通用飛機與復(fù)合材料

隨著先進復(fù)合材料及其加工技術(shù)的快速發(fā)展，在通用飛機制造領(lǐng)域，新型飛機開始越來越多地使用先進復(fù)合材料，統(tǒng)計表明，2007年通用飛機上復(fù)合材料用量，在總材料用量中占到了57%的比例。

一般認為，通用航空是指干線和支線定期航班客貨運輸以及出租飛機公司經(jīng)營的空運業(yè)務(wù)以外的所有民用航空活動。目前，各國對通用航空的定義說法不一，實際上還沒有一個統(tǒng)一的嚴格的有關(guān)通用航空的定義[1]。通用航空是民用航空的重要組成部分，通用航空的發(fā)展水平是一個國家科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平、經(jīng)濟發(fā)展水平和人民生活水平高低的重要標志，在社會和經(jīng)濟發(fā)展中有著重要地位。
通用飛機可以通俗地理解為用于通用航空飛行的飛機，由于通用飛機的用途廣泛，飛機的結(jié)構(gòu)特點各有不同，大致可劃分為運動飛機、公務(wù)機、農(nóng)林飛機、多用途飛機，國外主要通用飛機制造商有龐巴迪宇航集團、灣流宇航公司、塞斯納飛機公司、豪客比奇飛機公司、歐洲直升機股份有限公司等。

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隨著先進復(fù)合材料及其加工技術(shù)的快速發(fā)展，在通用飛機制造領(lǐng)域，新型飛機開始越來越多地使用先進復(fù)合材料，統(tǒng)計表明，2007年通用飛機上復(fù)合材料用量，在總材料用量中占到了57%的比例[2]。本文將介紹幾種類型的通用飛機，并對一些通用飛機的復(fù)合材料使用情況進行介紹。

典型通用飛機及其復(fù)合材料的使用

1 小型飛機
小型飛機一般2~6座，大部分都只裝一臺活塞發(fā)動機，主要用于飛行員培訓(xùn)、航空運動、空中游覽、教育培訓(xùn)、文化體育、航空廣告燈等。“小鷹”500飛機是具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的輕型多用途飛機，是一種按單駕駛體制、雙操縱進行設(shè)計的前后兩排并列式4~5座飛機， 這款飛機的發(fā)動機罩、尾錐和座艙部分側(cè)蒙皮采用了玻璃纖維復(fù)合材料。美國西銳設(shè)計公司（Cirrus Design Co）以生產(chǎn)復(fù)合材料見長，其生產(chǎn)的SR20/SR22采用活塞發(fā)動機的四座復(fù)合材料輕型飛機懸臂式下單翼，翼尖上翻，為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，機翼懸掛復(fù)合材料懸臂式緩沖主支柱，外帶整流罩。G120A是德國Grob宇航公司的雙座特技飛行飛機，機身整體是由碳纖維增強復(fù)合材料制成。

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SR-22輕型飛機

2 多用途飛機
多用途飛機是指可用于客貨運輸及其他社會服務(wù)的6~10座左右的通用飛機。1974年批量生產(chǎn)的P-68，其機體大部分為金屬結(jié)構(gòu)，僅在機翼機身連接處整流包皮采用了玻璃纖維增強復(fù)合材料。隨著材料技術(shù)的發(fā)展，更多的新材料和新技術(shù)被應(yīng)用，1991年首飛的PC-12來自瑞士派士飛機公司，其T形尾翼采用了玻璃纖維增強復(fù)合材料，而尾翼的背鰭和腹鰭則采用凱夫拉纖維增強蜂窩板夾層復(fù)合材料。“探險家”飛機更是采用先進計算機輔助模型設(shè)計和制造技術(shù)，可迅速轉(zhuǎn)入批量生產(chǎn)，其機身為半硬殼式結(jié)構(gòu)，由碳纖維復(fù)合材料制成的外殼和金屬骨架構(gòu)成。德國格羅布宇航公司制造的“SPn Utility Jet”，載客9人，空載重量在3630kg以下，航程在3400km，滿載情況下起飛跑道要求僅為915m，機身由法國播舍公司提供的機制織物（鋪層角為0~90°、±45°）和單向纖維布制成，基體為環(huán)氧樹脂[3]。 copyright 123456

3 公務(wù)機
越來越多的復(fù)合材料被用在了繁忙的公務(wù)機上，各國的飛機制造商則紛紛研制新型的全復(fù)合材料公務(wù)機搶占未來市場。
美國豪客比奇公司的“首相Ⅰ”，由于機身為碳纖維蜂窩復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，除去所有的整體機身框架，蒙皮僅厚20mm，相對于常規(guī)制造客艙容積增加13%。
亞當(dāng)公司的超輕型噴氣機A700和裝備了活塞發(fā)動機的A500，飛機大部分是由碳纖維增強Nomax蜂窩夾心復(fù)合材料制成，部分地方使用了玻璃纖維增強。以A700為例，其載客數(shù)為 6~7人，用AGATE認證的預(yù)浸料進行拼接（預(yù)浸料來自東麗公司），并相應(yīng)開發(fā)了可以對復(fù)合材料進行二次加工的銑床。復(fù)合材料層合板是碳纖維或玻璃纖維織物增強Nomax夾心材料，真空袋成型，從機頭到機尾的艙壁、翼梁底座、窗戶框和門框都是共固化成型的。翼梁則由單向碳纖維增強復(fù)合材料制造而成，而翼梁抗剪腹板則是有多向的碳纖維織物增強復(fù)合材料制成。為了消除閃電擊中的電弧作用，燃料箱是由玻璃纖維增強復(fù)合材料制成，碳纖維翼梁與蒙皮之間也用了一層玻璃纖維隔開, 售價在100萬~250萬美元[4]。 本文來自123

塞斯納750“獎狀”是美國塞斯納飛機公司研制的一種高速遠程公務(wù)機，其最大馬赫數(shù)可達0.92，機翼懸臂式下單翼，整體機加壁板式翼蒙皮，所有的控制面，擾流板、減速板和襟翼均由復(fù)合材料制成。“灣流”G250的一體化方向舵（長2.8m，寬1.1m，厚25.4mm）是一個集翼肋、翼梁、方向舵外殼及防雷擊裝置為一體的共同模塑的整體化結(jié)構(gòu)，采用Carlson設(shè)計公司生產(chǎn)的自動化裁剪設(shè)備及對多層碳纖維及玻璃纖維無屈曲織物（NCF）型增強材料進行裁剪[5]。另一款來自龐巴迪的全復(fù)合材料飛機里爾85計劃在2013年投入使用，里爾85 全復(fù)材機身不僅減輕重量，減少維修成本，而且獲得了更好的氣動性能和降噪效果。

4 農(nóng)林飛機
農(nóng)林飛機多由輕型飛機改裝而來，大多采用冷活塞發(fā)動機，要求能在土跑道起飛，超低空機動飛行，成本低等，因此在農(nóng)林飛機出現(xiàn)伊始，很多二戰(zhàn)后退役的飛機被改裝成農(nóng)林飛機。 copyright 123456
農(nóng)林飛機速度低，高度也低，并且要求控制成本，因此一般不采用復(fù)合材料或者僅采用玻璃纖維增強復(fù)合材料以減輕重量，例如波蘭飛機和發(fā)動機工業(yè)集團華沙工廠研制的PZL-106“渡鴉”采用了玻璃鋼翼尖，機翼前緣縫翼采用了泡沫芯材的玻璃鋼夾層結(jié)構(gòu)。農(nóng)林飛機一般都攜帶有藥箱，藥箱則多為玻璃鋼結(jié)構(gòu)，并在機身骨架涂有聚氨酯以防止腐蝕和防塵。

5 水上飛機
水上飛機是能在水面上起飛、降落和停泊的飛機，其中有些也能在陸上機場起降。水上飛機用途廣泛，在民用方面可用于運輸、森林消防、航空旅游、飛播造林、醫(yī)療救護等，比較有名的有中國的水轟5、日本的US-1、美國的PBY-5、加拿大的CL-415、俄羅斯的Be-103，值得一提的是多尼爾海星馬來西亞公司的“海星”CD2，其復(fù)合材料用量很大，機翼為懸臂式下單翼，高升力機翼外側(cè)前緣下垂，采用玻璃纖維增強復(fù)合材料和泡沫夾心材料，具有碳纖維增強復(fù)合材料制成的前、后梁，尾翼由玻璃鋼制成，常規(guī)尾翼，裝電驅(qū)動可變安裝角平尾。 123456

6 旋翼機
旋翼機是指利用動力驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)旋翼提供升力、推進力和操作力的飛行器，目前通用航空中使用的旋翼機主要是直升機，民用側(cè)轉(zhuǎn)旋翼機BA609正在研制，還未投入市場。
旋翼機的使用已經(jīng)相當(dāng)普遍，主要應(yīng)用領(lǐng)域有：旅客運輸、海上油井服務(wù)、漁業(yè)作業(yè)、緊急救援、環(huán)境監(jiān)測、城市治安管理、醫(yī)療救護等等。現(xiàn)在新型的直升機幾乎都采用了復(fù)合材料旋翼，機身也多在采用復(fù)合材料代替部分金屬材料，比如西科斯基飛機公司的S-92，4片槳葉全復(fù)合材料旋翼，槳尖后掠，其機身主要由鋁和復(fù)合材料制成，復(fù)合材料約占40%。歐洲直升機公司的EC135，4片槳葉安裝在可控復(fù)合材料柔性臂上，機身殼、框、艙門、水平安定面及端板均采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料大部分是芳綸或碳纖維蜂窩結(jié)構(gòu)[6]。德事龍集團貝爾加拿大直升機公司在貝爾230基礎(chǔ)上研制的貝爾430采用全復(fù)合材料4槳無鉸無軸承旋翼系統(tǒng)，旋翼槳葉由不銹鋼大梁、前緣包條和玻璃纖維增強復(fù)合材料蒙皮組成，在大梁和后緣之間填充Nomax蜂窩[7]。在汶川大地震堰塞湖搶險中立下大功的俄米26直升機，其尾槳由5片玻璃鋼制槳葉組成。歐洲直升機工業(yè)公司的EH101使用了PMI聚甲基丙烯酰亞胺硬質(zhì)泡沫填充的直升機旋翼葉片[8]，EH101還是新美國總統(tǒng)專機“海軍一號”的備選機型，該公司的EC135和NH90也是用了此項技術(shù)。另外，NH90的扭力臂和縱向推力桿的中心凸耳RTM工藝成型，使用了來自德國Heek-Nienborg的機織織物預(yù)成型體。纖維使用東麗公司的T300-12K碳纖維[9]。 copyright 123456

通用飛機用復(fù)合材料的市場

預(yù)計在未來20年內(nèi)，世界上大約需要通用飛機56916架( 含民用直升機)。專業(yè)人士認為中國每年至少應(yīng)有250架公務(wù)機和數(shù)百架私人飛機的市場潛力。未來10年國內(nèi)對各類通用飛機的需求量很大，保守預(yù)測應(yīng)在1500架。據(jù)估計[10]，2007年通用飛機用復(fù)合材料的市場為7億美元，而到了2008年，這個數(shù)字增加了16.7%，達到了8.17億美元，根據(jù)遺傳算法計算等到了2014年，通用航空用復(fù)合材料市場將達到峰值而超過11億美元。


整體成型的復(fù)合材料公務(wù)機機艙

各國大力發(fā)展復(fù)合材料通用飛機

歐美的通用飛機發(fā)展已經(jīng)有相當(dāng)長的歷史，特別是美國，2004年，美國通用飛機總數(shù)在約22萬架，美國為了讓復(fù)合材料能夠在通用航空中得到更廣泛的應(yīng)用，由飛機制造商與材料供應(yīng)商、研究大學(xué)和聯(lián)邦航空局（FAA），美國航空宇航局（NASA）在先進通用航空技術(shù)實驗室（AGATE）[11]建立了可使用復(fù)合材料的數(shù)據(jù)庫，并由FAA 核準相關(guān)材料的技術(shù)細節(jié)。一旦選用了數(shù)據(jù)庫中的材料，就可以簡短研發(fā)周期，減少實驗數(shù)量從而節(jié)約研發(fā)經(jīng)費( 據(jù)統(tǒng)計可以大約節(jié)約實驗經(jīng)費50%)[12]。

本文來自123

歐洲諸國以及加拿大、日本均采取了航空公司與復(fù)合材料公司緊密合作的機制，廣泛進行企業(yè)間以及國家間的合作，奎奈蒂克（英國國防科技公司）的海王直升機就使用了由美國賓夕法尼亞州的卡爾森直升機工廠提供的復(fù)合材料直升機旋翼葉片。龐巴迪的里爾85飛機項目更是擁有超過30家的供應(yīng)商。


歐直公司的EC175

印度雖然在復(fù)合材料領(lǐng)域的技術(shù)并不先進，但是由于通用航空用復(fù)合材料的技術(shù)門檻較低，印度也進行了這方面的嘗試，并取得了很好的成績。早在2004年，印度就在班加羅爾的航空宇航技術(shù)實驗室完成設(shè)計和制造一架全復(fù)材兩座的輕型飛機。這架名為HANSA-3的輕型飛機主要用來訓(xùn)練領(lǐng)航員以及航空運動。這架飛機也能用于航空拍攝。海岸巡輪以及環(huán)境監(jiān)測。整個機身除了起落架部分和發(fā)動機部分，是一個整體的復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)，是由玻璃纖維和硬質(zhì)泡沫芯材真空袋固化成型的，翼梁則用碳纖維。 123456
相比之下，中國通用飛機的發(fā)展就顯得比較緩慢，通用飛機用復(fù)合材料的使用也較少。隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，對通用飛機的需求呈現(xiàn)出指數(shù)形式的增加，這對中國通用飛機及其使用的復(fù)合材料的發(fā)展將是一種巨大的推動。日前，新成立的中航通用飛機公司成功收購了美國西銳公司，希望中國的通用航空事業(yè)能夠在新的時期蒸蒸日上，更好地為社會服務(wù)。


參 考 文 獻
[1] 胡問鳴.通用飛機[M].北京：航空工業(yè)出版社.2008：2.
[2] 陳亞莉.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在通用飛機上的應(yīng)用.http://www.cnfrp.net/news/echo.php?id=30097,13/10/2008.
[3] Sara Black.Light Jets Yet AnotherCategory. http:// www.compositesworld.com/articles/light-jets-yet-another-category,01/01/2006.
[4] George Marsh. Taxi!How compositesmay help in calling up new airborne cabs.Reinforced Plastics.2005, 49(11):20-24.
[5] 韓秀峰.G250商務(wù)機的一體化方向舵. http://www.frponline.com.cn/News/detail_24683.html,18/01/2010.
[6] Niesl G，Arnaud, G.Low noise designof the EC 135 helicopter. AHS, Annual Forum,52nd, Washington, DC, UNITED STATES:4-6June 1996.pp.32-44.1996.
[7] Samiran Saha. How safe is Bell 430.http://www.hindustantimes.com/How-safe-is-Bell-430/Article1-449874.aspx,09/03/2009.
[8] Helicopter rotor blades benefit fromRohacell. Reinforced Plastics.1999,43(9):4.
[9] Dale Brosius.Complex CompositesL ighten Nato Copter.High-Perormance
Composites.03/01/2003.
[10] Chris Red.Aviation Out look:Composite aerostructures in General Aviation.
High-Performance Composites.2008,6 (28).
[11] Barry Berenberg. AGATE MethodologyProves Its Worth. http://www.compositesworld.com/articles/agate-methodology-proves-itsworth,
05/01/2003.
[12] George Marsh. Flying high,with theself-build movement. Reinforced Plastics. 2002,
46 (1):26-30.（責(zé)編　曉立）