空中的复合材料之王——空客A350 XWB复合材料机身浅析
马氏体
2023-06-17 17:16
空客A350 XWB是空客公司最新型的双发远程宽体大飞机。XWB是“eXtra Wide Body”的缩写，代表了它直径5.96米、经济舱一排9个座位的宽大机身，载客量达300-400人，航程达到15000公里以上。它与波音787都是新一代远程宽体客机的代表，以优越的燃油经济性著称。
东方航空的空客A350-900，驾驶舱风挡是帅气的“墨镜”造型，弧形玻璃与机头曲线融为一体；翼梢是弯刀型的小翼，起到降低阻力、增加升力的作用。
A350使用英国罗尔斯·罗伊斯（Rolls-Royce）公司的Trent XWB发动机，这是一种三转子涡轮风扇发动机，其低压涡轮叶片采用了中科院沈阳金属所研发的钛铝合金材料。每台发动机可为A350提供40吨左右的澎湃推力，同时还非常省油。
提升飞机经济性的另一个重要手段是采用复合材料进行减重。A350是当今世界上复合材料占比最高的大飞机，碳纤维复合材料占机体结构重量的53％，力压波音787的50％。
这个切分展示的段落属于机身前段，由4块壁板拼接成一个大圆筒（完整长度13米），其中最大的是右侧板件，面积达93㎡。机身中、后段分别长20米和15米，也分别由6片和4片板件拼接而成。
壁板维持飞机的外形，由蒙皮和起加强作用的长桁组成，固定于机身的主要承力结构——机身框。
蒙皮（左图）由碳纤维预浸料（浸渍了树脂的碳纤维束或织物）层层铺放，热压固化而成，横截面上可见层状结构。桁条（右图）由碳纤维织物预浸料制成，表面可见织物纹理。桁条单独成型以后，再放置到铺放好的蒙皮预浸料上，固化为一体。
空客A350所用的碳纤维和环氧树脂预浸料来自美国最大的碳纤维生产商——赫氏（Hexcel）公司。
连接机身框与壁板的角片，使用日本帝人公司的碳纤维增强热塑性树脂层压板。帝人（东邦）和东丽、三菱人造丝并称为日本三大碳纤维生产商。
热塑性树脂的成分为聚醚醚酮（PEEK），是一种每个结构单元含有两个醚键和一个酮羰基的特种工程塑料。与环氧树脂等热固性树脂相比，热塑性树脂复合材料具有韧性好、易成型、可回收等优势。
波音787的机身筒段采用整体缠绕成型工艺，即在筒型芯模上缠绕碳纤维预浸料，直接做出整体式的圆筒型机身，减少了壁板连接部分的重量，是对航空制造技术的颠覆性创新，但是对复合材料成型工艺和装备提出了更高的要求。
相比之下，空客A350的筒段仍是由多块壁板拼接而成的，只不过把传统的铝合金壁板换成了复合材料，在工艺上较为保守，但降低了复合材料的技术难度和风险。
我国与俄罗斯联合研制的CR929远程宽体客机的复合材料占比达51％，且复合材料机身由我国负责，将是对我国复合材料产业的检验与提升。
2018年，复合材料前机身攻关全尺寸筒段顺利总装下线，长约15米，直径约6米，由4块壁板拼接而成，最大的一块壁板弧长约6米，与空客A350相当，标志着我国突破了机身大尺寸主承力复合材料零部件设计制造技术。
祝愿我们自己的复合材料大飞机早日一飞冲天！
相关阅读：
虽无球差校正眼，但怀扫描透射心
从一闪而过的荧屏画面中解析工业生产流程
破解材料密码，见证中国科技进步
做一个比铁还硬、比钢还强的工业党
欢迎关注个人微信公众号“材闻窗外事”
