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中航工业曲线救国:大飞机的未来在复合材料?

来源:PVDF板材供应商-煌业塑胶    作者:PVDF板材加工

经过多年的筹备和设计,国产C919大型客机终于下线了。

11月2日,在中国商飞公司新建成的总装制造中心浦东基地厂房内,随着两扇帷幕缓缓拉开,一架带有“商飞蓝”和“商飞绿”全新涂装的新型商用飞机完整地展现在众人面前,这就是我国自主研制的C919大型客机。

C919大型客机是我国首款按照最新国际适航标准研制的干线民用飞机,于2008年开始研制,基本型混合级布局158座,全经济舱布局168座、高密度布局174座,标准航程4075公里,增大航程5555公里。后续还可在基本型的基础上,研制出加长型、缩短型、增程型、货运型和公务型等系列化产品。

目前,C919大型客机国内外用户数量为21家,总订单数达到了517架。

国产大飞机订单

据了解,C919下线后,还要开展航电、飞控、液压等各系统试验、机载系统集成试验和全机静力试验;首架机作为试飞飞机,首飞前需要完成系统调试、试飞试验设备和仪器安装等工作,计划于2016年首飞。

复合材料成为大飞机新宠

研制和发展大型飞机,是《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》确定的重大科技专项,也是几代人的梦想。2014年5月,国家主席习近平莅临上海飞机设计研究院考察时强调,大型客机研发和生产制造能力是一个国家航空水平的重要标志,也是一个国家整体实力的重要标志。

大飞机的研发制造离不开材料的支撑。以目前我国自主设计的大型客机C919为例,先进材料首次在国产民机大规模应用,第三代铝锂合金材料、先进复合材料在C919机体结构用量分别达到8.8%和12%。

随着飞机、发动机的一代又一代发展,对航空产品结构重量系数、推重比等提出了更高的要求,这也带来了对更先进材料的需求不断攀升。出于对材料高比强度等高性能的要求,复合材料等先进材料获得了航空界的高度关注。

20世纪80年代,复合材料在飞机上的用量还很少,波音777客机的复合材料用量只有10%,钛合金用量才8%;如今,波音787客机复合材料占比已经达到了50%,钛合金达到了15%,在民用飞机领域打破了历史最高纪录,跨度之大超乎想象。再以空中客车公司为例,复合材料占飞机结构的比重从A310-300机型的5%,上升到A380的25%,再到A400M的35%,在A350飞机上这一比重高达52%,第一次实现了复合材料的用量超过了金属材料,被称为“塑料飞机”。

复合材料具有比强度和比刚度高,力学性能可设计等优点,是大型民用飞机理想的结构材料,可以实现飞机结构减重20%~30%。复合材料优异的抗疲劳性能和耐腐蚀性能,不仅可以提高飞机结构的使用寿命,降低飞机的维护费用,而且可以增加舱内压力和空气湿度,提高乘客的舒适度。复合材料工艺技术的发展为实现民用飞机大部件的整体设计与整体制造提供了可能,使得飞机结构零部件的数量大大减少,提高了飞机的生产效率和可靠性。

可以说,先进复合材料用量占飞机结构总重的多少,在某种程度上已经成为评价该飞机技术先进程度和市场竞争力的重要指标。

复合材料有何优势?

“一代材料,一代飞机”,不断创新的材料制造技术对飞机性能的提高起到了至关重要的作用。民用飞机受使用条件和自然环境的制约,对其舒适性、经济性、环保性和可靠性等方面都有着十分严格的要求。复合材料能很好地满足民用飞机的设计要求,对民机制造业产生了深远的影响。

提高了民用飞机的经济性

民用飞机的成本不仅仅是飞机的购买价格,还要考虑油耗、维修成本、寿命等因素。虽然复合材料比铝合金贵得多,但是它所带来的经济效益远远超过了它的负面效应。波音787复合材料整体机身省去了所有纵向蒙皮拼接件,减少了1500块铝合金板和4~5万个连接件,使机体结构更加轻盈坚固,节省了油耗和维修成本。B787的场外维修间隔时间从B767的500小时提高到1000小时,维修费用比B777降低了32%,都带来了可观的经济效益。

提高了民用飞机的舒适性

舷窗是大型民用飞机最易产生疲劳损伤的地方之一,复合材料优异的抗疲劳特性为波音787客舱大尺寸舷窗设计提供了可能。波音787的舷窗达到280mm×480mm,比空客A330/A340窗口面积增大78%,使旅客可以拥有更大的视野。

目前大部分飞机的舱内气压相当于外界2400m处的压力,而波音787客舱的气压约为大气1800m高度处的压力,为旅客提供了更加舒适的旅行享受。波音787舱压的提高仅仅使机身质量增加了70kg。而如果使用铝合金机身要达到这一指标,其结构质量将增加1吨。

复合材料结构比铝合金结构具有更好的耐腐蚀性,使波音787座舱中的湿度高于现有飞机,从而减少旅客因脱水带来的不适。此外,整体成型的复合材料机身要比用铆钉连接的铝合金机身使用更少的紧固件,表面光洁度要好得多,有效地减少了机身表面的湍流噪声,为旅客提供了一个更安静的环境。

大飞机国产材料使用率仅占5~6%

大型客机是目前世界上最为复杂、技术含量最高的产品,被誉为“工业之花”。由于民用或商用的大飞机,对可靠性、安全性、经济性、舒适性等关键指标的要求更高,这也对材料工业提出了更高的要求。

然而,中国商飞上海飞机设计研究院副总工章骏日前在出席“2015新材料国际发展趋势高层论坛”时表示,目前中国的大飞机C919上国产材料使用的比例只有5%~6%。

大飞机供应商

来源:观察者网

民用飞机和发动机对产品本身有长寿命、高可靠性、成本合理三个要求。建国六十年以来,中国国产材料已经能做到前两项,即解决了“有无”问题,但没有解决市场竞争力的问题。在航空铝合金材料成本是美国、德国人的1倍,在复合材料上相对贵4倍、钛合金材料贵40%。

飞机的材料采购及加工成本约占到整个飞机造价的20~30%,因此,材料的经济性是飞机制造商选材的重要原则之一。同时,材料的统计性能水平(飞机设计中的“材料许用值”)也是材料能否装机的决定性因素。

此外,我国在材料创新方面也存在瓶颈,主要存在于工艺创新方面,工艺能力欠缺容易导致材料性能、合格率、批生产稳定性等各方面上不去。我国制造业的自动化、数字化、智能化水平较国外存在一定差距,人工操作的不稳定性,是影响产品合格率的重要因素之一。因此,减少人为因素的影响,避免各种因素造成的产品质量的波动,提升智能化加工水平,是我们赶超国际先进水平的必经之路。

中航工业曲线助力大飞机

虽然在材料创新方面我们落后于人,但我们已经通过海外并购这样的“曲线救国”方式来短时间内缩小与飞机强国的材料制造差距,并购既能吸收国外先进技术,又能达到国外的先进材料为我所用的目的。比如,维也纳证券交易所上市的中航工业下属奥地利先进复合材料有限公司(FACC)就是其中翘楚。

2009年12月3日,中航工业旗下中航工业西飞12月3日与FACC公司股东在奥地利维也纳完成股权交割。本次收购由中航工业西飞公司和香港AIGL投资基金共同投资的香港未来投资有限公司实施,共收购了FACC公司91.25%的股权,其中中航工业西飞占90%的股比,香港AIGL投资基金占10%的股比。

据了解,中航工业并购的海外企业FACC(中国)有限公司,承担国产大飞机C919的内饰系统研制生产任务,研发基地确定在江苏镇江。内饰系统是C919大型客机的重要系统之一,包括天花板、行李舱、舷窗内衬、厨房及卫生间等设施,对飞机的舒适性、先进性和竞争能力有重要影响。

FACC成立于1989年,是从事研发和制造复合材料部件和系统的专业化公司,主要产品包括航空结构件及系统和航空内饰产品及系统两大类。公司是空客A380一级供应商;波音B787二级供应商,为波音、空客、庞巴迪、阿莱尼亚、欧直、沃特、萨博、中国商飞等生产飞机结构件和内饰件。

中航工业的盘算是,将中航工业西飞在飞机结构设计方面的能力,与FACC公司在复合材料领域的经验和研发能力结合起来,形成新的核心能力。

北京航空航天大学经济管理学院教授任若恩表示,通过学习借鉴FACCAG专业化复合材料的研发和制造工艺,对国产大飞机突破复合材料部件在质量和技术等方面的瓶颈作用明显。

除了FACC,中航工业还陆续并购了美国Cirrus(西锐)、美国ContinentalMotors(大陆发动机),美国AlignAerospace(艾联),毫无疑问,这些战略性的布局为大飞机的研发生产提供了强有力的后盾。

责任编辑:Kris

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