通用飞机用复合材料应用现状与发展趋势

党婧　高丽红　杨利

摘要：综述了通用飞机的国内外发展现状，介绍了复合材料在通用飞机上的应用及其发展历程，指出了通用飞机用复合材料发展亟待解决的主要问题。阐述了Cessna 350、SR22和DA40 3种通用飞机的复合材料应用情况，展望了飞机用复合材料的发展趋势。

关键词：通用飞机；复合材料；发展趋势

中图分类号：TQ050.4 +3 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2013）07-0073-04

通用航空的发展水平标志着一个国家科技水平、经济发展水平和生活水平的高低。根据民用航空总局《通用航空飞行管理条例》规定，通用飞机是指是除军事、警务、海关缉私飞行和公共航空运输飞机之外20座以下所有飞机的总称[1～3]。

1 通用飞机分类及发展现状[4，5]

1.1 通用飞机分类

从用途上看，通用飞机包括多用途飞机、公务机、农业飞机和娱乐旅游飞机等；从类型上看，包括固定翼飞机和旋翼机（见图1）。

1.2 国内外发展现状

目前全世界从事通用飞机科研或整机经营的国家约40多个，主要分布在加拿大、美国、意大利及欧洲其他发达国家。美国是世界上通用航空最发达的国家，2004年已有通用航空飞机22万架，占全球总数的72%。

我国通用航空作业始于1951年，主要制造商为中国航空工业集团公司（简称“中航工业”），生产的通用飞机有Y5、Y11、Y12和N5A系列等。21世纪，飞机制造商采用国际合作方式生产通用飞机。如中航工业第一飞机设计研究院（603所）与石家庄飞机公司合作生产“小鹰500”轻型多用途飞机；2005年滨州大高通用航空城有限责任公司与奥地利钻石飞机制造公司签署成立滨奥飞机制造有限公司，研制出第1架钻石DA-40型飞机；2011年中航通用飞机有限责任公司成功并购了美国的西锐设计公司，拥有了国际领先的通用飞机产业链。

2.1 通用飞机使用复合材料的市场

目前，军用飞机已完成了从铝材到复合材料的转变。随着波音公司波音787机身采用复合材料，对飞机制造技术、方式及战略带来根本性的转变。

飞机用复合材料主要用于制造航空器的结构件和内饰部件。复合材料在先进飞机上的应用比例逐年提高，空客从A310的5%，到A380的23%，到A350XWB（宽体飞机）的53%用量的复合材料。波音787飞机复合材料用量也占到结构总量的50%。据波音、空客公司网站资料显示，到2020年生产的大型客机将全部采用复合材料。

随着先进复合材料及加工技术的快速发展，新型通用飞机开始越来越多地使用先进复合材料。统计表明，2007年通用飞机上复合材料用量在总材料用量中比例高达57%，预计到2020年，这一数字将达69%。许多小飞机的复合材料用量甚至超过结构总量的90%。

目前我国已经建立了航空航天复合材料的基本体系，无论是材料品种、工艺还是综合性能均满足了我国现役飞机型号对先进复合材料的需求。但由于我国通用飞机起步较晚，复合材料的使用仍然较少。如“小鹰”500 飞机是我国具有自主知识产权的轻型多用途飞机，该款飞机的发动机罩、尾锥和座舱部分侧蒙皮采用了玻璃纤维复合材料。

目前，我国对通用飞机的需求呈指数增加，这对中国通用飞机及其复合材料发展是一种巨大的推动力。专业人士估计，2014年通用飞机使用复合材料的市场将超过11 亿美元。

2.2 通用飞机使用复合材料存在的问题

复合材料用于通用飞机结构可获减重/功能双重功效。但在实际使用过程中存在以下问题：材料自身耐热性差，不适用高温工作环境；材料设计、制造成本和检测费用较高；材料结构损伤的修理方法和相关标准匮乏。

3 Cessna 350、SR22和DA40通用飞机中复合材料的应用[11，12]

3.1 Cessna 350通用飞机中复合材料的应用

赛斯纳飞机公司是全球最大的通用航空飞机专业制造商。Cessna 350是由赛斯纳飞机公司推出的一种带固定减速器的活塞式飞机。

Cessna 350的结构件用无纬织物预浸带经手工铺叠而成。翼梁、机身梁、安定面、操纵面及其他承受高载荷的结构件均采用碳纤维/环氧复合材料。机身及机翼蒙皮则采用E玻纤/环氧复合材料。机体重量中碳纤维/环氧复合材料的比例约为15%。机身夹层材料为左右2半粘接而成。蒙皮为玻纤/环氧复合材料，芯子采用树脂浸渍芳纶纤维。机翼有2根C型梁，采用机械紧固件与加强的复合材料机身座相连。每根梁有上下2根由碳纤维/环氧无纬预浸条带制成的缘条，腹板用玻纤/环氧预浸带与蜂窝芯子组成。

3.2 SR22通用飞机中复合材料的应用

在当今美国通用飞机制造商中，西锐飞机设计制造公司堪称头号复合材料飞机制造商。SR22飞机号称“空中宝马”，是世界上同级别机型中销量最大的。SR22是全复合材料单发活塞飞机（四座、单发、复合材料的飞机），2000年获得FAA型号许可证。

SR22飞机大部分机构采用E玻纤/环氧，部分采用S-2玻纤环氧预浸带。机身为硬壳式结构，由复合材料制成；机身结构的大面积区采用夹层结构，机身沿纵向分为左右2半部，典型2芯/2结构，E玻纤/环氧蒙皮覆盖在DHT（航空级）闭孔泡沫芯子上。在机身顶部引入无纬S-2玻纤预浸带形成护头架结构。机翼蒙皮、翼梁和翼肋均由复合材料制成；机翼主梁采用碳纤维/环氧复合材料；主起落架减震支柱由耐疲劳性复合材料构成。

3.3 DA40通用飞机中复合材料的应用

奥地利钻石飞机公司是世界领先的复合材料飞机制造商。DA40是由钻石飞机公司推出的一种活塞式飞机，2000年获得认证并投产。

Da40飞机采用了大量的复合材料结构，如机身、机翼等。机身由2个半机身和1个中间部件粘接而成，为玻璃纤维增强材料（GFRP）半硬壳式结构，部分区域使用碳纤维增强材料（CFRP），使机身具有足够的强度和刚度，又最大限度减轻飞机自重。驾驶舱门为碳纤维材料，内、外框用树脂粘接而成；机翼采用半硬壳式结构，有2个碳纤维材料工字梁；腹板用GFRP和夹芯结构组成，夹芯结构的上、下翼面蒙皮，夹芯为硬质闭孔泡沫；翼肋为GFRP。

值得一提的是，山东“滨奥飞机制造有限公司”生产的钻石DA40型飞机复合材料的使用率达97%，是目前世界上复合材料使用率最高的飞机，该机于2008年12月4日举行了自主生产批量交付仪式。

4 通用飞机用复合材料发展趋势[7， 13，14]

我国航空复合材料技术的研究工作取得了可观的成果并积累了宝贵的经验，复合材料的垂直尾翼、水平尾翼、前机身等已在多种型号通用飞机上使用。机翼、直升机旋翼、尾梁等主承力结构也已装机试飞成功。

今后，通用飞机用复合材料可以在以下6个方面得到发展：

1）高性能化。国内外先进树脂基复合材料发展主要围绕提高工作温度、改善湿/热性能和增大断裂韧性等几个关键技术进行。因此，通用飞机用复合材料的高性能化趋势主要体现在力学、耐热和耐环境性等方面。

2）结构/功能一体化。通用飞机用先进复合材料将逐步实现结构复合材料与功能复合材料的一体化，即结构复合材料的功能化和功能复合材料的结构化，向结构/功能（多功能）一体化方向发展。先进复合材料应至少具备2种或2种以上功能，如承力/耐高温/减振、结构/阻尼/减振、承力/减振/降噪一体化是通用飞机结构用复合材料的重要发展方向。

3）智能化。智能化是通用飞机结构设计亟需关注的研究方向。开发飞机结构用复合材料自感知、自诊断、自修复和自适应智能化技术，可以实现复合材料飞机结构噪声抑制、振动控制、主动变形和性能监测。

4）低成本化。通用飞机制造商、复合材料供应商、科研机构和高等院校以及航空机构（航空局、宇航局和航空公司）要精诚合作，努力实现“制造技术、设计方法和全寿命”低成本化，进一步拓宽复合材料在通用飞机上的应用范围。

5）制造过程数字化。发展通用飞机用复合材料制造过程模拟与工艺参数优化技术，实现复合材料制造过程数字化与飞机结构设计数字化趋向相适应，减少试验次数，缩短研制周期，节约研发资金，降低废品率及提高生产效率。

6）设计制造一体化。采用全新的设计理念和手段，将设计和制造融为一体，是通用飞机用复合材料发展的又一个重要趋势。

参考文献

[1]胡问鸣.通用飞机[M].北京：航空工业出版社，2008.

[2]朱璐.国外通用飞机设计技术发展[J].飞机设计参考资料，2012（2）：29-34.

[3]中国通用航空发展研究课题组.中国通用航空发展研究[J].中国民航学院学报，2003，21（2）：1-9.

[4]区炜延.通用飞机产业发展状态研究[J].西飞科技，2003（3）：6-9.

[5]通用航空产业 放飞的翅膀--军工行业通用航空深度报告[R].2011年7月18日.

[6]2008年中国通用航空市场分析[EB/OL]. http：//blog.sina.com.cn/s/blog_86aa81ed0100tnhb.html.

[7]张佐光，李敏，陈绍杰.先进复合材料在飞机结构上的应用与发展[EB/OL].http：//wenku.baidu.com/view/943449

8271fe910ef12df858.html.

[8]何红娥.通用飞机复合材料设计要求及应用现状[J].飞机设计参考资料，2012（2）：24-28.

[9]Chris Red.Aviation Outlook：Composite Aerostructures in General Aviation[EB/OL].High- Performance Composites，[2008-06-28].http：//www.compositesworld.com/articles/aviation-outlook-composite-aerostructures-in-general-aviation.

[10]Barry Berenberg.AGATE Methodology Proves Its Worth[EB/OL].High-Performance Composites，[2003-05-01].http：//www.compositesworld.com/articles/agate-methodology-proves-itsworth.

[11]陈亚莉.复合材料结构在通用飞机上的应用[J].国际航空杂志，2008（9）：63-64.

[12]肇研，孙沛.通用飞机与复合材料[J].航空制造技术，2011（20）：34-37.

[13]王慧杰，曾凡昌，郝建伟.我国航空复合材料技术发展展望[J].航空制造工程，1997（4）：17-19.

[14]杨乃宾.国外复合材料飞机结构应用现状分析[J].航空制造技术，2002（9）：21-22，29.