我国商用飞机进展及对复合材料的要求

玄武

大型民用飞机项目被列为国家中长期科技发展规划纲要的十六个重大专项之一，是我国政治、经济、科技发展的必然战略选择。

民机产业是典型的知识密集、技术密集和资本密集的高技术、高附加值、高风险的战略性产业，它不仅在整个航空工业中的比重越来越大，而且日益成为衡量一个国家科技水平、工业水平和综合国力的重要标志之一。不论是从经济发展的角度，还是基于国家安全的考虑，民机产业是大国的必争之地。

我国民用飞机发展历程

中国民用飞机由测绘仿制改进苏联安-24研制国产运7系列飞机，测绘参考美国波音707研制国产运10大型客机，发展到组装生产美国MD-82/-90飞机，再发展到自主设计具有自主知识产权的支线民用客机ARJ21和大型客机的阶段。

ARJ21-700飞机是我国首架拥有完全自主知识产权的新型涡扇支线民用客机。它的研制成功是我国航空发展史上一个重要里程碑。该机次要结构采用了复合材料，以降低结构重量。随后研制的ARJ21-900飞机，以ARJ21-700为基础，优化了结构细节设计，加大了复合材料比率，更加降低了结构重量，提高了飞机的使用经济性。2008年12月1日，中国商用飞机有限公司上海飞机设计研究所召开了ARJ21-900启动会。

研制和发展大型飞机，是《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》确定的重大科技专项，是建设创新型国家、提高自主创新能力和增强国家核心竞争力的重大战略举措，是国家工业、科技水平和综合实力的集中体现。

2008年3月31日中国商用飞机公司成立，5月11日正式挂牌，公司注册资本190亿元。董事会成员为国务院国资委、上海市国资委、中航集团、宝钢、中铝和中化。

大型飞机立项后，国家可能会注入300亿元～400亿元投资金额，相关配套投资更大。

大型飞机的结构设计方案设想分阶段实现复合材料结构达到飞机结构重量的50%左右的世界先进水平，第一阶段在飞机机翼和尾翼设计选用碳纤维复合材料结构，第二阶段在机身主结构设计选用碳纤维复合材料结构。目前中国商飞邀请了300多位全国各地的专家正在进行方案论证工作。

民机复合材料的应用发展

波音公司最新型的B787梦想飞机上所用的材料，铝合金仅占20%，而先进复合材料的用量则高达50%；空中客车公司客机A350上先进复合材料的用量将达到53%。

在国内飞机复合材料结构设计现状的基础上，国内首架拥有自主知识产权的支线客机ARJ21飞机采用了部分复合材料结构，其复合材料结构占结构重量的2%。ARJ21-700飞机复合材料结构的应用部位主要有碳纤维／环氧树脂预浸料(包括碳纤维单向带和织物)的垂尾方向舵、翼稍小翼；玻璃纤维布／环氧预浸料的翼身整流罩、雷达罩、客货舱地板等结构。

民机复合材料的应用要求

用于民机上的复合材料原材料(预浸料或RTM等技术的材料)，除满足飞机结构设计要求外，必须符合适航规章CCAR25(FAR25/JAR25)部分相关条款的适航性要求，材料必须能够确保不影响飞机安全。

适航性要求

适航标准是运输类飞机强制执行的最低安全标准，是民机区别于军机的根本要求，也是市场的准入证，是航空强国设立的技术、经济和政治壁垒。CCAR25、FAR25以及JAR25均有针对材料的适航条款，对于复合材料要求符合25.603、25.613、25.605等适航条款。

复合材料适用性和耐久性的要求应符合CCAR25第603条款，即建立在经验或试验的基础上；符合经批准的标准(如工业或军用标准，或技术标准规定)，保证这些材料具有设计资料中采用的强度和其他性能；考虑服役中预期的环境条件，如温度和湿度的影响。

材料技术条件(材料规范)

材料技术条件(材料规范)严格规定了材料的物化性能、层板力学性能、夹层结构板的力学性能，材料包装和储存要求以及材料质量要求。材料技术条件(材料规范)必须报适航审定批准。

材料规范对预浸料的各项性能提出了明确的要求，明确规定了试验件的制作，包括层压板的铺层数、主要的辅助材料、固化参数、操作程序、试验件加工的角度、加工所采用的刀具等。材料规范还对试验作出了详尽的规定，指定了性能测试的试验方法、所用的试验设备，规定了最少的试验数量以及试验程序。

ARJ21飞机对碳纤维／环氧预浸料和玻璃纤维／环氧预浸料分别建立了材料规范ZMS2224和ZMS2212，并建立了配套的ZPS01624系列固化成型工艺。

复合材料的适航鉴定

将先进复合材料大规模用于各种民用飞机的重要技术问题之一，就是如何对复合材料结构进行适航审定。美国采用FAR25等条例进行民机适航审定，欧洲的相关条例为JAR25。我国也先后颁布了《中国民用航空条例》第25部(CCAR-25)内容与FAR25类似。

美国FAA的AC20-107A是目前有关复合材料适航审定的一份较系统、较完整的文件，是多数民机复合材料构件进行适航审定验收的依据。

目前国际上普遍采用“积木式方法”(TheBuildingBlockApproach)来进行复合材料的设计和适航审定。

复合材料的性能评估体系

参考美国FAA的AC20-107A和MIL-HDBK-17，采用“积木式方法”(TheBuildingBlockApproach)来进行复合材料的设计和评估。

从各种渠道了解波音公司、空客公司对复合材料的性能评估细节和具体方法。

试验方法问题

目前国际上普遍采用ASTM标准和BSS(波音公司的试验标准)、EN(欧洲试验方法)，与国内采用的GB、GJB等标准有较大差异，试验设备也各不相同。



摘自http://www.frp.com.cn/frp/viewNe ... &newsid=760