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淺談復(fù)合材料在飛機、直升機中的應(yīng)用

2013-01-01 00:00:00楊勝學(xué)吳志軍
科技資訊 2013年2期

摘 要:先進的復(fù)合材料自六十年代問世以來,由于其具有比強度高、比模量大、可設(shè)計性強、減震性、耐疲勞性、耐腐蝕性、過載時安全性好的優(yōu)點,迅速在航空航天領(lǐng)域被廣泛采用。本文介紹了復(fù)合材料的發(fā)展過程,在分析復(fù)合材料在飛機上使用狀況的基礎(chǔ)上,總結(jié)我國現(xiàn)階段復(fù)合材料應(yīng)用上存在的問題,并提出解決問題的方法。

關(guān)鍵詞:飛機 直升機 復(fù)合材料 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理指南

中圖分類號:V25 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1672-3791(2013)01(b)-0000-00

1引言

戰(zhàn)斗機因高性能要求,需要綜合應(yīng)用各種高新技術(shù)。因為先進復(fù)合材料的崛起源于飛機結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化需求,而且復(fù)合材料飛機結(jié)構(gòu)要求高,性能要求全面,設(shè)計難度大,涵蓋面廣,要求進行綜合優(yōu)化,其設(shè)計技術(shù)代表了先進復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展的方向。因此復(fù)合材料在戰(zhàn)斗機結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用代表了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展的最先進水平。

2復(fù)合材料的應(yīng)用

復(fù)合材料在飛機結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用大致可分為三個階段:

第一階段是應(yīng)用于承載不大的簡單部件,如各類口蓋、舵面,阻力板、起落架艙門等。對這類部件,據(jù)統(tǒng)計可減重20%左右。

第二階段是應(yīng)用于承力大的結(jié)構(gòu)和主結(jié)構(gòu)上,如安定面、全動平尾、前機身段、機翼等。據(jù)統(tǒng)計可減重25%—30%。

第三階段是應(yīng)用于主承力和復(fù)雜受力結(jié)構(gòu),如機身、中央翼盒等,據(jù)統(tǒng)計可減重25%—30%。

2.1符合材料在軍機上的應(yīng)用

先進復(fù)合材料具有比強度和比剛度高、性能可設(shè)計和易于整體成型等許多優(yōu)異特性,將其用于飛機結(jié)構(gòu)上可比常規(guī)的金屬結(jié)構(gòu)減輕飛機重量,并可明顯改善氣動彈性特征,提高飛機性能。這是其他材料無法或難以達到的。先進復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用還可進一步推進隱身和智能結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)的發(fā)展。因此,先進復(fù)合材料在飛機上應(yīng)用的部位和用量的多少已成為衡量飛機結(jié)構(gòu)先進性的重要指標(biāo)之一。

直升機上復(fù)合材料的用量已達到結(jié)構(gòu)質(zhì)量的60%—80%,如美國的武裝直升機RAH-66,其復(fù)合材料用量達到結(jié)構(gòu)質(zhì)量的50%以上,美國的垂直起降,傾轉(zhuǎn)旋翼后又可高速巡航的V-22“魚鷹”幾乎是一個全復(fù)合材料直升機。

2.2復(fù)合材料在民機上的應(yīng)用

從安全性和經(jīng)濟性考慮,復(fù)合材料在民機上的應(yīng)用滯后于軍用飛機。飛機的安全性是民用飛機設(shè)計準(zhǔn)則的基礎(chǔ),而市場競爭使飛機公司更為注重飛機的全壽命成本和性能效益。波音777和A340等飛機上的應(yīng)用情況代表了當(dāng)今在民機結(jié)構(gòu)上復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展的成熟程度和應(yīng)用水平??梢灶A(yù)見,隨著軍用飛機應(yīng)用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的經(jīng)驗不斷積累和成熟,以及成本的降低,在下一代民機上肯定會進一步增加復(fù)合材料的應(yīng)用。

3我國復(fù)合材料的發(fā)展歷程

我國從20實際60年代末開始復(fù)合材料及其在飛機結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用研究。70年代中期研制成功了第一個復(fù)合材料飛機構(gòu)件--某殲擊機進氣道壁板。80年代基本實現(xiàn)了復(fù)合材料的應(yīng)用從次承力結(jié)構(gòu)到主承力結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變,復(fù)合材料的垂直平尾、水平尾翼、前機身等構(gòu)件已在多種型號上使用,可以小批量生產(chǎn),并出版了由中國航空研究院編寫的?復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊?、?符合材料連接手冊?、?復(fù)合材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析指南?、?復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理指南?,填補了國內(nèi)在復(fù)合材料規(guī)范方面的空白【2】。標(biāo)志著我國復(fù)合材料在飛機結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用已上了一個新臺階,航空先進符合材料在我國已進入實際應(yīng)用階段。

4我國復(fù)合材料現(xiàn)階段遇到的問題

4.1復(fù)合材料發(fā)展產(chǎn)業(yè):有產(chǎn)能,無產(chǎn)量。

與發(fā)達國家相比,復(fù)合材料在我國軍事領(lǐng)域的使用量并不高。發(fā)達國家復(fù)合材料在部分軍機上的用量早已超過50%,而我國軍用戰(zhàn)斗機上最大用量尚不足10%;在民用方面美國的大型客機波音787上復(fù)合材料用量也超過50%【3】,而我國首架擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的支線客機ARJ使用的復(fù)合材料僅占飛機結(jié)構(gòu)總量的2%。我國的產(chǎn)能有了,但產(chǎn)量還不能滿足需求,高品質(zhì)、高性能的纖維復(fù)合材料還沒有過關(guān)。

4.2結(jié)構(gòu)效率與可靠性的矛盾。

在復(fù)合材料研究領(lǐng)域的科學(xué)與技術(shù)難題中,材料結(jié)構(gòu)效率與可靠性的矛盾是最難解決的。復(fù)合材料的性能分散性和服役環(huán)境的不確定性是制約復(fù)合材料及結(jié)構(gòu)工程化應(yīng)用最大的難題,也是復(fù)合材料的“軟肋”。

4.3基礎(chǔ)研究薄弱

基礎(chǔ)研究不足、關(guān)鍵技術(shù)未能實現(xiàn)突破,是復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展停滯不前的原因?;A(chǔ)研究固有的投入高、風(fēng)險高、研究周期長的特點,是造成我國復(fù)合材料基礎(chǔ)研究薄弱、缺乏原創(chuàng)性技術(shù)的根本原因。

作為國務(wù)院《“十二五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中重點發(fā)展的三大新材料之一,復(fù)合材料的產(chǎn)業(yè)化備受矚目。只要我們重視基礎(chǔ)研究,以基礎(chǔ)研究的發(fā)展作為先導(dǎo),用政策推動基礎(chǔ)研究,堅持科研、生產(chǎn)和應(yīng)用的結(jié)合,相信一定能克服各種難題,促進我國復(fù)合材料的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

5結(jié)語

經(jīng)過近50年的發(fā)展,我國復(fù)合材料逐漸形成體系,部分已經(jīng)滿足了飛機、直升機的技術(shù)需求,但總體上與發(fā)達國家還有一定的差距。新的型號需求為先進復(fù)合材料提供了新的動力和機遇。因此,隨著材料技術(shù)的發(fā)展和飛行器的研制,先進復(fù)合材料在飛機、直升機中將得到越來越廣泛的應(yīng)用。

參考文獻

[1]趙美英,陶梅貞.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)與結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社.2007

[2]沈真,陳普會,柴亞南.航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強度研究發(fā)展的回顧和展望[J].航空復(fù)合材料預(yù)研二十年回顧展望研討會.北京.2001.10.1

[3]益小蘇.先進復(fù)合材料技術(shù)研究與發(fā)展[M].北京:國防工業(yè)出版業(yè).2006

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