空客A350和波音787是世界上許多主要航空公司的最愛。運營商們很欣賞這兩款寬體飛機在長途飛行方面的經(jīng)濟性和客戶體驗之間的奇妙平衡。而大量碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用在背后做出了卓越的貢獻。在本文中，讓我們來了解一下制造商為何使用了這種材料。
復(fù)合材料通常是由兩種或兩種以上具有不同物理和化學(xué)性質(zhì)的材料制成的。當(dāng)它們結(jié)合在一起時，比單獨的材料特性更強。除了空客A350和波音787兩款寬體客機，在A320等流行的單通道飛機也使用了一系列由碳纖維復(fù)合材料制成的部件，如尾翼和尾翼；而像A380這樣的寬體客機，碳纖維復(fù)合材料已經(jīng)占超大型客機機身結(jié)構(gòu)的20%以上。
碳纖維復(fù)合材料一直是航空領(lǐng)域的支柱，但近年來它們的使用量大幅增加。這種現(xiàn)象并不奇怪，因為它有很多好處。談新聞復(fù)合材料不像鋁這樣的標(biāo)準(zhǔn)材料那么重。此外，并不會因為外部因素而磨損。這就是為什么A350和787的50%以上材料都是由復(fù)合材料制成的一個關(guān)鍵原因。
波音787飛機重量約50%、體積約80%使用了碳纖維復(fù)合材料，此外這款飛機也使用了20%的鋁、15%的鈦、10%的鋼和5%的其他材料。波音公司可以從這種結(jié)構(gòu)中受益，因為在重量方面可以節(jié)省大量費用。由于碳纖維復(fù)合材料構(gòu)成了結(jié)構(gòu)的大部分，使得總重量減少了20%。
此外，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)可以適應(yīng)任何形狀。隨后，波音公司用多個管狀部件組成了787的機身。這種方法被用來形成許多需要組裝在一起的較小鋁板。
波音787比以往任何一款波音商用飛機都更多地使用了復(fù)合材料。與之相比，波音777中復(fù)合材料占比僅為10%。
波音公司指出：為特定應(yīng)用選擇最佳材料意味著要分析機身的每個區(qū)域，以確定最佳材料，考慮到部件在機身壽命內(nèi)所經(jīng)歷的操作環(huán)境和載荷。例如，鋁對拉伸載荷很敏感，但對壓縮載荷處理得很好。另一方面，復(fù)合材料在處理壓縮載荷方面效率不高，但在處理張力方面表現(xiàn)出色。復(fù)合材料的廣泛使用，特別是在機身的張力加載區(qū)域，大大減少了與鋁制結(jié)構(gòu)碰撞時的疲勞維護。
基于上述因素的分析也導(dǎo)致鈦的使用增加。當(dāng)負載表明金屬是首選材料系統(tǒng)，但環(huán)境考慮表明鋁是一個糟糕的選擇時，鈦是一個很好的低維護設(shè)計解決方案。使用鈦有幾個優(yōu)點：它能比鋁更好地承受類似的載荷，疲勞問題要少得多，而且具有很強的耐腐蝕性。
這也是空中客車公司也認識到的一個因素。這家歐洲飛機制造商強調(diào)，鈦合金具有獨特的高強度重量比。這種耐熱金屬可以支持更廣泛的飛機工業(yè)制造諸如風(fēng)扇和低級發(fā)動機壓縮機的磁盤，葉片和其他物體。
復(fù)合材料可以通過一系列簡單的步驟進行修復(fù)。首先是檢查飛機的損壞情況；然后，在準(zhǔn)備區(qū)域和材料之前，將損壞的材料移除，并在進行最終檢查之前對飛機進行修理。
其他優(yōu)異特性
總的來說，在飛機生產(chǎn)周期中有幾種不同的材料。空中客車公司和波音公司都清楚，為了長期安全和成本優(yōu)勢，需要謹慎地平衡制造過程。
空中客車對復(fù)合材料很有信心。該公司尤其熱衷于碳纖維增強塑料(CFRP)。通過使用這種材料，成千上萬的微小碳纖維與塑料樹脂固定在一起，以提供相當(dāng)大的剛性。
空中客車公司表示，有了復(fù)合材料，飛機的機身可以既堅固又輕便。與此同時，正如波音公司指出的那樣，由于磨損減少，該框架結(jié)構(gòu)在服役時也需要更少的維護。例如，A350需要的結(jié)構(gòu)維護任務(wù)減少了50%。此外，噴氣式飛機的機身檢查計劃是每12年進行一次，而A380則是每八年一次。
效率效益是不可或缺的，尤其是在當(dāng)今時代，每一分錢和每一次排放都很重要。空中客車公司指出，輕質(zhì)材料是確保燃油效率的關(guān)鍵，反過來也有助于可持續(xù)發(fā)展。
不僅僅是上述制造商熱衷于利用復(fù)合材料的好處。例如，試圖與波音737等飛機競爭的俄羅斯的MC-21客機也使用了復(fù)合材料。值得注意的是，已經(jīng)完成的測試表明，飛機的復(fù)合材料翼盒可以在不利的飛行條件下可以保持結(jié)構(gòu)完整。
展望未來
毫無疑問，未來的航空制造工藝中將繼續(xù)在下一個篇章中部署復(fù)合材料。值得注意的是，波音公司為其未來的寬體777X建造了一個價值10億美元、12.1萬平方米的復(fù)合材料機翼中心。
空中客車公司也一直在準(zhǔn)備部署新的復(fù)合材料技術(shù)及其下一代零氫推進概念。因此，復(fù)合材料將繼續(xù)是商業(yè)航空的一個重要特征。畢竟，更堅固的機身可以讓運營商擁有更高效的機隊。
此外，重量的減輕有助于航空公司運輸更多的乘客，同時燃燒更少的燃料、飛行更遠的距離。在這樣一個成本敏感的環(huán)境中，航空公司有望將從復(fù)合材料中獲得長期利益。
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