随着先进碳纤维复合材料及其加工技术的快速进步,在通用飞机制造领域,新型飞机设计开始越来越多地采用先进复合材料,在纤维增强塑料(CFRP)成为通用材料的同时,全铝材承力结构正渐渐失宠。
在高油价时代,复合材料结构轻巧、维修费用低廉的优势极大地冲击了铝材承力结构一统天下的局面。统计表明,2007年通用飞机上复合材料的用量,在总材料 用量中所占比例已经高达57%。预计未来10年这一数字将上升到69%。这是一个重要的发展趋势。本文介绍了国际上几家知名通用飞机公司在其推出的新产品 上复合材料结构的应用情况。
赛斯纳350及400飞机
原本以制造全铝合金飞机著称的赛斯纳飞机公司,2007年末收购了破产的哥伦布飞机公司的资产后,如今也以全复合材料飞机制造商的身份出现在通用 航空制造业界。目前,赛斯纳公司推出的带固定减速器的活塞式飞机赛斯纳350以及采用了齿轮传动增压器的活塞式飞机赛斯纳400,已经拥有了一批热心的驾 驶员群体。其中,赛斯纳400经认证已成为速度最快的生产型活塞式飞机,具有良好的机动性、耐久性和更高的生存力并能满足比常用通用飞机更严格的适航条 例。
赛斯纳350及400飞机的结构件采用无纬织物预浸带经手工铺叠而成。预浸带由先进复合材料集团(ACG)提供。它们的关键结构部件,如翼梁、机身梁、水 平安定面、操纵面以及其他承受高载荷的结构件均用碳/环氧复合材料制成。其他大部分结构则采用E玻璃/环氧材料,包括机身及机翼蒙皮。两种飞机每一架飞机 的机体重量中碳/环氧材料的比例大约占15%,而且材料的全部许用值均属公司专利,即由公司自行进行验证试验而不是依赖预先鉴定的材料。
机身的夹层结构分左右两半,并纵向黏结而成。蒙皮为玻璃/环氧材料,芯子采用独特的、重1.35千克的树脂浸渍的芳纶纸纤维。这种由先进蜂窝技术公司制成 的芯子采用独特的网格设计,比传统的酚醛纸蜂窝芯子密度高,因而有更高的湿热压缩强度,它也是保证获得“通用”认证的关键元素之一。
机翼具有两根C型梁彼此面对面并穿过机翼全长,采用机械紧固件与加强的复合材料机身座相连。每一根梁有上下两个由碳/环氧无纬预浸条带制成的缘条,腹板用 玻璃/环氧预浸带与蜂窝芯子组成。上缘条在飞行时受压,在根部由大约135层无纬碳预浸带组成,而在翼尖处过渡到只有两层。梁的下缘条在翼根处为72层到 翼尖只有2层。
机翼受载复杂,在翼尖处弯矩很小,而后逐渐加大,到翼根处达到很大值。为了能承受更高压缩载荷,带有芯子的玻璃/环氧上蒙皮,在翼根处采用5/芯/2结 构,即芯子上面为5层铺层,下面为2层铺层,到翼尖处则过渡到2/芯/2结构。下蒙皮翼尖处为3/芯/2结构。在蒙皮中还嵌入铝及铜丝以防雷击。
SR系列飞机
在当今美国通用飞机制造商中,卷云(Cirrus)设计公司堪称头号复合材料飞机制造商。它在2007年交付了710架复合材料结构飞机,占活塞式飞机交付量的26%。
该公司的SR20飞机是一种轻型全复合材料4座飞机,于1998年取证。目前,公司推出了两款新机型,包括:SR22(为SR20的涡轮增压器型)、SRS轻型体育型以及“个人”喷气型(正在取证中)。
SR22 G3(G3表示第三代)是公司性能最好的活塞式飞机。该机的大部分机构采用了E玻璃/环氧,还部分采用S-2玻璃/环氧预浸带。为提高结构刚度及强度,采 用了碳/环氧预浸带。玻璃预浸带由TenCate先进复合材料公司提供,并经威奇塔州立大学的国家航空研究所(NIAR)的先进材料性能中心 (NCAMP)预先鉴定。卷云设计公司为TenCateBT250预浸带进行了质量鉴定及设计许用值试验。
G3采用的整体、单体(无芯子)、热压罐固化的碳/环氧C型翼梁,比其前身的设计减重13.6千克,从而提高了飞机载重量和加大了飞机航程。该机梁长 10.7米长,厚大约12.5毫米,由位于犹他州的应用复合材料技术(ACT)航空航天公司生产。梁中采用了由NCAMP鉴定的碳/环氧预浸带材料。该预 浸带由东丽复合材料(美国)公司供应,纤维为T700。
机身结构的大面积区采用了夹层结构,由卷云设计公司手工铺成。机身沿纵向分为左右两半部,右半部包括垂尾。典型的结构为2/芯/2,E玻璃/环氧蒙皮覆盖 在 DHT(航空级)闭孔泡沫芯子上。芯子由DIAB公司提供。芯子厚度一般为10毫米,蒙皮的铺层数在关键部位增加以便提高抗屈曲刚性及穿孔周围的结构强 度。在机身顶部引入无纬的S-2玻璃预浸带铺层以形成护头架结构。
同一材料及方法用于翼尖及平尾蒙皮,其中在选择部位引入含有铝网的表面平整薄膜,用以防雷。模具为钢与玻璃/环氧及碳/环氧复合材料,以及模具预浸带的混合物。
烘箱固化后,大件用PTM&W工业公司的ES6292胶连接。大件有机身/垂尾、机翼蒙皮(上有梁及肋)以及平尾蒙皮。平尾胶结在机身上,机翼螺 接在机身(不锈钢及钛紧固件)上。控制面为铝,无电偶腐蚀,因碳纤维不与铝接触。内饰壁板为天然纤维复合材料。
生产一架SR22 G3飞机大约需要1700工时。
史诗(Epic)飞机公司的产品
Epic飞机公司新近推出了试验型的飞机,其中有新的单发超轻喷气机(VLJ)“胜利号”以及单发涡桨飞机“逃脱号”(Escape)和Epic LT涡桨简易组装飞机。目前公司正在努力取证。这些飞机都属于通用航空飞机中速度较快的,其中“逃脱号”的最大巡航速度365节。
上述飞机的结构件都采用碳/环氧预浸料手工铺层而成,生产模具则用碳/环氧复合材料以及外包的CNC母模制造。
这些经预先鉴定的预浸料由美国东丽复合材料集团提供。为了防护电偶腐蚀也应用了少量玻璃预浸带。
考虑到飞机在5400米高度上飞行机身要承受增压到0.45巴的压力。飞机的机身被设计成一个整体结构件,前端有防火墙,后部有压力隔框,是用专利的非自 动化工艺制成的,由两个壳体连接而成,并一次固化成单一的无缝构件。机身由复合材料头锥与后机身锥体组成一体,固化后再切割出椭圆窗户。
最初时的机身设计在前面两窗之间采用了一个铝合金中央构件,后来用碳纤维铺层材料代替。尽管后者原材料成本较高,但因为取消了计算机数控(CNC)切削加工件、紧固件以及组装成本,最终仍节省了2500美元。
“逃脱号”飞机的整体“湿”机翼(机翼内可装燃油)由上下蒙皮、两根承力梁、上下各8根肋组成。梁的缘条由无纬碳预浸织物组成并支承上下机翼蒙皮从而阻止 蒙皮屈曲。由于复合材料刚度高,只需非常少的翼肋。机翼蒙皮一般为3/芯/2结构,在翼根处的蒙皮较厚,在翼尖处为2/芯/2结构。机翼蒙皮用闭孔的 Divinycell泡沫芯材(由DiAB销售公司提供)而不用蜂窝芯子。#p#分页标题#e#
机身通过4套铝托架与整体机翼相连接,垂尾及平尾也用复合材料以及芳纶/酚醛蜂窝夹层结构。在外蒙皮层合板中嵌入铜网以防雷击。飞机的地板、侧壁板以及仪 表板也采用复合材料,一些非结构件用真空辅助树脂转移成形(VARTM)。复合材料飞机比金属飞机强度高且安全,因为采用了按设想中的最坏情况进行的认证 试验。
钻石飞机公司的飞机
钻石飞机公司的活塞式飞机,包括2座的DA20 Eclipse、4座的DA40“钻石星”以及双发的DA42“双星”飞机,主要采用玻璃纤维蒙皮夹层结构。该公司最新推出的单发D-JET超轻喷气飞机 则大多采用碳纤维复合材料结构。该机的机身由沿纵向左右两半部分组成。
该公司的特点是用湿法制造飞机,一家定制公司将玻璃或碳布增强体放在精确定量的环氧树脂槽内浸渍。经浸渍的织物置放在可脱模的层板上,然后送入模内进行铺 层。公司虽然未透露层合板结构细节,但据了解为几个层合板组成的夹层结构。在受力高的区域铺上无纬的碳纤维预浸带条(如门窗的周边)以增加刚度及强度,芯 子为闭孔泡沫,厚度大约12.5毫米,有助于降噪及隔声。
当铺层完成后,工件进行真空袋加压然后在38℃烘箱中固化。工件脱模及切边后进行黏结,然后分组件送回烘箱在达到80℃后固化18小时。
豪克4000及“首相”IA飞机
比奇飞机公司目前生产的豪克4000及“首相”IA喷气机,在材料的选用上主要基于经济学、强度重量比、可制造性以及可维修性的考虑,其效益是增加舱内容积、降低总重以及减少零件数,从而降低工时。在结构加工方法上则采用了先进的自动化纤维铺放。
“首相”IA机身由两个筒形壳体组成,它们在后压力框处拼接,而豪克4000由3个筒体在机翼连接处拼接而成。筒体用MAG辛辛那提公司的Viper自动 化纤维铺放系统在铝合金芯轴上制成。所用的无纬预浸料为12k中模碳丝束(G40-800及IM7),由东邦Tenax美国公司和Hexcel提供。预浸 环氧树脂用977-2或E7K8,由Cytec工程材料公司提供。每一机身需要用128千米长的12k碳丝束。
机身筒体为夹层结构,蒙皮为环氧,蜂窝为芳纶/酚醛纸蜂窝(由Hexcel提供)。最薄的结构为3/芯/3,在某些部位蒙皮的铺层数增加到载荷所需值。一 般的铺层取向是0°/+45°/-45°/90°。但纤维的排列结构是根据特定载荷分布位优化的。在门窗外周围厚度加大以提高强度。
无纬预浸带是机器铺放的,而织物预浸料芯子及胶膜是用激光跟踪在芯轴上用手工铺的。最外层(模线)包括来自Cytec公司用于防雷击的Surface Master905材料。在芯轴上铺完后,从铝芯轴上取下置于阴模内,阴模为碳/环氧双部分组成的蛤蜊形件,经真空压袋并在热压罐中分段固化。筒体的拼接 用胶结及机械紧固件联合完成。胶膜、泡沫胶接剂、膏状胶结剂以及封装材料由3M公司提供
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