复合材料结构在通用飞机上的应用

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1、复合材料结构在通用飞机上的应用[2009-04-28]作者：admin来源：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3

2、50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

3、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

4、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

5、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）。SR22G3（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

6、（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

7、/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