杨超凡：复合材料机身——现在和未来（一）
来源：杨超凡  2021-11-30 10:30:58
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原文：http://shenzhen.chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-12-11622.html       编者按：本文由杨超凡老师提供。杨超凡老师是原航空工业部第一批研究员级高级工程师，享受国务院特殊津贴。1965年西北工业大学飞机系制造专业毕业。先后在西安飞机制造公司、陕西飞机制造公司、上海飞机制造厂、中航商用飞机设计有限公司从事飞机制造工作，并在广东昌盛飞机设计有限公司承担飞机制造工艺和复合材料选材工作。曾任陕飞副总工程师。

       近一年来，波音公司（美国伊利诺伊州芝加哥）一直在努力解决787飞机上与复合材料相关的问题，该问题导致飞机生产放缓、装配飞机的大量检查和返工、飞机交付延迟，引发了波音机身供应商的类似检查，并暴露出复合材料材料和工艺在大型航空结构中使用的缺点之一。从广义上讲，这个问题也引发了关于复合材料在下一代飞机中使用的问题。

       波音公司发现的确切问题尚未完全公开披露，但我们可以从已知情况中得出一些结论。首先，问题完全在于机身连接，其中一个复合材料机身筒段连接到另一个筒段。其次，其中一些连接中存在两个问题，即用于填充连接间隙的垫片尺寸不当，以及沿连接边缘的机身内蒙皮缺乏平整度，导致边缘不一致。据报道，每个问题本身都不足以影响787的适航性，但综合起来，它们构成了一个足够大的担忧，即美国联邦航空管理局（FAA）要求波音公司在评估和纠正措施方面更加积极，正如该公司在7月份报告的那样。

       为了更全面地了解这些因素，了解波音公司如何制造787机身是很重要的。机身由蒙皮、机身框和长桁组成，分段制造，每个机身段由不同的供应商制造。包括驾驶舱在内的前机身部分由Spirit 航空系统公司（美国堪萨斯州威奇托）生产。后面的部分由川崎重工业（日本东京）生产。两个中心机身部分——包括飞机上最大的部分——由莱昂纳多（意大利罗马）生产。机身最后面的两部分由波音公司自己生产。所有机身段基于单件整体筒设计，通过自动纤维放置（AFP）在可折叠芯轴上沉积碳纤维预浸料。成品机身段由各供应商交付给位于美国南卡罗来纳州北查尔斯顿的波音公司，787在那里组装。

       我们可以从波音 787 的经验中吸取哪些教训，以应用于下一代飞机？

       由于机身段来自不同的供应商，因此在一个段连接到另一个段的配合面上存在尺寸缺陷。此类缺陷用切割成特定尺寸和形状的垫片填充，以便连接。垫片的使用在航空复合材料制造中很常见，它们在787上的应用也不少见。不寻常的是，垫片尺寸不适合应用，这似乎发生在一定数量的787上，并归因于已修复的自动垫片测量和生产系统故障。

       由于缺乏波音公司提供的细节，机身蒙皮内表面缺乏平整度的原因更难确定。我们知道这一问题只在某些机身段报道过，包括波音公司生产的部分和Spirit航空系统公司生产的机身段。很容易假设原因一定是在制造过程中——可能是长期的工具缺陷或过程控制问题。讨论较少，但同样可能的是，原因在于机身蒙皮本身的设计。层压板缺乏平整度意味着纤维翘曲或其他变形，这可能归因于为蒙皮制定的铺层计划。

       无论如何，令人费解的是，鉴于787已经投入生产这么长时间，像这样的尺寸公差问题现在正在抬头。垫片生产系统出现故障，尽管令人遗憾，但这是一种可以而且确实发生的制造错误，而且很容易修复。然而，如果层压板缺乏平整度是由设计缺陷引起的，那么这种情况对787来说可能并不新鲜；可能是垫片问题导致了蒙皮平整度问题的发现。同样，这两个问题本身都不会造成问题，但综合起来，它们显然发出了一些危险信号。

       假设波音公司解决了这些挑战，我们可以从这些经验中吸取什么教训，应用于下一代飞机？填隙长期以来一直是复合材料制造的必要条件，但现在是航空复合材料制造发展到不再需要这些工具的时候了。考虑到我们对复合材料设计和材料性能的所有了解，开发一种能够保持尺寸公差的结构层压板现在应该是微不足道的了。当然，787不是最近设计的。它是近20年前开发的，因此，如果我们愿意应用，一项新的飞机计划提供了使用20年前不存在的设计和材料以及制造技术的机会。

       注1. 此文根据 2021.6.8《Composites in aircraft fuselage — now and in the future》翻译。

       注2. 补充波音 787 机身分段图、机身段连接详图：




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