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    通用飛機與復合材料

    文章出處:網絡責任編輯:管理員人氣:發表時間:2015-06-22【

    隨著先進復合材料及其加工技術的快速發展,在通用飛機制造領域,新型飛機開始越來越多地使用先進復合材料,統計表明,2007年通用飛機上復合材料用量,在總材料用量中占到了57%的比例。

    一般認為,通用航空是指干線和支線定期航班客貨運輸以及出租飛機公司經營的空運業務以外的所有民用航空活動。目前,各國對通用航空的定義說法不一,實際上還沒有一個統一的嚴格的有關通用航空的定義[1]。通用航空是民用航空的重要組成部分,通用航空的發展水平是一個國家科學技術發展水平、經濟發展水平和人民生活水平高低的重要標志,在社會和經濟發展中有著重要地位。
    通用飛機可以通俗地理解為用于通用航空飛行的飛機,由于通用飛機的用途廣泛,飛機的結構特點各有不同,大致可劃分為運動飛機、公務機、農林飛機、多用途飛機,國外主要通用飛機制造商有龐巴迪宇航集團、灣流宇航公司、塞斯納飛機公司、豪客比奇飛機公司、歐洲直升機股份有限公司等。

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    隨著先進復合材料及其加工技術的快速發展,在通用飛機制造領域,新型飛機開始越來越多地使用先進復合材料,統計表明,2007年通用飛機上復合材料用量,在總材料用量中占到了57%的比例[2]。本文將介紹幾種類型的通用飛機,并對一些通用飛機的復合材料使用情況進行介紹。

    典型通用飛機及其復合材料的使用

    1 小型飛機
    小型飛機一般2~6座,大部分都只裝一臺活塞發動機,主要用于飛行員培訓、航空運動、空中游覽、教育培訓、文化體育、航空廣告燈等。“小鷹”500飛機是具有我國自主知識產權的輕型多用途飛機,是一種按單駕駛體制、雙操縱進行設計的前后兩排并列式4~5座飛機, 這款飛機的發動機罩、尾錐和座艙部分側蒙皮采用了玻璃纖維復合材料。美國西銳設計公司(Cirrus Design Co)以生產復合材料見長,其生產的SR20/SR22采用活塞發動機的四座復合材料輕型飛機懸臂式下單翼,翼尖上翻,為復合材料結構,機翼懸掛復合材料懸臂式緩沖主支柱,外帶整流罩。G120A是德國Grob宇航公司的雙座特技飛行飛機,機身整體是由碳纖維增強復合材料制成。

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    SR-22輕型飛機

    2 多用途飛機
    多用途飛機是指可用于客貨運輸及其他社會服務的6~10座左右的通用飛機。1974年批量生產的P-68,其機體大部分為金屬結構,僅在機翼機身連接處整流包皮采用了玻璃纖維增強復合材料。隨著材料技術的發展,更多的新材料和新技術被應用,1991年首飛的PC-12來自瑞士派士飛機公司,其T形尾翼采用了玻璃纖維增強復合材料,而尾翼的背鰭和腹鰭則采用凱夫拉纖維增強蜂窩板夾層復合材料。“探險家”飛機更是采用先進計算機輔助模型設計和制造技術,可迅速轉入批量生產,其機身為半硬殼式結構,由碳纖維復合材料制成的外殼和金屬骨架構成。德國格羅布宇航公司制造的“SPn Utility Jet”,載客9人,空載重量在3630kg以下,航程在3400km,滿載情況下起飛跑道要求僅為915m,機身由法國播舍公司提供的機制織物(鋪層角為0~90°、±45°)和單向纖維布制成,基體為環氧樹脂[3]。 copyright 123456

    3 公務機
    越來越多的復合材料被用在了繁忙的公務機上,各國的飛機制造商則紛紛研制新型的全復合材料公務機搶占未來市場。
    美國豪客比奇公司的“首相Ⅰ”,由于機身為碳纖維蜂窩復合材料結構,除去所有的整體機身框架,蒙皮僅厚20mm,相對于常規制造客艙容積增加13%。
    亞當公司的超輕型噴氣機A700和裝備了活塞發動機的A500,飛機大部分是由碳纖維增強Nomax蜂窩夾心復合材料制成,部分地方使用了玻璃纖維增強。以A700為例,其載客數為 6~7人,用AGATE認證的預浸料進行拼接(預浸料來自東麗公司),并相應開發了可以對復合材料進行二次加工的銑床。復合材料層合板是碳纖維或玻璃纖維織物增強Nomax夾心材料,真空袋成型,從機頭到機尾的艙壁、翼梁底座、窗戶框和門框都是共固化成型的。翼梁則由單向碳纖維增強復合材料制造而成,而翼梁抗剪腹板則是有多向的碳纖維織物增強復合材料制成。為了消除閃電擊中的電弧作用,燃料箱是由玻璃纖維增強復合材料制成,碳纖維翼梁與蒙皮之間也用了一層玻璃纖維隔開, 售價在100萬~250萬美元[4]。 本文來自123

    塞斯納750“獎狀”是美國塞斯納飛機公司研制的一種高速遠程公務機,其最大馬赫數可達0.92,機翼懸臂式下單翼,整體機加壁板式翼蒙皮,所有的控制面,擾流板、減速板和襟翼均由復合材料制成。“灣流”G250的一體化方向舵(長2.8m,寬1.1m,厚25.4mm)是一個集翼肋、翼梁、方向舵外殼及防雷擊裝置為一體的共同模塑的整體化結構,采用Carlson設計公司生產的自動化裁剪設備及對多層碳纖維及玻璃纖維無屈曲織物(NCF)型增強材料進行裁剪[5]。另一款來自龐巴迪的全復合材料飛機里爾85計劃在2013年投入使用,里爾85 全復材機身不僅減輕重量,減少維修成本,而且獲得了更好的氣動性能和降噪效果。

    4 農林飛機
    農林飛機多由輕型飛機改裝而來,大多采用冷活塞發動機,要求能在土跑道起飛,超低空機動飛行,成本低等,因此在農林飛機出現伊始,很多二戰后退役的飛機被改裝成農林飛機。 copyright 123456
    農林飛機速度低,高度也低,并且要求控制成本,因此一般不采用復合材料或者僅采用玻璃纖維增強復合材料以減輕重量,例如波蘭飛機和發動機工業集團華沙工廠研制的PZL-106“渡鴉”采用了玻璃鋼翼尖,機翼前緣縫翼采用了泡沫芯材的玻璃鋼夾層結構。農林飛機一般都攜帶有藥箱,藥箱則多為玻璃鋼結構,并在機身骨架涂有聚氨酯以防止腐蝕和防塵。

    5 水上飛機
    水上飛機是能在水面上起飛、降落和停泊的飛機,其中有些也能在陸上機場起降。水上飛機用途廣泛,在民用方面可用于運輸、森林消防、航空旅游、飛播造林、醫療救護等,比較有名的有中國的水轟5、日本的US-1、美國的PBY-5、加拿大的CL-415、俄羅斯的Be-103,值得一提的是多尼爾海星馬來西亞公司的“海星”CD2,其復合材料用量很大,機翼為懸臂式下單翼,高升力機翼外側前緣下垂,采用玻璃纖維增強復合材料和泡沫夾心材料,具有碳纖維增強復合材料制成的前、后梁,尾翼由玻璃鋼制成,常規尾翼,裝電驅動可變安裝角平尾。 123456

    6 旋翼機
    旋翼機是指利用動力驅動的旋轉旋翼提供升力、推進力和操作力的飛行器,目前通用航空中使用的旋翼機主要是直升機,民用側轉旋翼機BA609正在研制,還未投入市場。
    旋翼機的使用已經相當普遍,主要應用領域有:旅客運輸、海上油井服務、漁業作業、緊急救援、環境監測、城市治安管理、醫療救護等等?,F在新型的直升機幾乎都采用了復合材料旋翼,機身也多在采用復合材料代替部分金屬材料,比如西科斯基飛機公司的S-92,4片槳葉全復合材料旋翼,槳尖后掠,其機身主要由鋁和復合材料制成,復合材料約占40%。歐洲直升機公司的EC135,4片槳葉安裝在可控復合材料柔性臂上,機身殼、框、艙門、水平安定面及端板均采用復合材料結構,復合材料大部分是芳綸或碳纖維蜂窩結構[6]。德事龍集團貝爾加拿大直升機公司在貝爾230基礎上研制的貝爾430采用全復合材料4槳無鉸無軸承旋翼系統,旋翼槳葉由不銹鋼大梁、前緣包條和玻璃纖維增強復合材料蒙皮組成,在大梁和后緣之間填充Nomax蜂窩[7]。在汶川大地震堰塞湖搶險中立下大功的俄米26直升機,其尾槳由5片玻璃鋼制槳葉組成。歐洲直升機工業公司的EH101使用了PMI聚甲基丙烯酰亞胺硬質泡沫填充的直升機旋翼葉片[8],EH101還是新美國總統專機“海軍一號”的備選機型,該公司的EC135和NH90也是用了此項技術。另外,NH90的扭力臂和縱向推力桿的中心凸耳RTM工藝成型,使用了來自德國Heek-Nienborg的機織織物預成型體。纖維使用東麗公司的T300-12K碳纖維[9]。 copyright 123456

    通用飛機用復合材料的市場

    預計在未來20年內,世界上大約需要通用飛機56916架( 含民用直升機)。專業人士認為中國每年至少應有250架公務機和數百架私人飛機的市場潛力。未來10年國內對各類通用飛機的需求量很大,保守預測應在1500架。據估計[10],2007年通用飛機用復合材料的市場為7億美元,而到了2008年,這個數字增加了16.7%,達到了8.17億美元,根據遺傳算法計算等到了2014年,通用航空用復合材料市場將達到峰值而超過11億美元。


    整體成型的復合材料公務機機艙

    各國大力發展復合材料通用飛機

    歐美的通用飛機發展已經有相當長的歷史,特別是美國,2004年,美國通用飛機總數在約22萬架,美國為了讓復合材料能夠在通用航空中得到更廣泛的應用,由飛機制造商與材料供應商、研究大學和聯邦航空局(FAA),美國航空宇航局(NASA)在先進通用航空技術實驗室(AGATE)[11]建立了可使用復合材料的數據庫,并由FAA 核準相關材料的技術細節。一旦選用了數據庫中的材料,就可以簡短研發周期,減少實驗數量從而節約研發經費( 據統計可以大約節約實驗經費50%)[12]。

    本文來自123


    歐洲諸國以及加拿大、日本均采取了航空公司與復合材料公司緊密合作的機制,廣泛進行企業間以及國家間的合作,奎奈蒂克(英國國防科技公司)的海王直升機就使用了由美國賓夕法尼亞州的卡爾森直升機工廠提供的復合材料直升機旋翼葉片。龐巴迪的里爾85飛機項目更是擁有超過30家的供應商。


    歐直公司的EC175

    印度雖然在復合材料領域的技術并不先進,但是由于通用航空用復合材料的技術門檻較低,印度也進行了這方面的嘗試,并取得了很好的成績。早在2004年,印度就在班加羅爾的航空宇航技術實驗室完成設計和制造一架全復材兩座的輕型飛機。這架名為HANSA-3的輕型飛機主要用來訓練領航員以及航空運動。這架飛機也能用于航空拍攝。海岸巡輪以及環境監測。整個機身除了起落架部分和發動機部分,是一個整體的復合材料夾層結構,是由玻璃纖維和硬質泡沫芯材真空袋固化成型的,翼梁則用碳纖維。 123456
    相比之下,中國通用飛機的發展就顯得比較緩慢,通用飛機用復合材料的使用也較少。隨著我國經濟的迅速發展,對通用飛機的需求呈現出指數形式的增加,這對中國通用飛機及其使用的復合材料的發展將是一種巨大的推動。日前,新成立的中航通用飛機公司成功收購了美國西銳公司,希望中國的通用航空事業能夠在新的時期蒸蒸日上,更好地為社會服務。


    參 考 文 獻
    [1] 胡問鳴.通用飛機[M].北京:航空工業出版社.2008:2.
    [2] 陳亞莉.復合材料結構在通用飛機上的應用.http://www.cnfrp.net/news/echo.php?id=30097,13/10/2008.
    [3] Sara Black.Light Jets Yet AnotherCategory. http:// www.compositesworld.com/articles/light-jets-yet-another-category,01/01/2006.
    [4] George Marsh. Taxi!How compositesmay help in calling up new airborne cabs.Reinforced Plastics.2005, 49(11):20-24.
    [5] 韓秀峰.G250商務機的一體化方向舵. http://www.frponline.com.cn/News/detail_24683.html,18/01/2010.
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    [6] Niesl G,Arnaud, G.Low noise designof the EC 135 helicopter. AHS, Annual Forum,52nd, Washington, DC, UNITED STATES:4-6June 1996.pp.32-44.1996.
    [7] Samiran Saha. How safe is Bell 430.http://www.hindustantimes.com/How-safe-is-Bell-430/Article1-449874.aspx,09/03/2009.
    [8] Helicopter rotor blades benefit fromRohacell. Reinforced Plastics.1999,43(9):4.
    [9] Dale Brosius.Complex CompositesL ighten Nato Copter.High-Perormance
    Composites.03/01/2003.
    [10] Chris Red.Aviation Out look:Composite aerostructures in General Aviation.
    High-Performance Composites.2008,6 (28).
    [11] Barry Berenberg. AGATE MethodologyProves Its Worth. http://www.compositesworld.com/articles/agate-methodology-proves-itsworth,
    05/01/2003.
    [12] George Marsh. Flying high,with theself-build movement. Reinforced Plastics. 2002,
    46 (1):26-30.(責編 曉立) 
     

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