影響民航運(yùn)輸燃油消耗的主 要因素 1. 飛機(jī)自身的燃油效率 燃油效率是影響民用飛機(jī)經(jīng)濟(jì) 性的關(guān)鍵因素， 提高飛機(jī)的燃油效率 能夠大大減少油耗， 緩解民航業(yè)對(duì)航 油需求日益增加的壓力。隨著高度成 熟的先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用， 現(xiàn)在的亞聲速 運(yùn)輸機(jī)的燃油效率與 50 年前相比提 高了 60%， 這主要是通過(guò)降低發(fā)動(dòng)機(jī) 減小飛機(jī)使用空重來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
作為先進(jìn)客機(jī)的代表， A380 和波 先進(jìn) 音 787 均以其卓越的氣動(dòng)性能、 實(shí) 的結(jié)構(gòu)材料、高性能的推進(jìn)系統(tǒng)， 低成本的承諾。例如， 為 現(xiàn)了低油耗、 A380 研 制 的 新 一 代 渦 扇 發(fā) 動(dòng) 機(jī) GP7200 和 湍 達(dá) 900， 增 壓 比 提 高 到 40， 涵道比提高到 9， 這大大改善了發(fā) 動(dòng)機(jī)的熱效率和推進(jìn)效率， 降低了單 位燃油消耗率； 而復(fù)合材料的應(yīng)用使 A380 比使用傳統(tǒng)材料尺寸相似的飛 機(jī) 輕 了 15 噸 。正 是 由 于 這 些 改 進(jìn) ， A380 的每座油耗和每座運(yùn)行成本與 波音 747- 400 相比， 分別降低了 17% 價(jià)格的持續(xù)飆升以及環(huán)境污染 問(wèn)題的日趨嚴(yán)重， 如何在安全運(yùn)行的 前提下，盡可能地減少燃油消耗， 提 高航空公司的效益成為民航業(yè)關(guān)注 隨著我國(guó)民航運(yùn)輸量 的焦點(diǎn)。目前， 的不斷增加， 燃油消耗呈現(xiàn)出持續(xù)增 長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。表 1 統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)顯示， 2006 年 民 航 運(yùn)輸 企 業(yè) 實(shí) 際 耗 油 量 已 經(jīng)超過(guò) 1000 萬(wàn)噸，與 1997 年相比增 長(zhǎng)了 2 倍。
而從每換算噸公里耗油量 和每 飛 行 小 時(shí) 耗 油 量 呈 逐 年 下 降 的 趨勢(shì)可以看出中國(guó)民航在降低燃油 消耗方面所做出的不懈努力。本文將 對(duì)影 響 民 航 運(yùn) 輸 燃 油 消 耗 的 主 要 因 的耗油率、提高展弦比及氣動(dòng)效率、 和 20%。在注重效率、 節(jié)能、 環(huán)保的時(shí) 料利用率高，許多機(jī)身框架選用擠壓 成 件。為了保持強(qiáng)度水平高于需求值， 形過(guò)程是一個(gè)難點(diǎn)。 為此 Alcan 采取專 用的新的狀態(tài) 2024- T432，其強(qiáng)度比 2024 高出 10%，同時(shí)還有非常令人滿 意的彎曲性能。目前蒙特利爾－尤格 勒擠壓廠生產(chǎn)這種擠壓件。 鋁鋰合金 鋁鋰合金產(chǎn)品的供應(yīng)為 A380 提 供了機(jī)遇。初期的研究涉及先進(jìn)的第 三代鋁鋰合金擠壓件在主駕駛艙地板 Alcan 對(duì) 2196 合金在 上的應(yīng)用。為此， T8 狀態(tài)進(jìn)行了驗(yàn)證及生產(chǎn)。AA2196 是含鋰量高的 Weldalite 系的合金， 密 度為 2.63g/cm 。 3 未來(lái)的合金開(kāi)發(fā) 由綜合產(chǎn)品團(tuán)隊(duì)開(kāi)創(chuàng)的研發(fā)工作 導(dǎo)致更先進(jìn)合金的設(shè)計(jì)，其中包括三 代鋁鋰低密度合金以及創(chuàng)新的設(shè)計(jì)方 案。必要時(shí)， 這些成果有可能用在未來(lái) 一 的 A380 及其他機(jī)體上?？梢钥隙?， 些新的理念， 例如， 性能的局部剪截或 損傷包容性，加上新的低密度合金以 及創(chuàng)新的連接技術(shù)為飛機(jī)的金屬結(jié)構(gòu) 提供了光明的未來(lái)。 □ A380- 800 及 800F 從 Alcan 開(kāi) 發(fā) 的機(jī)翼及機(jī)身合金取得成果，參見(jiàn)附 表。一些老合金如 2024、 7010、 7050 或 7075 在飛機(jī)上只有少量應(yīng)用。
A380的壽命要達(dá)到40-50年，因此必須選用先進(jìn)且新型材料和工藝技術(shù)，為未來(lái)飛機(jī)搭建技術(shù)平臺(tái)。這些技術(shù)不僅經(jīng)過(guò)了大量全尺寸試驗(yàn)驗(yàn)證而且經(jīng)過(guò)了航空公司維修專家的評(píng)審（符合檢查和維修標(biāo)準(zhǔn)）。
A380結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則（見(jiàn)圖1）。重復(fù)的拉伸載荷加上載荷的變化將會(huì)在金屬結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生微小的疲勞裂紋。裂紋增長(zhǎng)速度以及殘余強(qiáng)度（當(dāng)裂紋產(chǎn)生時(shí)）將指導(dǎo)選擇何種材料。為了防止結(jié)構(gòu)由外物損傷，需要考慮材料的損傷容限性能。
壓力載荷需要考慮采用屈服強(qiáng)度和剛度好的材料，以增加穩(wěn)定性?？垢g能力是選擇材料和工藝的另一個(gè)重要準(zhǔn)則，尤其是在機(jī)身下部。選擇材料和工藝目標(biāo)的一部分是使結(jié)構(gòu)輕量化。因此，復(fù)合材料是很好的選擇，但必須了解設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和維修需要。材料的選擇不僅僅是考慮設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，同時(shí)還要考慮生產(chǎn)成本和采購(gòu)問(wèn)題。
1. 新型且先進(jìn)的金屬材料
從A380選材的分布來(lái)看（見(jiàn)圖2），鋁合金占的比重最大，達(dá)機(jī)體結(jié)構(gòu)重量的61%，因此要實(shí)現(xiàn)性能改進(jìn)，必須開(kāi)發(fā)創(chuàng)新的鋁合金材料和工藝技術(shù)，具體是提高強(qiáng)度和損傷容限，加強(qiáng)穩(wěn)定性并提高抗腐蝕能力。尤其是在A380機(jī)翼部位（機(jī)翼的80%以上是鋁合金材料）要提高性能。
A380-800飛機(jī)在鋁合金結(jié)構(gòu)上取得的主要成就包括：
·在機(jī)身壁板上引用了很寬的鈑金材料，減少了連接件從而減輕了重量；
·在主地板橫梁上采用了先進(jìn)的鋁鋰合金擠壓件，在這一部位的應(yīng)用可與碳纖維增強(qiáng)塑料相媲美；
·在機(jī)翼大梁和翼肋上選擇了新型7085合金，這種合金在很薄的板材和很大鍛件上性能優(yōu)于通常的高強(qiáng)度合金；鈦合金由于具有高強(qiáng)度、低密度，高損傷容限和抗腐蝕能力使其代替鋼而廣泛應(yīng)用，但是它的高價(jià)格使其應(yīng)用受到限制。在A380的結(jié)構(gòu)中，鈦合金用量較空中客車其它機(jī)型有所增加，達(dá)到10%。僅僅掛架和起落架的鈦合金用量就增加了2%。
·A380掛架的主要結(jié)構(gòu)是空中客車公司第一次采用全鈦設(shè)計(jì)。在A380飛機(jī)上采用最廣泛的鈦合金是Ti-6Al-4V，在B退火狀態(tài)下最大的斷裂韌性和最小的裂紋增長(zhǎng)速度。
·在A380上第一次采用了新型鈦合金VST55531，這種新的鈦合金是空中客車公司與俄羅斯制造商共同開(kāi)發(fā)的，能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)者提供良好的斷裂韌性和高強(qiáng)度綜合性能。這種合金目前用于A380飛機(jī)的機(jī)翼和掛架之間的連接件，進(jìn)一步的應(yīng)用還在研究當(dāng)中。
2. A380復(fù)合材料的應(yīng)用
A380復(fù)合材料的主要應(yīng)用見(jiàn)下圖3。
A380是空中客車第一次大范圍在大型民用運(yùn)輸機(jī)上應(yīng)用復(fù)合材料的飛機(jī)。在空中客車公司，A310是第一次在襟翼盒上應(yīng)用復(fù)合材料的飛機(jī)；A320是投產(chǎn)的第一架全復(fù)合材料尾翼飛機(jī)；A340飛機(jī)的機(jī)翼的13%重量是復(fù)合材料；而A340/500-600則采用了碳纖維增強(qiáng)塑料龍骨梁。而A380飛機(jī)是空中客車第一次將碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）應(yīng)用于中央翼盒的飛機(jī)，這種結(jié)構(gòu)與鋁合金相比減重1.5噸。A380上的中央翼盒重8.8噸，其中5.3噸是復(fù)合材料。面臨的主要問(wèn)題是翼根的連接和零件的厚度，復(fù)合材料零件的厚度能夠達(dá)到45mm。但是有生產(chǎn)A340/500-600則采用了碳纖維增強(qiáng)塑料龍骨梁（16m長(zhǎng)，23mm厚，每根梁承載450噸）的經(jīng)驗(yàn)。另外在A340-600飛機(jī)上還有襟翼翼盒、方向舵以及水平安定面和升降舵的整體復(fù)合材料設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。
A380飛機(jī)的CFRP水平尾翼與A310飛機(jī)的懸壁式機(jī)翼相近，而在中央翼盒上采用了合理的自動(dòng)鋪帶技術(shù)。此外，上地板梁和后壓力隔框也采用了CFRP材料。這些零件的第一個(gè)采用了擠壓成形工藝，第二個(gè)試用了樹脂模浸漬工藝和自動(dòng)纖維鋪放技術(shù)，最后由于形狀的原因，最后選擇了樹脂模浸漬工藝。在后機(jī)身非承壓部位由于是雙曲度壁板，所以采用了自動(dòng)化纖維鋪放技術(shù)生產(chǎn)蒙皮壁板，高載荷承力框則采用高強(qiáng)鋁合金加工，而承載較小的框則采用RTM制造工藝。A380機(jī)翼固定前緣為熱塑性復(fù)合材料，能夠減重并節(jié)約成本。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在A340-600飛機(jī)上驗(yàn)證，改善了損傷容限和可檢測(cè)性，進(jìn)一步的應(yīng)用還在研究中，例如應(yīng)用于機(jī)身的次承力支架系統(tǒng)。
機(jī)翼后緣移動(dòng)面采用了CFRP，并在難以用一般技術(shù)獲得的成形零件上采用了RTM技術(shù)，如移動(dòng)面的鉸鏈和翼肋零件。內(nèi)側(cè)襟翼與增升裝置容易受到外來(lái)物的損傷，但考慮到減重問(wèn)題，金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在這方面并不優(yōu)于復(fù)合材料設(shè)計(jì)。因此，在A380飛機(jī)的襟翼跟蹤梁的設(shè)計(jì)中采用了金屬與復(fù)合材料的混合結(jié)構(gòu)，在橫向壁板和次承力翼肋處用CFRP代替了鋁合金。另外，空中客車公司還首次將CFRP翼肋用于翼盒中代替鋁合金。最終在襟翼的中外翼部分、襟翼的整流罩以及擾流板和副翼上也采用了CFRP材料。
在夾層結(jié)構(gòu)方面，主要的創(chuàng)新是采用輕型蜂窩代替了原來(lái)使用的芳綸紙蜂窩。在A380上的典型應(yīng)用包括腹部整流罩（超過(guò)300平方米）及地面這類大尺寸結(jié)構(gòu)件。用整體設(shè)計(jì)概念代替夾層結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)，有可能在A380的機(jī)身和機(jī)翼起落架艙門上得到應(yīng)用。
但是復(fù)合材料技術(shù)的應(yīng)用必須在合理的成本下提供高的性能。因此，在A380飛機(jī)上采用了自動(dòng)絲束鋪放、自動(dòng)鋪帶、樹脂膜浸漬以及樹脂轉(zhuǎn)移成型這些低成本生產(chǎn)技術(shù)，不僅能夠生產(chǎn)大型復(fù)合材料零件，而且降低了裝配成本。
3. GLARE 技術(shù)（見(jiàn)圖4）
GLARE蒙皮用于A380飛機(jī)的上機(jī)身蒙皮。采用GLARE工藝技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)局部增強(qiáng)，并且厚度變化可以通過(guò)一次固化實(shí)現(xiàn)。這種制造方法相對(duì)于鋁合金壁板來(lái)說(shuō)可以增加機(jī)身寬度，從而減少了縱向壁板連接點(diǎn)。在機(jī)身上應(yīng)用GLARE材料主要是由于其斷裂機(jī)械性能好，能夠顯著提高抗裂紋增長(zhǎng)能力。另一方面，玻璃纖維與鋁合金相比彈性模量低，同樣厚度下與普通鋁合金Al2024相比剛性小15%。這是為什么在穩(wěn)定性和抗彎能力要求高的結(jié)構(gòu)零件中不選用GLARE材料的原因。GLARE材料相比鋁合金的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是抗腐蝕及防火能力強(qiáng)，為此空中客車公司開(kāi)展了許多局部及全尺寸樣件的試驗(yàn)，以驗(yàn)證這種新材料的性能。自從1999年10月以為，德國(guó)空軍就在A310多用途飛機(jī)的機(jī)身上采用了GLARE材料，該設(shè)計(jì)通過(guò)了驗(yàn)證并且發(fā)布了相關(guān)的結(jié)構(gòu)修理手冊(cè)。在A380-800飛機(jī)蒙皮上應(yīng)用了大約500平米的GLARE材料。GLARE材料的進(jìn)一步應(yīng)用還在研究中，有望替代尾翼前緣，從而改善鳥撞性能。
4. 激光焊（見(jiàn)圖5）
激光焊是空中客車公司在A318飛機(jī)上開(kāi)發(fā)的用于機(jī)身下壁板制造工藝。該工藝在A380飛機(jī)上代替鉚接首先應(yīng)用于下機(jī)身壁板的桁條，從而使結(jié)構(gòu)概念從組裝結(jié)構(gòu)過(guò)渡到整體結(jié)構(gòu)，減少了裂紋增長(zhǎng)。激光焊技術(shù)的發(fā)展還促進(jìn)了可焊合金Al6056和Al6013的發(fā)展。用激光焊接的壁板已經(jīng)過(guò)了壓力試驗(yàn)并進(jìn)行了單雙曲度壁板的驗(yàn)證。結(jié)果證明該工藝不僅節(jié)約成本，而且提高抗腐蝕能力并可減重。激光焊在A380上的進(jìn)一步應(yīng)用可能是蒙皮與卡箍的連接部位以及起落架艙處的壓力隔框。
5. 結(jié)論
A380飛機(jī)的大部件結(jié)構(gòu)零件采用了新一代CFRP復(fù)合材料和先進(jìn)的金屬材料，除了減重效果外，還能提供更具優(yōu)勢(shì)的使用可靠性，且維護(hù)和維修更簡(jiǎn)便。主要?jiǎng)?chuàng)新包括：
·上機(jī)翼蒙皮采用了GLARE材料；
·在下機(jī)身蒙皮應(yīng)用了6000系列鋁合金和激光焊接技術(shù)；
·中央翼盒為碳纖維增強(qiáng)塑料；
·開(kāi)發(fā)了一種先進(jìn)的鋁合金用于翼盒；
·采用了鋁鋰合金；
·采用了一種新型鈦合金并且提高了鈦相當(dāng)于鋼的比例。
A380 飛機(jī)用鋁合金的開(kāi)發(fā) Aluminum Alloy Development for the Airbus A380 ◎啟文 A380 飛機(jī)的尺寸大、 承受相 應(yīng) 的載 荷 以 及 結(jié) 構(gòu) 重 應(yīng)力的加工路線以及驗(yàn)證工作，從合 金對(duì)切削加工的極好地響應(yīng)來(lái)看， 效 果是成功的。 ● 7040- T7651 合金。 通過(guò)與切削加工轉(zhuǎn) 包商的合作，用 7040- T7651 制 造 兩 根世界最大的飛機(jī)翼梁： 內(nèi)側(cè)前梁及 內(nèi)側(cè)中央梁。 ● 量目標(biāo)的確定，對(duì)合金性能提出了很 高的要求，在兩個(gè)主要的設(shè)計(jì)性能方 面必須要有改善。這兩個(gè)設(shè)計(jì)性能就 是靜態(tài)性能以及損傷容限。為了實(shí)現(xiàn) Alcan- 空客的綜合化項(xiàng)目 上述目標(biāo)， 團(tuán)隊(duì)合作對(duì)現(xiàn)有合金進(jìn)行了改進(jìn)及鑒 定， 同時(shí)開(kāi)發(fā)了新的專用合金。 現(xiàn)有合金的改進(jìn) A380 結(jié)構(gòu)件的大尺寸要求用現(xiàn)有 合金能生產(chǎn)出規(guī)格更大或截面更大的 型材。AA7010/7050- T7651 就是這樣 一種合金， 其主要用途如下。 ● 7449 合金：在改進(jìn)的現(xiàn)行先進(jìn) 合金中， 有這種合金的擠壓件。機(jī)翼桁 條的大截面通過(guò) Issoire 廠的專項(xiàng)工藝 雖然在 A340 上主 進(jìn)行了驗(yàn)證。此外， 要用蠕變成形， 而在 A380 上的卻采用 了冷機(jī)械成形。 合金在 W511 狀態(tài)下有 成形 的 能 力 并 達(dá) 到 所 要 求 的 性 能 水 準(zhǔn)，已為此用小批量工件成功進(jìn)行了 驗(yàn)證。 ● 翼肋：翼肋主要要求靜強(qiáng)度及 模量。但為減重要求強(qiáng)度更高。原來(lái) 為 A340- 500/600 機(jī) 翼 壁 板 開(kāi) 發(fā) 并 進(jìn) 行 工業(yè)生產(chǎn)的高強(qiáng)度 7449 合金在過(guò) 時(shí)效狀態(tài)下試驗(yàn)了 100mm 的規(guī)格。 結(jié) 果將 7449- T7651 選作 A380 的低厚度 （< 100mm 翼肋材料以及少數(shù)復(fù)合材 ） 料翼肋的緣條。 下翼面桁條：要求有較高的強(qiáng) 7349 合 金 ： 對(duì) 于 已 成 功 用 在 ● A340- 500/600 的機(jī)身加強(qiáng)筋， 座椅滑 軌以及其他部位的小截面的 7349 合 該合金經(jīng)驗(yàn)證用于 A380 上的類似零 部件。 機(jī)翼合金的研發(fā) 須提高所有機(jī)翼結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)值， 因 此不得不開(kāi)發(fā)新合金來(lái)制造機(jī)翼的主 桁條、 梁和肋。 要部件， 如壁板、 ● 度。由研發(fā)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了合金的開(kāi)發(fā)， 導(dǎo) 致含鋯 2×××合金的出臺(tái) （鋁協(xié)會(huì)注冊(cè) 得到提升， 2027- T351 被選作 A380 的 下翼面桁條材料。 ● 翼肋： 7010/50- T7651 是大多數(shù) 金，其零部件也需要進(jìn)行驗(yàn)證工作。 為 AA2027 。其斷裂韌性及疲勞強(qiáng)度 ） 現(xiàn)代空客飛機(jī)中用作翼梁及肋的傳統(tǒng) 合金。A380 的整體切削的內(nèi)側(cè)翼肋的 尺寸很大， 一般寬×長(zhǎng)大約為 2.3×3.8 （m ， ） 其中某些承高載的翼肋厚度達(dá)到 200mm，因此要求對(duì)現(xiàn)有合金加以改 進(jìn)達(dá)到最大規(guī)格要求。 ● 上翼面壁 板 ： A380- 800F 為 新 合金 AA7056 提供了驗(yàn)證與生產(chǎn)的機(jī) 機(jī)型號(hào)稍有不同。機(jī)翼壁板合金要求 斷裂韌性有很大的改進(jìn)， 從而減輕對(duì) 7056靜強(qiáng)度水平的要求。經(jīng)驗(yàn)證， 7951 斷 襲 韌 性 比 7449 有 40% 的 改 板的基本材料。 ● 考慮到要滿足更高的性能標(biāo)準(zhǔn)， 遇， 這是因?yàn)樨洐C(jī)對(duì)設(shè)計(jì)的要求與客 上外側(cè)機(jī)翼： 傳統(tǒng)的桁條蒙皮鉚 接方案代之以用厚板切削出桁條與蒙 皮的方案。這就要求將相應(yīng)的板材厚 度加大到 90mm，長(zhǎng)寬尺寸達(dá)到 8×3 (m)。為此， Ravenswood 廠鑄出新的 在 大錠子，并進(jìn)行相應(yīng)的加工路線的驗(yàn) 證，該廠是唯一能對(duì)如此大的厚板進(jìn) 行拉伸處理的工廠。它采用了低殘余 翼梁 ： 要 求 比 7010/50- T7651 有更高的靜強(qiáng)度及斷裂韌性的合金， 進(jìn)， 從而被選作 A380- 800F 上機(jī)翼壁 該合 金 還 應(yīng) 有 好 的 冷 膨 脹 能 力 及 切 削 加 工 性 。 開(kāi) 發(fā) 工 作 在 Ravenswood 廠 內(nèi) 進(jìn) 行 ， 果 得 到高 強(qiáng) 度 、 斷 裂 結(jié) 高 韌性、低殘余應(yīng)力、可冷膨脹的 下翼面壁板： 下翼面壁板需要有 高 的 斷 裂 韌 性 ， 因 此 Alcan 開(kāi) 發(fā) 了 2024- T351 厚板，用作各種結(jié)構(gòu)件， 并 航空維修與工程 2008/ 6 29 工程與技術(shù) ENGINEERING & TECHNOLOGY 在最近擴(kuò)大到 A330 的下翼面壁板。 對(duì) 它具 含鋯的 2027 合金也進(jìn)行了開(kāi)發(fā)， 有比 2024A- T351 改進(jìn)的靜強(qiáng)度及韌 性，該合金用在 A380- 800F 的下翼面 外側(cè)壁板以及 A340- 600 中央翼盒下 部結(jié)構(gòu)。 ● 度的 6056- T78 合金薄板來(lái)代替密度 2.78g/cm 的 2024 合金，而 6056- T78 3 高塑性型的合金， 結(jié)果得到 6156 合金。 由于 6156 合金要有高強(qiáng)度， 需采用 T6 狀態(tài)，因此必須進(jìn)行包鋁以避免晶間 腐蝕。 鑒于 6156 合金化學(xué)成分的 特 殊 性，開(kāi)發(fā)了一種適于包鋁的材料以調(diào) 節(jié)包鋁層與基體的腐蝕電位。最后得 到空客驗(yàn)證的包鋁的基體合金。 6156 的 斷 裂 韌 性 高 出 6156- T78 達(dá) 10%。目前正在 Issoire 薄板廠生產(chǎn) 6156 合金機(jī)身壁板，以便用于 A340500/600 及 A380 的壁板。 ● 已 用 在 A318 單 通 道 飛 機(jī) 的 一 些 壁 板上。 T78 狀態(tài)起初是為用于不經(jīng)包鋁 的薄板而開(kāi)發(fā)的，后來(lái)又研究了小型 T78 擠壓件以驗(yàn)證薄板與桁條是否可 以采用相同的 T78 時(shí)效工藝，從而使 時(shí)效處理。 ● 下機(jī)翼結(jié)構(gòu)： 第三代鋁鋰合金經(jīng) 批準(zhǔn)用于 A380- 800 及 A380- 800F。 適 它在 Alcan Dubuc 鑄造廠鑄造并在最 近經(jīng)過(guò)驗(yàn)證和進(jìn)入生產(chǎn)。2050- T84 有 好的強(qiáng)度， 高的韌性和低的密度。 機(jī)身合金 Alcan 公 司 必 須 為 A380 機(jī) 身 結(jié) 構(gòu)開(kāi)發(fā)一系列與以前非常不一樣的 合金。機(jī)身是許多承受不同類型載荷 的零件與型材的組合?？湛瓦x擇了激 ）將 加 強(qiáng) 筋 焊 在 壁 板 的 光束 焊 （LBW 蒙皮上。 ● 于作下機(jī)翼結(jié)構(gòu)的合金為 2050- T84， 板材與桁條組合件在焊后可成功進(jìn)行 6156 合金：是為機(jī)身下蒙皮開(kāi) 發(fā)的。由于 6056 合金的損傷容限性能 遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)計(jì)規(guī)范要求，需開(kāi)發(fā)一種 2024- T432 合金： 由于減重及材 Alcan 的先進(jìn)合金在 A380- 800 及 A380- 800F 上的應(yīng)用情況 半成品形式 厚板 合金狀態(tài) 7056- T7951 7449- T7951 2024A- T351 2050- T84 2027- T351 7010- T7651 上外翼壁板 大規(guī)格翼肋 7040- T7451 駕駛艙 機(jī)身主框架、 窗框、 配件 梁、 7449- T7651 7040- T7651 大截面 7449- T79511 2027- T3511 2196- T8511 小截面 7349- T6511 下翼面大規(guī)格翼肋 翼梁 （內(nèi)側(cè)前及中央 ） 上翼面桁條 下翼面桁條 地板梁 中央翼 座椅滑軌、 盒加強(qiáng)筋 7349- T76511 2024- HS- T432 6056- T78 6056- T6 2196- T8511 薄板 6056- T78 6156C1- T6 機(jī)身加強(qiáng)筋 機(jī)身框架 機(jī)身加強(qiáng)筋 機(jī)身加強(qiáng)筋 機(jī)身加強(qiáng)筋 地板結(jié)構(gòu)、 駕駛艙地板梁的壓力隔框 機(jī)身壁板 與 6056- T78 薄板連用 與 6156Cl- T6 薄板連用 上翼面 下機(jī)翼加強(qiáng)件 下機(jī)翼加強(qiáng)件 下翼面外側(cè)壁板 A380 上的應(yīng)用 A380F 上的應(yīng)用 上翼面壁板 7040- T7451 厚板合金：該合金 被選作幾種用途，如整體切削的主框 駕駛艙窗框、 梁及配件。它有經(jīng)明 架、 顯 改 進(jìn) 的 靜 強(qiáng) 度 及 韌 性 ，因 此 優(yōu) 于 7010/7050- T74 合金。性能的改進(jìn)是由 于低的溶質(zhì)含量(銅、 該含量經(jīng)優(yōu) 鎂)， 化正好低于溶解度極限，從而使其具 有高強(qiáng)度和好的斷裂韌性。此外， 該合 金是用一種殘余應(yīng)力低的技術(shù)制造， 從而使切削加工時(shí)的變形最小。它也 是 代 替 鍛 件 的 低 成 本 方 案 。 7040T7451 是 在 Issoire 及 Ravenswood 兩 家工廠研制及驗(yàn)證的，材料厚度達(dá)到 220mm。
如果你絞盡腦汁想減輕你所設(shè)計(jì)的物體的重量，而又不以犧牲強(qiáng)度為代價(jià)，你可以從創(chuàng)造世界上最大的商務(wù)飛機(jī)——空中客車A380的工程師們身上或多或少得到一些啟發(fā)。
A380長(zhǎng)約73米，高約24.1 米，機(jī)身直徑約7.14米，它給世界大型噴氣式客機(jī)賦予了新的含義。A380上下的兩層加起來(lái)總共長(zhǎng)能容納800多位乘客，可是航班的實(shí)際結(jié)構(gòu)是可乘坐550個(gè)乘客并且容納很多行李。2005年4月A380進(jìn)行了首次測(cè)試飛行，并計(jì)劃于2006年年底投入商務(wù)運(yùn)營(yíng)，第一架A380將駛往新加坡。
的是復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步意味著A380的設(shè)計(jì)者在選擇材料時(shí)不再會(huì)捉襟見(jiàn)肘。那么設(shè)計(jì)者是如何根據(jù)飛機(jī)每一部分的具體要求來(lái)選擇最佳的材料與之匹配呢？簡(jiǎn)而言之，就是競(jìng)爭(zhēng)！公司的高級(jí)復(fù)合材料運(yùn)用和資格認(rèn)證專家Roland Thevenin說(shuō)：“我們把最好的材料工藝技術(shù)放在一起，對(duì)比優(yōu)劣，進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)篩選。”
與復(fù)合材料之間的競(jìng)爭(zhēng)篩選一樣，殘酷的競(jìng)爭(zhēng)評(píng)估使金屬與復(fù)合材料之間的爭(zhēng)奪異常激烈。一旦飛機(jī)投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)，不但要考慮飛機(jī)的重量和關(guān)鍵的機(jī)械性能，而且還要綜合考慮費(fèi)用、可生產(chǎn)性和可維護(hù)性。從A380的機(jī)身就可以看出這些材料競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果，正如A380的設(shè)計(jì)分析主管Serge Rabois所描述的，A380機(jī)身結(jié)構(gòu)是由各種不同材料的最優(yōu)化組合所構(gòu)成的。
復(fù)合材料的改進(jìn)
上面提到的大多數(shù)混合物都是由增強(qiáng)型塑料復(fù)合材料構(gòu)成的。Thevenin說(shuō)，在A380的主要結(jié)構(gòu)中，22％是由各種不同的增強(qiáng)型塑料復(fù)合材料制成的，而且大部分是Hexcel公司和Cytec公司提供的碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂?？罩锌蛙嚬具€在飛機(jī)的垂直尾翼上應(yīng)用了少許增強(qiáng)型玻璃纖維環(huán)氧樹脂，同時(shí)在飛機(jī)的鼻錐體上應(yīng)用了增強(qiáng)型石英環(huán)氧樹脂。由于結(jié)構(gòu)應(yīng)用在很大程度上依賴于熱固樹脂合成材料，作為機(jī)翼的前沿的一部分，A380有一個(gè)J 型鼻錐，這是由增強(qiáng)型玻璃纖維PPS制成的。Thevenin指出，之所以用熱塑性塑料代替早期飛機(jī)上的鉚釘鋁結(jié)構(gòu)，是因?yàn)樗梢允笿型鼻錐體的外殼與加強(qiáng)板牢固地焊接在一起。
對(duì)空中客車的工程師們來(lái)說(shuō)，復(fù)合材料不再是真正的火箭科學(xué)。從1985年制造的A310飛機(jī)開(kāi)始，空中客車公司對(duì)在飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)上采用復(fù)合材料已經(jīng)有20多年的經(jīng)驗(yàn)。從那個(gè)時(shí)候開(kāi)始，公司逐漸將一些采用復(fù)合材料的附加結(jié)構(gòu)融入到每一架新飛機(jī)上。Thevenin 說(shuō)：“為減小風(fēng)險(xiǎn)，我們一直在一步一步的努力當(dāng)中。”
例如，已被證明的超大型尺寸復(fù)合材料設(shè)計(jì)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)后果，那就是空中客車的工程師們不得不壓縮設(shè)計(jì)負(fù)載裕度。然而，對(duì)于過(guò)去那些尺寸較少且較低負(fù)載的復(fù)合結(jié)構(gòu)，工程師們比較奢侈地設(shè)計(jì)了較大的負(fù)載裕度。A380的部件尺寸讓這種奢侈無(wú)影無(wú)蹤。Thevenin說(shuō)道：“我們現(xiàn)在沒(méi)有任何不必要的負(fù)載裕度。”
A380創(chuàng)造了一些新的紀(jì)錄，包括一些全新復(fù)合材料的應(yīng)用，例如橫梁、上部機(jī)架、機(jī)翼翼肋、襟翼導(dǎo)軌都采用了新的復(fù)合材料。該客機(jī)上還有許多令人驚訝的CFRP結(jié)構(gòu)，尾翼和最大直徑超過(guò)6米的后機(jī)身就是由CFRP制造的。因此，體積為2.4×7×7.8立方米，重為22噸的中心翼盒擔(dān)當(dāng)著飛機(jī)結(jié)構(gòu)中心的角色。機(jī)翼翼盒主要是由碳纖維復(fù)合材料再加上一些鋁制翼肋制成，在那些超過(guò)100個(gè)座位的商務(wù)飛機(jī)中，它是第一次被使用在A380上。
在所有這些復(fù)合材料的應(yīng)用中，復(fù)合材料的性能特征不會(huì)讓任何一位工程師感到驚訝。Thevenin說(shuō)：“當(dāng)我們談到‘性能’這個(gè)詞時(shí)，主要是指重量和強(qiáng)度。”他估計(jì)對(duì)于一個(gè)給定的強(qiáng)度，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的重量要比相同的金屬結(jié)構(gòu)輕15%到25%，僅中心翼盒就要比相同的鋁制機(jī)翼翼盒輕3噸。
對(duì)于A380高負(fù)載部分使用的復(fù)合材料，這些沖擊敏感材料易被地面設(shè)備損壞，因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免在可能被破壞的部位應(yīng)用它們。Thevenin說(shuō)：“復(fù)合材料帶來(lái)了機(jī)遇，但是它本身也有局限。”
GLARE是一種由鋁和玻璃纖維層壓形成的另一種完全不同的復(fù)合材料，A380中另外3％的材料就是由它構(gòu)成的。這種叫做GLARE的金屬纖維層壓板由鋁交互層和玻璃環(huán)氧樹脂浸料組成?？罩锌蛙囋贏380上大約使用了5000平方英尺這種材料，主要用于機(jī)身上部外殼和尾翼的主邊緣。GLARE的重量和一種標(biāo)準(zhǔn)鋁片（2024 T3）相比，減輕了15％到30％，具體減輕量由GLARE層的類型和厚度決定。
例如，空中客車用到兩種GLARE：標(biāo)準(zhǔn)版本和高靜力強(qiáng)度版本，且每種版本的GLARE還具備改變纖維方向的功能。Rabois說(shuō)道：“我們改變纖維方向已適應(yīng)具體的載荷情況。”因此，空中客車使用不同的纖維方向來(lái)適應(yīng)環(huán)繞壓力、軸載荷、雙軸載荷和剪應(yīng)力載荷。“GLARE看上去同金屬一樣，卻能像復(fù)合材料一樣工作。”Rabois說(shuō)，利用纖維方向可以使機(jī)械性能達(dá)到最優(yōu)。
從特性上來(lái)說(shuō)，GLARE還有其他優(yōu)點(diǎn)。據(jù)Rabois介紹，纖維層具有防止裂縫的擴(kuò)張和抗腐蝕性。另外纖維層增強(qiáng)了抗高溫性能，此時(shí)纖維起著保溫層的作用。最后Rabois指出通過(guò)開(kāi)辟第二個(gè)載荷途徑，能夠提升纖維沖擊性能。
此材料在設(shè)計(jì)靈活性方面也得到好評(píng)。“使用鋁焊接技術(shù)，鉚釘孔的放置和大小會(huì)受到疲軟性能的限制，”Rabois指出，“GLARE對(duì)焊縫的放置沒(méi)有任何限制。”另外，這種材料允許在材料接合層插入大的面板?？罩锌蛙嚨脑O(shè)計(jì)中插入了兩個(gè)小面板并將其永久地接合起來(lái)。據(jù)Rabois所稱，這種方法免去了大量的鉚釘孔，也避免了與之相關(guān)的壓力問(wèn)題。他說(shuō)：“面板的大小只受限于高壓和運(yùn)輸設(shè)備的大小。”
所有這些設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)都不能以可修復(fù)性為代價(jià)。Rabois指出GLARE的修理幾乎和鋁一樣，只是有一些較小的步驟不同——例如沒(méi)有修整凹痕和使用碳化工具。
然而使用任何的材料，總是需要權(quán)衡利弊。對(duì)GLARE而言，它在硬度上是有欠缺的。這種材料與鋁片相比，彎曲系數(shù)低5到6個(gè)百分點(diǎn)。在個(gè)體結(jié)構(gòu)中硬度影響還不大，但是它會(huì)把載荷轉(zhuǎn)移到機(jī)身的其他部分。Rabois解釋說(shuō)：“當(dāng)你降低了一個(gè)結(jié)構(gòu)的承載系數(shù)，你實(shí)際上就給其他結(jié)構(gòu)帶來(lái)了負(fù)荷。”他繼續(xù)說(shuō)道，在A380上，機(jī)身上部結(jié)構(gòu)系數(shù)較低，會(huì)把所有載荷中的一部分轉(zhuǎn)移到了機(jī)身下部。
接下來(lái)是成本問(wèn)題。Rabois承認(rèn)GLARE與標(biāo)準(zhǔn)的鋁相比，價(jià)格上“略為昂貴”。但他也指出，從每千克重量所節(jié)約的成本來(lái)看，GLARE和高級(jí)鋁合金的花費(fèi)基本上是一樣的。它還涉及到一些維護(hù)的成本，例如可以省去檢查裂縫的環(huán)節(jié)，所以到頭來(lái)這還是一筆不錯(cuò)的買賣。
增強(qiáng)型塑料、金屬層壓板元件和金屬合金之間的競(jìng)爭(zhēng)看起來(lái)很好解決。空中客車的工程師只需要使每種材料的機(jī)械和物理特性與機(jī)身不同部分所承受的載荷情況相匹配就可以了。雖然考慮A380的尺寸和復(fù)雜性當(dāng)然會(huì)比較困難，但是空中客車在材料選擇過(guò)程這方面還是夠簡(jiǎn)單明了的。
然而，不同材料間的競(jìng)爭(zhēng)往往同結(jié)構(gòu)緊密聯(lián)系，且這些結(jié)構(gòu)最初可以用不只一種材料建造。Rabois指出：“我們知道沒(méi)有任何一種完美的材料對(duì)所有的結(jié)構(gòu)適用。”拿機(jī)身舉個(gè)例子，當(dāng)考慮機(jī)械特性角度時(shí)，上部機(jī)殼和后機(jī)身可以由金屬、GLARE或CFRP三種材料構(gòu)成。同樣的，三種材料也需要稍后進(jìn)行修理。
真正的決勝關(guān)鍵經(jīng)常要?dú)w結(jié)到制造上。例如，先進(jìn)的焊接技術(shù)的使用，對(duì)在一些結(jié)構(gòu)上選擇未知的金屬材料和設(shè)計(jì)是有利的。空中客車只考慮在A380上使用復(fù)合結(jié)構(gòu)，因?yàn)檫@樣會(huì)使他們出于領(lǐng)先地位。Thevenin說(shuō)道：“制造業(yè)推進(jìn)了我們的設(shè)計(jì)，反之亦然。”
他又補(bǔ)充道，特殊的復(fù)合材料會(huì)給人們提出一些特殊的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗麄兊奶匦允怯芍圃爝^(guò)程決定的。他說(shuō)：“對(duì)于復(fù)合材料而言，制造零件的同時(shí)也是在制造材料。”
空中客車讓分包商制造一些合成零件，而把真正有挑戰(zhàn)性的工作留給自己。位于法國(guó)南特市的復(fù)合材料中心的制造主管Christian Valade說(shuō)：“我們集中精力制造最困難的零件。”其中“困難的”這個(gè)詞在復(fù)合材料領(lǐng)域中是指大的、厚的以及那些幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件。南特市的公司處理所有這些零件，包括A380巨大的中心翼盒以及用于A340-600的巨大的（17米）、高載荷（500余噸）的龍骨橫梁。
近日在參觀中心的過(guò)程中，Valade指出一系列用于生產(chǎn)空中客車復(fù)合材料的專利制造技術(shù)。其中之一是自動(dòng)停機(jī)機(jī)器，它采用了可以提高產(chǎn)量的專利雙頭設(shè)計(jì)，以及一個(gè)制造無(wú)縫結(jié)合環(huán)形機(jī)艙聲學(xué)壁板的專利系統(tǒng)，可以解決過(guò)去聲音性能降低的問(wèn)題。公司還對(duì)“聯(lián)合修理”系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行擴(kuò)展，使其能在一個(gè)單獨(dú)的熱壓循環(huán)空間內(nèi)修理桁條和壁板。
但是不要異想未來(lái)所有的飛機(jī)會(huì)自動(dòng)繼續(xù)提高復(fù)合材料的使用量。Rabois指出：“鋁合金和鈦也在不斷的發(fā)展，變得更加耐用，成本更加合理。另外，每一架新飛機(jī)的設(shè)計(jì)，都會(huì)帶來(lái)新一輪的材料競(jìng)爭(zhēng)。”
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