大飞机期待复合材料技术升级
□ 沈阳飞机设计研究所 陈绍杰
航空用复合材料发展迅猛
在美国，大飞机上复合材料的应用大致分为4个阶段：首先应用于受力很小的构件，如前缘、口盖、整流罩、
扰流板等；第二阶段用于受力较小的部件，如升降舵、方向舵、襟副翼等，已形成一定的应用规模；第三阶段用于
受力较大的部件，如水平尾翼、垂直尾翼、发房等部件，规模较大；第四阶段（即现阶段），用于机翼、机身等主
承力结构，已有很大的发展。
欧洲空中客车工业集团（下简称“空客集团”）亦于20世纪70年代中期开始了复合材料应用的进程，所走之
路与美国相似，先上舵面，再向尾翼发展，于1978年开始研制A320的复合材料垂尾，至1985年完成，实现机身
减重20%。此后A320、A330、A340等机种上均大量使用了复合材料，并将复合材料的用量拓展到机身总重的15%
左右。
1. A380
空客集团己研制出超大型客机A380，该机复合材料应用比例占机身总重的25%，主要应用部件包括中央翼、外
翼、垂尾、平尾、机身地板梁和后承压框等。A380的机身还大量应用了Glare层板，约占结构总重的3%～4%，相
比铝合金板减重25%～30%，疲劳寿命提高l0～15倍。Glare是玻纤增强铝合金层板，国内称之为超混杂复合材料。
同时，A380是第一个将复合材料用于中央翼盒的大型民机，开创了大型民机大规模应用复合材料的先河。
2. B787
美国波音飞机公司研制的B787“梦想”(Dreamliner)飞机于2007年7月8日成功下线。该机的主要结构均采
用复合材料制成，复合材料用量占结构总重的50%左右，从外表面看，除机翼、尾翼前缘（防鸟撞）、发动机挂架
（防高温）外几乎看不到金属。由于复合材料的密度仅为1.6g/cm3，可大幅度减轻机身的质量，提高燃油效率达
20%。目前，B787的主要用材体系T800S/3900-2纤维，由日本东丽公司生产，涉及的新技术还包括TiGr层板（即
碳纤维增强钛板）。
3. A400M和A350
A400M是空客集团正在研发的一种大型军用运输机，大幅减重以及增加有效载荷的目标决定了该机对复合材料
的大量应用，复合材料约占其结构总重的40%，主要应用部件包括机翼、垂尾、平尾、部分机身和32个螺旋桨桨
叶，仅浆叶就采用了2t复合材料。机翼主承力盒已于2006年底前装配下线，尺寸为23×4m，重达3t，为空客迄
今为止最大的复合材料制件。A400M预计2009年交付使用。
空客集团近期还宣布了新型超宽体客机A350XWB计划，复合材料用量可占结构总重的52%。A400M和A350均将
采用欧洲最新的复合材料技术，以应对美国B787复合材料技术的挑战。A380、B787、A400M、A350等几大机种对
复合材料的大量应用，促成了复合材料在航空领域迅猛发展的新态势，也直接导致了目前全球性的碳纤维供应严重
短缺。
关键应用技术基础
1. 先进复合材料的优异性能
在30多年的发展历程中，先进复合材料显示出了优异的性能，即便是曾一度被质疑的老化问题也在30年的使
用中得以澄清。先进复合材料在各种民用飞机上的应用日益增多，但从未因其引发过飞行事故，由此更增加了应用
的信心和安全置信度。
我国少量的应用经验也表明复合材料是一种性能优异的新材料。国内最早装机使用的歼八复合材料垂尾在苛刻
的飞行条件下使用近20年，地面检查无问题；我国自行研制的歼八-2带整体油箱的复合材料机翼自1995年装机
飞行12年来亦毫无问题。
2. 预研计划推动复合材料应用
预先研究是应用发展的基础。纵观国外的经验和做法，发达国家都是有步骤地逐一执行各项计划，开展务实而
有成效的预研工作，从而推动了复合材料应用的进展。
美国为推进复合材料在大型客机上的应用，多年来曾先后制定和执行了多个发展预研计划，并取得了积极的成
果，从而为B787等机种大量应用复合材料奠定了坚实的技术基础。其中，NASA于1976～1985年执行的
ACEE(Aircraft Energy Efficiency)计划，即飞机节能计划，以复合材料应用为主要内容，以结构减重、节省燃油、
增加商载为目标。该计划的实施实现了舵面一级的应用，并突破B737等尾翼一级部件的应用。接着NASA又于1988～
1998年执行了著名的ACT(Advanced Composite Technology)计划，即先进复合材料技术计划，该计划主要为大型
飞机上复合材料机翼和机身的研制做准备，目的在于改进结构性能，研制“强度、刚度、损伤容限”三者统一的主
承力结构，降低复合材料成本，使之可与对应的铝合金结构竞争。
欧洲则有著名的TANGO(Technology Application to the Near-Term Goals and Objectives)计划，为期4年，
由欧洲12国共34个部门联合发起，目标是机身减重20%、降低成本20%。为此共选用4个大的验证平台，中央翼、
外翼和2个机身段，各平台规模均较大，采用不同的技术途径设计、制造和验证，通过竞争达到高质量、低成本，
其成果已用到A380及其他机种上。随后，欧洲又提出新的SWK计划，主要为发展大型民机复合材料机身服务，目
标是减重30%、降低成本40%，并为此革新设计理念及制造方法。
3. 低成本复合材料技术是重要前提
低成本复合材料技术包括了低成本的设计技术、制造技术和材料技术，其核心是低成本的制造技术。自动铺放
技术由此得到了较快的发展，其中包括自动铺带技术(ATL)和自动纤维铺放技术(AFP)为核心的自动化制造技术。同
时，以共固化/共胶接为核心的大面积整体成形技术也取得一定进步，这使得B787实现了复合材料与金属零件数比
为1:19的可喜成果。
4. 复合材料技术进步是坚实保障
在大飞机用复合材料的设计上重点发展了优化、革新的设计技术，以DFM(Design For Manufacture)技术（即
设计制造一体化）为核心的数字化和自动化技术，采用全新的理念和手段将设计和制造进一步融合起来，从而加快
了产品研发、提高质量和降低成本的研究步伐。在材料上开发出多种稳定的高性能材料体系，提高了材料的许用值
和结构的设计值，并已在前行机种上完成验证和使用。在制造上则大力发展了革新的制造工艺和技术，实现高度的
自动化和整体化成形，发展各种RTM成形工艺，大幅度地降低了制造成本，使之能与对应的金属结构竞争。此外，
发达国家也极为注重软件技术的研发，提出要统一制订规范“开发编制全行业的标准，改进最终产品的一致性”。
其目的在于将复合材料的设计和鉴定文件化、规范化，形成统一的指南，以减少风险和降低成本。
我国复合材料技术发展任重道远
飞机结构复合材料化已成必然的发展趋势，大型飞机结构的主体材料必将是复合材料和非金属已是不争的事
实。这一趋势将从根本上改变飞机结构设计和制造传统，也将改变航空工业供应链的重组进程。能否适应这一重大
变革，势必影响和决定一个国家航空制造业的成败兴衰。
我国的复合材料技术虽有一定的发展与进步，但与国外的先进水平相比尚存在许多问题以及相当大的差距。以
飞机结构用复合材料技术而言，我国的应用规模与水平、设计的理念、方法和手段、材料的基础和配套、制造的工
艺和设备均严重落后，且差距呈越来越大的趋势。其中在应用上的落后最为突出，如我国军用战斗机上复合材料的
最大用量尚不足10%，而世界军机的机翼自20世纪80年代后即早已复合材料化；我国至今尚无批量生产的复合材
料机翼问世；最新研制的ARJ21支线客机复合材料用量不足2%。
2008年中国商用飞机有限责任公司在上海揭牌成立，标志着我国的“大飞机”研制工作正式提上日程。为确
保我国研制大型飞机的先进性及其未来的市场，需要应用大量复合材料。但另一方面，我国在复合材料技术领域落
后太多，缺乏必要的技术储备与支撑，国产复合材料在品种、产量和质量上均难以满足大飞机研制的要求，需要和
可能之间构成了一组尖锐的矛盾。在解决这一矛盾的过程中，建议复合材料产业确定合理的目标，并以此为依据做
好科学的规划，积极开展预先研究；注重突破关键技术以及人才的培养和准备；积极进行对内整合，对外合作。