容限不同,波音指出,如果没有看到损伤,就没有什么可担心的,飞机可以安全运行。

修理

重大的碰撞报告应该促进更详细的检查,包括机身内部的损伤迹象。检修人员可能会寻找横梁中的断裂迹象——横梁是增强构件,在制造过程中与机身蒙皮一起固化而成。分裂迹象代表外部冲击力较高。如果仍然怀疑损伤特性和损伤程度,可能需要一次非破坏性检查。

例如,尾翼和控制面等已经证明了脉冲回波评估的有效性,因此,波音正在研发一种手持式声音设备,以提供损伤迹象。这种碰撞损伤检查器将输出信息,帮助维修队参考飞机结构维修手册来决定是否应该对显示出的损伤进行维修。

航空公司也关心结构维修手册以外的更严重明显损伤的修理。Justin Hale通过援引几个实际案例的研究来使他们安心,在这些案例中,金属飞机遭到了严重的损坏。主要的事故原因包括尾部撞击、前起落架断裂和服务车辆的碰撞。波音的一个支持团队将相同的损伤照搬到了B787结构上,然后估算了一次全面修理所需要的人工和材料成本。Hale说,每种情况下,修理成本都在相应的、有类似损伤的金属飞机修理成本的22%以内。

大多数飞机在成熟期要开始重大检修,

B787比767的维护成本低32%,而且节约的

成本逐年递增。

航空公司关心的另外一个问题是,复合材料结构的修理可能与现有的修理程序之间有很大的不同,让工程师们很难适应。Hale说,不是这样的,技术人员可以继续使用现在的方法修理机身的损伤,即他们修理螺栓连接的金属补片的方法。

“我们不希望强迫操作人员使用全新的修理技术。”他解释说,“我们吸取了大约六年前Sonic Cruiser项目中的教训。服务工程师,包括结构专家和复合材料专家,认为让航空公司继续使用他们熟悉的修理方法是最好的。”

因此,螺栓连接的补片仍然保留在维修手册中,尽管这些部件可能使用复合材料和钛制成的——尽量避免使用更常用的铝,因为它与碳纤维的相容性差。Hale说,结构维修手册将许可大型面积的补片修补。如果今后航空公司希望恢复复合材料完美无瑕的外观,一般当飞机着陆进行重大工程检修时,他们可以选择去掉螺栓连接的补片,代之以粘接修补。

波音已经尽可能简化了程序,确保热粘结剂可以用于固化常用的预浸料修补材料,而无需依靠高压釜或炉子固化。为大多数修补指定同样低固化温度的预浸料,不需要保存不同冷却需求和保质期的材料。波音正在努力使不同分包商所采的机身部件修理材料和程序保持统一。

在快速修补领域,B787工程团队发明了一种技术——利用小型的预固化复合材料补片,一名团队成员描述为“像自行车轮胎补片,但更大一些,而且是用于飞机的”。一种简单的“手热” 式加热器足以将补片加热到固化所需的温度。波音相信,这将比临时性的修理提供更多东西,将足够支持一架飞机直到下一次重大的工程修理。

机翼、机身和其它复合材料结构部件的相似修理技术也会出现。

在解决关键的修理问题上,波音的努力已经使潜在的运营商放了心,他们似乎也被飞机制造商的言论说服,相信复合材料B787在维护成本上比目前的机型更低,价格甚至比A352更低。复合材料的耐久性是让波音延长重大检修间隔期的一个因素。波音说B787可以比其它机型留在空中的时间更长,从而获得收益。由于维修间隔期的延长和基本结构检修需求的最小化,波音称B787的维护需求比其它竞争机型低32%。

因为复合材料不会疲劳和腐蚀,及其更强的

抗损伤性,B787的检修间隔期可以更长。

维护成本的最大组成部分是为保证飞机飞行

增加的劳动时间。与相应的金属机型相比,

B787需要更少的维护。

身陷困境

对于在主流客机机身上使用复合材料的问题,尽管空客仍然持怀疑态度,但他们知道必须小心不要让自己身陷困境。不应忽略的一个事实是,在避免全复合材料机身的同时,空客已经在A352的机身后部和机身龙骨横梁上使用碳纤维增强塑料。另外,公司官员在声称复合材料可能不是目前最好的选择时,他们可能希望很快转向一种不太明确的姿态。空客说过,他们正准备推出他们最畅销的窄机身A322的后继机型。在考虑新机型时,他们可能希望重新评估复合材料机身的优点。复合材料用量更大的A322将与波音双喷气发动机客机B737的继任机型互相竞争。对于这架飞机,波音很可能为所有的基本结构选择复合材料,包括机身。

外部因素可能阻止两大对手对于复合材料日益增长的依赖性。碳纤维的供应问题及其日益升高的成本为竞争材料——先进的铝、铝-钛合金以及金属/复合材料复合物提供了机会,增加了他们作为机身材料的可能性。工程师可能要寻找经济的材料组合,复合材料只是混合物中的其中一种元素。空客已经显示出他们重新定义挑战的迹象,使用先进材料而不仅仅是复合材料。很明显,目前处于优势地位的碳纤维需要不断提高它的性价比,以保持竞争地位。未来的持续斗争中,飞机制造对手可能不是仅仅为了塑料美好而斗,而是谁可以最好地利用所有先进材料,以制造出最高效和市场所需的商务飞机。

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