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行业分析

浅谈波音787大规模应用复合材料
来源:飞机维修砖家  2021-03-23 10:12:31
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原文:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-12-10621.html       上世纪末,波音公司针对空中客车公司(以下简称空客)的不断壮大,为了取得新的竞争优势,波音推出了所谓的音速巡航者的概念机型,获得了各航空公司的一致好评。不过在911之后,全球航空业一片死寂,音速巡航者的概念不幸下马,波音高层在经过深思熟虑后,于2004年推出了音速巡航者的后续机型——B7E7,后更名为B787。

       787不仅是架更环保的传统飞机,其实是传统飞机构型的音速巡航者,去除了不实用的高亚音速续航特性。在音速巡航者时期,波音已经对目前787上用的各种新技术进行了大量预研,其中复合材料更是重点,可以说787是传统构型的音速巡航者。据波音的研究,飞机外形的改变会大幅增加结构重量,传统材料将面临更大的挑战。为了降低结构重量,结构创新与新材料势在必行。在之前的波音777(以下简称777)上波音已经掌握了如何在飞机上应用复合材料,777上的平尾几乎是当时世界上最大的复合材料构件,用量约10%。不过这次的787更为激进,复合材料用量巨大,约占飞机结构重量的50%,类似军用飞机中的的SR-71。但是如此大量应用复合材料必存在风险。本文通过介绍复合材料的历史和特性,分析在787上应用与维修时存在的问题,探讨如何解决这些问题。

       一、材料的发展

       飞机机体材料发展目前共分三个阶段,第一阶段帆布与木头,第二阶段是以铝合金为主的金属材料,第三阶段主要是复合材料和先进金属材料。本文中的复合材料大多数情况下特指碳纤维增强型复合材料,如有特殊情况,会特别说明。每一种材料的兴起与淘汰有其背后的历史的因素。二战前夜战斗机的速度越来越大,同时铝合金的成功量产,直接淘汰了帆布和木头。六七十年代的化工大爆发直接创造出了材料学中的许多新分支,其中最强大的便是先进复合材料。在这里简单的说明一下,我们现在大多数时候提到的复合材料是指先进复合材料,在上世纪40年代出现的玻璃纤维增强复合材料并不属于此范畴。不过复合材料并没有一出现便取代了铝合金,成本以及需求是制约复合材料大展拳脚的关键。当然复合材料还是被其他的行业所看中,缓慢发展中直到正确的时间,迎来自己在飞机上的春天。波音在音速巡航者项目上投入巨资,研究各种新技术,复合材料由此第一次被考虑大规模应用在飞机上。经过数年发展,当波音787计划初具规模时,复合材料机体已然是787的重要组成。不过对作者而言787身上的复合材料还有其他的意义,民航业终于引来了新一轮的技术变革,可以说是自波音707以及空客a320的以后的又一次大变革。美国国家航空航天局NASA(以下简称NASA)通过787开展了自己对民航机的新一轮的研究,循序渐进地提出计划来改进现有的民航机,并提前勾勒未来飞机的轮廓。复合材料是未来飞机的技术基础之一。没有新材料的帮忙,造不出未来飞机。在NASA计划中的第二阶段,飞机外观产生了巨大的改变,自B707后民航机的构型有了重大突破。新构型飞机的应用确实存在大量的障碍,但随着传统构型飞机的改进空间越来越小,波音,空客以及商飞都在研究相应的技术。

       二、复合材料的简介

       复合材料是一种由增强体与基体材料经过特殊工艺形成的多相材料。以本文中的碳纤维增强型复合材料为例,碳纤维是增强体,树脂是基体。作为一种被人日益看好的材料,复合材料有极诱人的优点,至轻至强。极端的轻盈加上与极端强度,使其一经问世,便备受关注。不仅是航空业,可以说任何追求速度和轻量的行业,都需要这样一种新材料。自80年代,自行车和赛车领域开始大量使用复合材料,积累了大量的经验,复合材料的问题也逐渐暴露出来,凡事必有两面。复合材料虽然有着极高的强度,但并不是在所有的受力方向上均有出色的表现。在面对剪切力,复合材料毫无抵抗力。这与复合材料的制造过程有关,复合材料从形态上看更像纺织品,甚至说就是一种织物,因为碳纤维的原材料便是经过碳化处理的纤维,通常称之为原丝。复合材料制品便是由这些原丝编织在一起的纤维布复合树脂基体经过热压或者其他处理方式之后制成的。因此我们知道复合材料目前受制于制造工艺限制,并不完美。在早期应用过程中,以自行车为例,早期的复合材料车架,常常因为一个小伤口,导致整个车架报废,最后厂商不得不在复合材料外再覆盖一层铝,以防止一些极端事故。后来工艺改进,不再需要包铝。同时复合材料的加工工艺其实很大程度上限制了其性能。与大多数金属的加工不同,金属加工大多数时候是去除材料,而复合材料则是增加材料。因为碳纤维布本身十分薄,为了满足设计要求必须一层一层叠加复合在一起。树脂基体,就像焊接需要的焊剂或焊料一样。复合材料的缺点与树脂基体有关,碳纤维本身虽然大多数时候是几乎没有性能极限的,但是当基体发生问题,整体又不可避免产生了分层的问题,最后只好报废。基体本身十分脆弱,没有韧性,几乎不能承受冲击。通常还无法承受高温,复合材料本身能够应用的区域因此大大减少。能承受高温的却更不耐冲击。最后复合材料的性能不得不被基体材料限制。当然陶瓷基复合材料以及金属基复合材料则是另一种情况。

       三、复合材料的优点

       复合材料目前即使有几乎无法解决的缺陷,还是被波音等航空巨头青睐,因为其优点足以掩盖其缺点,瑕不掩瑜。在21世纪初,石油大幅度涨价的前提下,航空业需要更经济的飞机。更经济的飞机需要更先进的材料,唯有复合材料能够担此重任。除了至轻至强,复合材料相较于金属,仍有其不可替代的优点,成为新时代的飞机结构材料的首选。

       第一,复合材料几乎没有热膨胀。

       飞机上常用的金属,铝钛钢通常有着较高的热膨胀系数,当零件尺寸巨大时,没有控制好温度,会因温差,而使零件的接头或者安装孔等接触部分产生较大变形,给装配带来不小的难度和额外的加工成本。在强调标准化生产前,夏天制造的飞机结构质量通常不如冬天的。作者在普惠上海发动机中心(以下简称普惠)的实习过程中,对温度控制有了新的认识。在机械加工过程中,由于加工时产生的热量,可能最终导致工件不达标甚至是报废。普惠对于温度的控制十分严格,保持全厂全年温度恒定。较高的热膨胀系数对于目前装配精度以0.1毫米计算的今天而言是个大问题。金属中也存在着较低热膨胀系数的品种,比如殷瓦钢,但是极不耐腐蚀的特性限制了使用的价值。复合材料的极低热膨胀系数吸引了波音等公司。

       第二,复合材料更适合一体化设计。

       复合材料的应用使波音可以造出超大尺寸的整体件,同时因低膨胀,尺寸也不会随温度变化产生改变。一体化设计已是大势所趋,无论是手机,汽车还是飞机都在应用。《超级工厂》有一集讲的是意大利超跑帕加尼huayra的诞生。其中刹车部分是典型的一体化设计,从原来25个零件最后减到一个零件,减重效果相当明显。由此可以看出一体化的设计有着极强的应用前景。787对于航空业界的震撼相当巨大。一架飞机的外部几乎没有一个铆钉,这在之前不可能发生的事情发生了。飞机不再是一块块金属蒙皮铆在铝制的隔框,而是一个个复合材料制成的圆筒拼在一起。不过这些部件拼接时还是铆接。用波音的数据来说,一段机身因结构一体化,取消了约1500块铝合金蒙皮和40000至50000个紧固件。这不仅是减重了,更是大幅减少了装配成本。

       第三,复合材料有着传统材料所没有的各向异性。

       工程师可以将更多实验室里的空气动力设计应用在现实中。传统材料中的原子、晶粒发布十分均匀,因此使其在各个方向上的力学性能都高度相似。但复合材料完全不同,由于铺设方向的不同,其在不同的方向上,强度等力学性能会有截然不同的变化。以单向铺设的复合材料构件为例,在纤维方向与垂直方向上,强度相差几个数量级。工程师可以将设计更完整地呈现。各向异性催生了气动弹性剪裁,这种技术被广泛应用于787等飞机的机翼上。因复合材料,无论是自适应机翼,前掠翼还是nasc的其他黑科技都有可能得到大规模应用。787机翼的变形极好地证明了复合材料的强大。

       四、复合材料在实际中的问题

       复合材料在实际应用中仍然存在的问题。第一,复合材料失效性质是什么样的,什么时候失效和为什么失效。第二,复合材料如何检测,如何更有效地发现问题。第三,如何修复复合材料,同时有没有更好的方法。维修是在使用过程中发现问题,解决问题的一个过程。

       一、复合材料的失效。

       材料的失效通常指在正常或不正常的工作环境中,材料发生了不能工作的现象。金属的失效相对简单,例如疲劳、腐蚀、蠕变等等。目前复合材料的失效主要就是纤维布与纤维布之间的分层,因此本文主要讨论的失效是分层。个人认为复合材料仍有些失效形式没有表现出来,因本人技术有限,故不论述。不论述的部分还有增强体的失效。纤维与树脂基体之间的粘接力目前无法提升到一个较高的水平,分层仍不可避免。失效的成因往往与冲击有关。铆个铆钉,纤维之间就有可能分层了。所以在787上,波音只允许用挤压式铆枪,而不是常用的气动锤击式铆枪。高能量的冲击例如雷击,鸟撞属于小概率事件,但维修过程中的低能量冲击是天天可能碰到的。一把扳手砸了一下,表面没事,内部已是面目全非。表面可以看到损伤,那么内部已经大范围分层和基体开裂,强度已降低至原来的40%。同时还有树脂基体的的老化问题,也会造成分层。不过对此也不做论述。

       二、复合材料的检测。

       不同于传统材料,复合材料的损伤大多难以察觉,发现基本就到寿命了。发现复合材料的损伤,就变成了新的课题。无损探伤作为一种可以在不损坏零件的情况下,对内部进行检查的方式,被应用在复合材料上。作者在普惠的实习期间,见到了绝大多数的无损探伤,例如荧光粉渗透,磁粉探伤,涡流探伤以及x光射线探伤等,对无损探伤这种技术有了较多的了解。无损探伤虽然很好,但其中大部分并不适用于复合材料,尤其是在飞机上的构件。无损探伤中有些只针对金属,有些只能在表面进行检测,有些设备的体积过于庞大,并不能很好地手持操作。曾经在检修F-22的复合材料机翼时,通常的设备并不合适,F-22的生产商洛克希德.马丁公司(以下简称洛马)特地开发了新设备。目前可用于复合材料的探伤方式。第一,x光射线。第二,计算机层析照相,也就是CT。第三,超声波检测。第四,声发射检测。还有些其他的方式,碍于篇幅有限,不进一步阐述。同时有公司正研究在涡轮叶片中加入传感器,使其一有裂纹就警告。现在的微电子技术十分发达,在石墨烯等新材料的帮助下,更小的传感器比以前更容易制造。在材料中加入微传感器是很有可能的。未来,当损伤刚发生的时候,维修人员就已经知道了。

       三、复合材料的维修。

       复合材料的修理是个大课题。复合材料需要高要求的工作环境,同时需要维修人员有好的技术。这是个多方面的问题,与复合材料自身有关。首先,复合材料的修补通常需要使用树脂基体。虽然复合材料本身常常是无毒的,但促使树脂固化的固化剂以及有机助剂等等却有着毒性以及污染的问题。复合材料会受潮,自身会储存水分,必须有较高的环境要求。同时,复合材料打磨下来的碎屑尺寸非常小,处理起来非常麻烦。通常在打磨复合材料之前,需要在打磨区域外搭个十分严实的帐篷。复合材料的的修复主要是去掉原来的受损的区域,再补上一块。实际操作时,打磨去除材料时的难度相当大。复合材料部件上一层碳纤维布0.01英寸,修三层,0.03英寸厚,要把它打磨成1.5英寸宽的斜面。不仅要分清楚每一层纤维布的铺层方向,最后的区域要打磨成圆形或者理想点打磨成椭圆形。换算成毫米,可见难度之大。据资料表明,复合材料的维修难度对于维修基地而言也是相当高的。复合材料修补难度还不止这些。通常只用树脂修补,还有其他的方法,比如在某些区域,用紧固件来代替树脂。复合材料不怕腐蚀,通常只有钛制的或莫奈合金的紧固件可以使用。同时必须使用特制的挤压式铆钉。在高温合金或者钛合金上钻孔的难度已经非常大了,几个孔已是钻头的极限。由于复合材料的散热性较差,在复合材料上钻孔更难。在F-22的复合材料机翼上钻孔几乎是不可能的,一个孔可能需要数根钻头。最后洛马特地开发了金刚石钻头,才基本解决了问题。由此也可见复合材料维修的复杂性。

       五、解决方法

       解决方法共三点,加强人员培训,使用新技术或者新思路以及加强基础研究。

       第一,加强人员培训。

      复合材料构件虽然性能优异,却无法承受冲击,有时连低能量的冲击都有可能使整个工件报废。复合材料的制造缺陷与本文相关性不大,但是使用损伤时刻存在。使用损伤分两类,高能量冲击与低能量冲击。高能量冲击通常属于突发事件,无法避免。低能量冲击通常由人员的失误和日常飞行引起。人员的失误应该极力杜绝。比起鸟撞,雷击,滑跑过程中的地面上的外来物FOD等不可控的因素,人属于相对可以控制的,实现起来的成本比较小,比较现实。加强人员的人为因素培训,避免发生二次损伤。接下来是增加人员的技术培训。复合材料的维修难度比金属要高,人员的要求也需要提高。新的工具设备,人员都需要熟练掌握。在没有更好的技术或者设备辅助的情况下,人员只能依靠自己的技术,技术水平的高低直接影响到最后的成功率。

       第二,使用新的技术或者思路。

       在普惠时的亲身经历,当时在特种工艺车间学习热喷涂,当时有一个难题放在车间主任面前。一个附件齿轮箱需要喷涂修复一个直径很小的尺寸,相当难处理,条件互相掣肘。一方面温度不能下降,但是没冷却,因为壳体太重,转不快无法自然冷却,另一方面,温度太高,铝制壳体受不了,同时无法直接冷却,温度太低,涂层受不了,会自行脱落。所有的思路是通常地做加法,不是加转速就是加保护。作者向师傅提出,能否将粉末的直径缩小一个等级,思路是做减法。他认为理论上确实可以这么做。不过结束了实习,不知道结果。有些时候换个思路看问题,可能更容易些。就像前面所写的,在材料里加传感器,就有能力在产生损伤的一开始,便知道哪里出现了问题,可以用最小的代价来解决问题。现在F-35上使用的蒙皮叫做智能蒙皮,是一种功能型复合材料,可以隐身,部分代替天线,同时拥有一定的自修复能力。在维修的时候,可以不再仅仅使用传统的材料。波音专门推出过针对787外场维修时用的修补片,半永久半临时性质的。认为如果可以把传统材料的修补片,换成更方便维修功能型材料的,例如带有自修复效果的补强片。需要注意的是,其可靠性以及可行性方面可能存在问题,需要时间。同时,这几年,科技的发展越来越快,无论是材料,还是制造工艺,都在增强提高。航空业却似乎停止不前,马航失联,才开始重视飞机的实时通信能力,当前的技术都不知是多少年前的。安全与可靠是个几乎绕不过去的话题。不考虑成本的情况下,有了新技术,就反复论证,但是现在有两种情况。一种是新技术完成了论证,通过了考验,因为论证时间太长而过时了,另一种则相反,也通过了测试,但是仍然不够可靠,例如锂电池,标准一再降低但是仍有问题。虽然安全性一直是客机的首要要求,不过安全性标准在不降低部分要求的情况下,应变得更利于新技术的实用化。在航空业正处于十字路口时的当下,大量新技术井喷,安全性标准将面对越来越多的质疑,规则的制定者也会面临更大的压力。从锂电池上,就可以看出美国联邦航空管理局(以下简称FAA)对锂电池没有足够的技术储备。面对大量新技术,FAA的准备明显不足。对于安全性的要求应当更有弹性,更包容新技术。

       第三,加强基础研究。

       还是先举个普惠的例子,去实习前,中航商用发动机公司的人正好去培训,路过看到一些刚刚拆下来的紧固件,便讨了回去。我们当然可以制造紧固件。但背后的原因值得我们思考,个人认为与商用发动机的需求有关。一台好的发动机不仅仅注重其性能,更重要的是其细节,例如可维护性。可维护性一直是国外的重点研究科目,但我国从建国后就没有真正造过一台面向民用市场的航空发动机,甚至堪用的核心机都没有,这次却要做出与CFM-56同级的发动机,要求自然是面面俱到,难度巨大,很多设计只能借鉴国外,自身的基础远远不够。能够体现一个工业大国真正实力,不仅仅是超大型机械,更多时候这些机械背后的细节,比如一个O型圈。苏联人就是个绝佳的例子,作为曾经的超级大国,苏联人的飞机设计地并不差,他们在基础物理方面的造诣,仍然够俄罗斯使用至今。但是作为基础的材料,却也是其致命伤,优秀的设计差点变成平庸之作,这样的例子比比皆是。加强基础研究,虽然过程漫长痛苦,却是值得的。日本人喜欢钻研,不怕枯燥,成为了今天材料方面的强国。今天787大量部件由日本制造不无其道理。航空业越来越受到国家重视,原因是其背后的利益。一架飞机从原料变成最后的成品,其中有无数的企业在幕后,需要大大小小各个学科的知识,对于拉动国内的各个学科的基础研究有着积极的作用。复合材料作为下一代客机的重要基础,必然是下一个知识高地,想要从泰坦的蛋糕上挖掉一块,加强基础是必经之路。

       结论

       复合材料十分强大,也十分脆弱。787可能会成为机库皇后,不仅仅是因为锂电池,复合材料的机身可能是个更大的问题。复合材料虽然在其他领域用了很多年,在飞机也不是一天两天了。早在2000年,NH-90直升机就已是全复合材料的机身,现在在多国服役,表现良好。但是作为一种使用了多年的材料,人类对于其的了解仍然不够,就像锂电池。70年代第一块锂电池诞生,90年代锂离子电池研制成功,并量产,随后被广泛应用,并不断改进。但问题是人类做了大量研究后,仍不知道锂电池什么时候因何原因而起火。正如同曾经的电报一样,有些时候理论研究是落后于实际使用的,但这并不妨碍那些新技术或者好的技术被应用。即使是金属材料,人类研究了数百年,仍然没有彻底了解其性质,但这并没有阻挡金属成为我们日常生活中最常用的材料之一。复合材料也是同样的。即使我们仍没有真正了解复合材料,也必须做好准备工作,同时不断地开展研究。下个时代的飞机将突破我们的固有思维,复合材料一定是其中的基础。无论是基础研究,还是实际使用,如果没有抓住787的典型,好好研究复合材料的特性,那么中国的飞机没有可能成为ABC中的C。这是种赶超的哲学,不在于赶上,而在于超越。正如同美苏在冷战期间的军备竞赛,苏联只有不断追上美国,却从没有超越过。

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