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【深度点评】战斗机用碳纤维的曲折之路

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与传统上飞机使用的铝合金相比,复合材料不仅重量轻、强度好、劲度高、还耐热、耐腐蚀,又有很好的抗疲劳性,因此在讲求性能的军用飞机上应该是最受欢迎的材料。

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复合材料是由强度较高的纤维(fiber)与强度低但能使纤维维持于一定位置的基体(matrix)材料所组成。纤维使基体的强度增加,而基体又将纤维固结在一起,使各纤维平均分担负载,并保护纤维免于外界的机械性或化学性磨损,二者相得益彰。

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复合材料在飞机上的运用早在第二次世界大战时就开始了,当时的飞机雷达罩就是用玻璃纤维强化塑料(Fiberglass-Reinforced Plastic)制造的,但这只是普通的复合材料。


复合材料发展到今天,先进复合材料已成为主流,这种材料主要是由碳纤维(石墨纤维)、硼纤维、陶瓷(ceramic)纤维等,与环氧树脂(epoxy)、聚珗亚胺树脂(polyimide)等基体所组成的复合材料。


先进复合材料的发展,始于20世纪60年代对纤维丝(filament)及积层板(lamina)的研究,当时美国对复合材料的结构零件的设计与制造也不遗余力大力开发,这些努力的成果就是首次应用在F-14生产型水平尾翼上的硼纤维-环氧树脂复合材料蒙皮,与金属件相比,重量减轻18%。

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此时复合材料的应用只是作为金属的代用品,用在不承受主要负载的次要结构处,这样既能拥有复合材料的轻重量优点,也比较能得到航空工业界低风险要求的认同。


1958年,美国俄亥俄州克里夫兰市(Cleveland)的帕马技术中心(Parma Technical Center),物理学家贝肯(Roger Bacon)发现了高性能碳纤维。在之后几年里,中心的科学家就开发出一套制造方法,把人造丝(rayon)经由热拉伸(hot-stretching)方式,让碳纤维分子对齐而增加纤维的劲度(stiffness),制造出高模数(high-modulus)的碳纤维。

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20世纪60年代中期,日本和英国的研究人员相继开发出不需热拉伸,而是经由氧化再碳化聚丙烯晴纤维,就可制出高强度(high-strength)、高模数的碳纤维。20世纪70至80年代中期,由于碳纤维-环氧树脂在性能和价格上都比硼纤维-环氧树脂优异,所以成为最受欢迎的复合材料原料,被用于F-15、B-1、F-16的生产型结构件上。

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1978年,碳纤维复合材料开始用于制造战斗机主结构,如F-18和AV-8B的翼盒(wing box),和金属件比较,这两种翼盒各减轻了11%和17%的重量。


这个时期复合材料在飞机结构上的应用取得了长足的发展,格鲁曼(Grumman)X-29前掠翼验证机、比例复合材料公司(Scaled Composites)不需空中加油就能环球飞行的“航行家”(Voyager)、贝尔-波音V-22“鱼鹰”(Osprey)倾转旋翼机由于特殊的要求,也只有复合材料才能适用。

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X-29的机翼蒙皮是由单向性(unidirectional)复合材料预浸布(pre-impregnated)沿不同方向一层层粘贴而成,让机翼结构具有各向异性(anisotropic)特性,以满足气动发散(divergence)和颤震(flutter)的需求。


20世纪90年代,先进复合材料的发展重点是在维持结构性能不变的条件下,降低制造成本。以前的复合材料设计及制造,都只是把复合材料当成金属的替代品。制造出来的零组件仍用固定件(fastener)相互接合,大幅抵销了复合材料轻重量的优点,组装复合材料零件耗费人力较多,也推高了整体成本,因此这个时期的发展重心在于把复合材料的制造及组装成本,降低到低于金属零件的程度。

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20世纪90年代初,美国空军研究实验室了解到与传统金属材料比较,先进复合材料虽然具有大幅减轻飞机结构重量的潜力,但航空工业界却不愿使用,仅少量应用于新研制的飞机中。例如在F-22项目初期,预定复合材料使用量会占全机重量的一半,但最后实际使用量只占全机重量的四分之一。虽然美国当时一些其它的战斗机如F-15、F-16、F-18都已有少量使用复合材料的先例,但F-22在考虑复合材料结构的制造成本。


要降低使用复合材料的成本,关键因素就是要降低结构组装成本。军用飞机有着数以千计的结构件,并用数以万计的固定件完成组装,而钻这些固定件孔及安装固定件最耗费人力。如果能以一体成形方式造出结构零件,并以胶结(bond)方法相互接合,结构组装的费用就能大幅度降低。

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因此真空辅助树脂转注成模(Vacuum-assisted Resin Transfer Molding)对降低复合材料零件的成本至关重要。


与热压炉工艺比较,此工艺制出的复合材料零件一般会较厚、较重,但可以省去昂贵的大尺寸热压炉设备。


洛克希德公司还在一个验证项目中,不使用热压罐、只使用真空袋(VBO)大气压力制造大型复合材料构建,并制造出一架全复合材料的Do328运输机。


道尼尔的全金属机身,原机身和尾翼有超过3000个零件,而复合材料机身和尾翼的零件数量只有300个。

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随着洛马先进复合材料运输机的成功,不需热压炉固化的复合材料结构已能在航空业界立足,未来随着相关技术的持续发展,将会有非常广阔的发展空间。

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2018年6月22日 14:34
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