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波音与空客的复合材料争霸战回顾 |
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newmaker 来源：增强塑料 |
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材料的发展将在一架新型号客机A350中继续，这是空客最近推出的对其成功的A330家族的一个改进更新。以防止B787抢占A330的市场。A350某些部位将在A330的基础上派生设计，因此可能在结构中相对较多地应用轻质金属材料。机身大部分——可能包括双曲率的机身尾部（复合材料的本质目标）——打算采用铝锂合金，尽管用在A380上部机身的玻璃纤维增强铝合金（Glare）—— 一种纤维-金属混杂层合板——可能也将在此得到应用。
无论如何，增强塑料将大放光彩，这对保持其在200～300座大型客机市场中的竞争力至关重要，特别是在意欲保证性能改进的新机翼中。负责机翼设计和制造的空客英国分公司介绍，上、下的复合材料蒙皮板将由前、中、后复合材料翼梁支撑，同时，机翼的起重装置和控制翼面也将采用塑料。假如外部和中央机翼箱梁也都采用碳纤维增强塑料（CFRP），实质上仅有机翼的加强肋和内侧的襟翼仍然是金属的。据报道，计划用复合材料的A350结构还有后部压力舱壁、地板横梁和龙骨。 
每架空客A380客机170吨的机体结构中有约30吨的复合材料
像波音一样，欧洲的飞机制造商会继续使大量飞机结构分包商忙碌不堪。马来西亚复合材料技术研究中心（CTRM）最近声明由于与空客有关的不断增加的工作量，他们至少在几年时间内将拒绝投标B787工程。政府独资的CTRM已不得不提高生产率以满足A320s和新型号A380机翼板材的需求，A320s是与B737在低成本运输工具市场上竞争的空客单通道机型。CTRM还被委托生产A400M军用运输机的部件。因为空客工作量的增加，CTRM将在今年5月投产另一家工厂，从而其在马六甲的生产面积会增加几乎50％。然而，波音在马来西亚有着另一个生产渠道——亚洲复合材料制造公司，这是一个包括波音、Hexcel 复合材料和中国建造商AVIC在内的组织。
B787的外观给人以艺术享受，它比目前在较小的、地方机场和经由大型枢纽机场飞行的机型节省1/5的燃料。波音提高此性能的关键是在机身重量的50％上采用复合材料，其余大部分采用改进的铝合金材料
空客的首席商务官John Leahy说，此245～285座的A350在年中应获得行业的许可，并预期该机型将在2010年投入使用。西班牙的许可证审批机构Air Europa已决定申请成为第一个客户，它拥有去年年底签订的“10+2”选择权的授权。
最大的缠绕制品
波音公司认为，美国公司建立大型塑料构件梦幻生产线的决定太过冒险。飞机制造商缺少空客所拥有的在利用复合材料制造垂直尾翼、飞机尾部、机翼和其它主要飞机结构方面的开拓性经验，其飞机主要部件仍然是采用占主导地位的金属，直至最近的B777才开始削弱这种主导地位。无论如何，已可定论，复合材料重量的减轻是空客不断增长的成功市场的强大驱动力，波音决定全力以赴地采用此材料，不仅生产“一般的”塑料部件，而且还有机翼和机身。尽管转变的较晚，但波音对增强塑料带给最终产品的优势是清楚的。
工程技术副总裁Walt Gillette简明地评价说：“复合材料比铝轻15％到20％、不易疲劳和腐蚀且在寿命期间将需要更少的维护。”
像这样增加此材料的投资可能比其首次应用时风险要小。旁观意味着一个人可以从另一个人的创新过程中吸取经验并在恰当的时机从中获益。波音不但毫无疑问地观察到空客精心地逐渐采用了新材料，也看到了为其Hawker Horizon高级中型商务喷气飞机开发缠绕机身的Raytheon所作的具有前瞻性的工作。
为了生产第一架全塑料的飞机机身，波音采用了类似于Raytheon所应用的纤维铺设方法。一个重要的里程碑就是最近生产的一个7米长、约6米宽的机身部件，它在西雅图波音发展中心被作为一个独立的元件进行测试。这一构件是通过在一个巨大的芯轴上旋转同时自动排列碳纤维而生产出来的。它不仅是世界上最大的缠绕机身部件，而且被认为是用碳纤维制造出的最大的压力容器。实际上，复合材料的拉伸/环向强度是它承受高客舱差压的关键因素，从而使B787的旅客感受更接近地面标准的气压条件，而不是现有班机中的普遍的6000多英尺的明显高度。
几年前波音决定如果打算生产一个碳纤维复合材料机身，则应通过构造整体的、独立的机身部件开发材料的全部优点。因为B787的机身横断面为卵形的而非圆形的，侧面被稍稍碾平，应用铝合金将难以实现。制造部门本可以遵循金属组装的惯例和用多种复合材料板材建造机身来实现它，但这会牺牲复合材料纵梁和地板横梁这一整体结构的强度优势。既然选择了更根本的方法，公司正抓紧时间建立基础技术和制定制造计划。
既然这些在西雅图已明显获得成功，波音将在机身组装合作中加以借鉴。最引人注目的是，Global Aeronautica公司——美国Vought Aircraft Industries和欧洲Alenia Aeronautica的一家合资企业——将把B747运输机的成品机身部件运到南卡州Charleston国际机场附近的集成场所。Alenia在意大利Taranto附近的一家新工厂将制造机身的每一个中心部件和一个尾部部件，而Vought要提供余下的两个尾部部件。2007年以前Kawasaki重工也将为前部机身提供部件。所有部件将在Charleston被装配成完整的机身。
Vought同时也负责B787水平尾翼的制造，并转包了一些生产任务给Alenia。Alenia将在Foggia工厂制造水平尾翼，工厂现在正在为ATR涡轮螺旋桨发动机式地方飞机生产复合材料部件。Vought和Alenia负责大约1/4的飞机机体结构。波音负责大约33％，而其它的35％将在日本制造，在日本的合伙人除Kawasaki外，还有三菱重工和富士重工。三菱重工主要负责机翼生产，也从Kawasaki进料。这些机翼将主要采用碳纤维/环氧树脂和钛/碳纤维的层压制品。由于采用后者——玻璃增强铝合金（Glare）的钛基等价物——制造其机翼结构的构件，波音将再次开辟新的领域。富士将制造中间机翼箱型梁。Goodrich的发动机和推力反向器也将大量采用复合材料。
217～289座（取决于机型）喷气飞机的总装将在波音位于华盛顿Evesett的工厂进行。大型和"预装配"组装也将在那里进行，此工厂在2007年春季前将制造出第一架完整的飞机，并预备在2007年年中初航，一年以后交付运营。波音已承诺大量出售飞机，包括All Nippon Airways的50架客机和中国的60架客机， 1月份中国与波音达成协议为航空公司获得这一机型（据报导，中国还需要空客的机型包括宽机身的20架A330-200s和5架A380）。
虽然B787和A350是明显的竞争对手，但即使B787和A380机型尺寸不同，在某种意义上它们也会竞争（初次改型将分别乘载225和555名旅客）。波音和空客都为客运航空工业的未来机型预订了不同型号的飞机。两方均赞同乘客数会大增。然而，空客相信这种增加将促进更大型飞机的采用，以便在主容量受限的枢纽机场之间运载更多乘客。波音认为空座率将冲击飞经枢纽航线并使用适度规模的地方机场的经济型喷气飞机市场。空客说采用较大的飞机能降低按每个旅客计算的成本、油耗和碳排出物，空客援引日益增长的“全球居住环境的大城市化”现象来证实它的预测。波音反对旅客希望起始和终止其旅程的地点通常是远离枢纽机场的地方的说法，认为地方性服务设施和经由的枢纽中心一起将会更受欢迎，因为它避免了需借助其他工具到达或离开枢纽中心的额外路程。哪个方案是正确的只能等时间来回答，幸运的是，无论哪一个答案（或两者的结合）对复合材料都是有利的。
军用空客
近来，空客开始为它的机头增加一条军用机生产线，投资发展A400M军用机。关于此军用运输机的长久以来的构想——几乎在25年前被首次提出且长期被看作欧洲的未来大型飞机（FLA）——的一大优势就是它的开发者和建造者空客军用飞机公司能够开发最新的复合材料技术以达到为新型空运飞机制定的具有挑战性的性能目标。此外，其机翼是最大受益者，A400M机身主要是金属材料。
复合材料的应用简化着具有气动最佳叶型的机翼制造过程。A400M大大改进的机翼的弧高，从底部到末梢是逐渐变化的。每个机翼的两根主要复合材料翼梁与纵梁一起支承上、下复合材料蒙皮。中间的机翼箱型梁也是碳纤维复合材料的。只有翼肋、固定前缘、引擎操作台和机身固定夹具点的加强肋是金属的。该机翼具有42.2m的翼展和5.6m的翼弦（前缘到后缘的尺寸），它一定是该类型中最大的主要复合材料结构。
碳纤维复合材料的机翼翼梁正在英国GKN Aerospace公司在Wight岛的Cowes工厂设计和制造。GKN还提供机翼后缘的成套组件，包括吊伞索箱、加强肋和板材。一些产品将从英国的Hampson Industries和马来西亚的CTRM运到GKN。承载水平尾翼的大型垂直尾翼是以一个用3根内部翼梁增强的刚性复合材料扭力箱型梁为基础的。垂直尾翼有一可拆式复合材料/金属混合材料的前缘和单片碳纤维复合材料方向舵。水平尾翼有两个外侧复合材料箱型结构，被固定到一个铝制的中心部件上，而升降舵的主要结构是碳纤维复合材料。
A400M在空客的各种机型中是很独特的，它将是以涡轮螺旋桨发动机而非涡轮喷气发动机发动的。4个Ratier-Figeac可变桨距螺旋桨上的8个半月形桨叶中的每一片都是气动改进的平面形状，这只能用增强塑料来实现。每片桨叶由一个碳纤维复合材料翼梁和壳体制成。初次制作已在进行，第一批螺旋桨可于今年秋天交付试验。
航空金属正在抵制复合材料的应用紧张形势
我们认为波音和空客之间的竞争加剧了竞争的形势，其实复合材料和金属之间的竞争同样激烈。航空金属在抵制塑料的过程中一直得到显著的加强和提高——新型和改进的航空级铝和钛用于合金以击退塑料的竞争。
对于将来的型号，空客可能以因地制宜为原则。一个可能性就是象Glare等金属/复合材料混合材料和钛基等价物的贡献将越来越大。波音同样是积极的。例如它最近与俄罗斯签订了关于提供钛和联合开发新合金和工艺的合同，俄罗斯可能将为波音飞机供应全部的钛合金成品部件。
宣布免责
在新飞机开发的兴奋中人们容易忽略一个事实，即复合材料（和空客）已处在被审判的地位。
在以空客、美国航空公司和飞行员组织间的激烈争论为标志的事故调查的最后，美国国家运输安全局（NTSB）最终将此写入2001年11月美国航空公司AA587飞行的失事调查报告中。有些人可能记得一种对A300复合材料的垂直尾翼所持的怀疑观点。此尾翼在飞机飞过由另一架飞机形成的弱湍流里时断开了，接着飞行员失去了控制，飞机坠毁掉进纽约州外的大海，机上260人全部遇难。
在从海底回收飞机残骸后，调查发现垂直尾翼在其固定的凸耳处断开，这促使调查员思考是否因不合格的复合材料设计、制作或修补，导致了层压附件的不牢固。最终他们得出结论，此复合材料尾翼及其附件都没有不合格。事实上，他们认为此附件是在两倍于他们设计认证的气动载荷情况下破坏的。相反，NTSB指责空客对飞行员控制信号输入的过度敏感及飞行培训的方法——尤其是那些处理干扰恢复的方法。
看来当AA587遭遇双重尾流攻击时，飞行员在控制时用有力的方向舵踏板信号努力校正湍流感应的滚动，因为他的特种训练（目的只是应对这种事件）鼓励过他这样做。空客的踏板对这样的信号给予小的阻力，电动控制的方向舵对此反应迅速。有一种观点认为，A300的方向舵正在作大循环运动并最终兼有其它的控制动作，这导致飞机侧滑，由此引起的侧向力损坏了垂直尾翼和方向舵。
这份NTSB报告分别根据培训方法和控制环路设计为航空系统和飞机机体制造者提出了要做的工作。幸运的是，报告也让航空航天复合材料界相信能继续向前发展而不会在主要航空结构中的复合材料整体化上蒙上一层阴影。这也许证实了一种在这样的安全决定性结构中采用复合材料的测试方法。这种结构在设计者吸取以往经验的基础上不断向前发展。(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(8/19/2010) |
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