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复合材料在航空模型飞机中的应用

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2020-1-2     浏览次数:    
  今天向大家分享一下复合材料在航空模型飞机中的应用,先进复合材料具有高比强、高比模、耐疲劳、多功能、各向异性和可设计性、材料与结构的同一性等优异性能,自上世纪60年代年问世以来,先进复合材料很快获得广泛应用,成为航空航天四大材料之一。下面方圳玻璃钢对先进复合材料的应用情况和其优异性能做一简要介绍。

  1.应用先进复合材料可以显著提高战斗机作战性能
  为满足新一代战斗机对高机动性、超音速巡航及隐身的要求,进入90年代后,西方的战斗机无一例外的大量采用复合材料结构,用量一般都在25%以上,有的 甚至达到35%,结构减重效率达30%。应用部位几乎遍布飞机的机体,包括垂直尾翼、水平尾翼、机身蒙皮以及机翼的壁板和蒙皮等。如美国第四代战斗机F- 22复合材料用量已达到24%,而EF2000更高达43%,EF2000除鸭翼外,机身、机翼、腹鳍、方向舵都采用复合材料,结构的“湿润”表面的 70%为复合材料,阵风也是如此,70%的“湿润”表面为复合材料,约947kg之重。F-35的复合材料几乎覆盖了整个飞机外表面。

  2.应用先进复合材料可以明显增大军用运输机有效载重量
  C-17是上世纪先进大型军用运输机的典型代表,C-17是1986年设计的,限于当时的水平,复合材料主要用于次要结构,如雷达罩、整流罩、操纵面、 口盖、翼梢小翼蒙皮等,复合材料重约7258k,占该机结构重量8.1%,树脂基复合材料从非承力结构发展到次承力构件。在复合材料中碳纤维增强复合材料 约占结构重量6%,玻璃纤维塑料、Kevlar纤维增强材料占2%。而欧洲EADS正在研究的A400M属于新一代大型军用运输机,在材料应用技术上有了 一个新的飞跃,主要表现为先进复合材料占结构重量的35%~40%。与C-17不同的是,在A400M上,碳纤维复合材料用于一些主承力结构,而C-17 的复合材料结构重量比仅为8%,且主要用于操纵面及次要结构。A400M的机身仍由传统的铝合金制成,但却开创了采用碳纤维复合材料制造大型运输机机翼的 先河,机翼长达19米,令业界颇为瞩目。

  3.应用先进复合材料是高超声速飞行器能否上天的关键因素
  高超声速技 术主要指研制高超声速(Ma>5)飞行器所需的相关技术。近中期将采用的材料将包括陶瓷纤维增强的金属基复合材料、陶瓷及碳碳复合材料以及轻质隔热 材料。此外,发动机及机身将需要导热率高的材料,如碳碳复合材料。更远的将来,将需要先进型的材料,如铍基复合材料之类的超轻材料以及纤维增强陶瓷之类超 高温材料。
  以NASA开发的第二代可重复使用航天飞机为例,油箱内衬为复合材料。在推进系统中将采用陶瓷基复合材料发射斜轨、金属基 复合材料机匣以及树脂基复合材料涵道。此外还将采用复合材料电子设备舱。第三代可重复使用航天飞机将为一智能结构,具有自适应热防护系统及智能化无损检测 装置,自愈合的飞机结构及表面。发动机材料将可能使用经冷却的复合材料、金属基复合材料加力燃烧室壳体、超高温复合材料。结构材料将包括超高温树脂基复合 材料、低成本耐腐蚀热防护系统复合材料液氧油箱。美国高超声速飞行器X-43是由超燃冲压发动机作动力装置的验证机。其油箱/机身由 石墨/环氧框架及蒙皮组成。蒙皮外再覆以热防护系统。飞机上翼面热防护层为可剪裁的先进绝缘毡,下翼面为内多层屏蔽绝缘物。后者是正处于开发中的防热材 料,由C/SiC外面板,中介陶瓷屏以及先进聚酰亚胺泡沫内衬。中介陶瓷屏覆以贵金属以降低其热辐射。机翼及垂尾由钛基复合材料制成,并有一个由二硼化锆 制成的前缘。

  4.应用先进复合材料能大幅增加无人战斗机载油量
  国外目前研制的无人机以复合材料和传统铝合金的混合结构为主。如“捕食者”“全球鹰”等均是如此。其中“全球鹰”的机翼和尾翼由石墨/环氧复合材料制造,而机身仍采用传统铝合金,复合材料占结构重量的65%。
  无人战斗机是未来航空武器的一个重点发展方向。为满足采购政策、隐身性能、机动性、生存力对材料的特殊需求,为尽可能地降低结构重量、提高燃油装载量, 无人战斗机结构的一个显著特点就是大量应用复合材料。以波音公司的X-45A为例,除机身的龙骨、梁和隔框采用高速切削铝合金外,其余的机体结构都是由复 合材料制成。诺斯罗普•格鲁门公司的X-47A的机体除一些接头采用铝合金外,整个机体几乎全部采用了复合材料。

  5.应用先进复合材料可以极大提升民用飞机市场竞争力
  民用飞机方面,复合材料的使用对于增大客舱湿度进而改善乘客的舒适度、降低油耗、易于实现结构/舱内材料的一体化、减少零部件数量、简化系统安装及缩短 总装时间等方面潜力巨大。波音、空客两家大型民用客机制造商均将其视为实现新飞机机体减重及降低直接运营成本的有效途径。如在新一代波音787飞机上,复 合材料用量将达到50%,创大型客机复合材料的应用记录。欧洲空中客车公司在新近研制的A380型宽体客机的机翼和机身结构上均采用了先进复合材料,用量 已占结构重量的25%,其中碳纤维增强复合材料占22%,另采用了3%玻璃纤维增强的铝合金层板复合材料Glare。在机翼前缘等处还采用了聚苯硫醚热塑 性复合材料。该公司目前正在研制的新一代客机A350,复合材料的应用比例也将达到39%。

  6.应用先进复合材料在减重的同时很好地改善了直升机抗坠毁性
  直升机采用复合材料不仅可减重,而且对于改善直升机抗坠毁性能意义重大,因而复合材料在直升机结构中应用更广、用量更大,不仅机身结构,而且由桨叶和桨 毂组成的升力系统、传动系统也大量采用树脂基复合材料。H360、S-75、BK-117和V-22等直升机均大量采用了复合材料,如顷转旋翼飞机V- 22用复合材料近3000公斤,占结构总重的45%左右,法德合作研制的“虎”式武装直升机,复合材料用量更高达77%。

  7.先进复合材料在航空发动机上也得到成功应用
  航空发动机使用碳纤维增强树脂基复合材料取代金属材料可以有效减轻发动机重量,降低燃料消耗,增加航程。有资料报导,发动机减轻1磅重量,从而使飞机可 减轻10~20磅重量。从70年代初,复合材料就成为TF39、F103特别是GE36UDF发动机研制计划的一部分,在这些发动机上积累了经验之后,在 GE90的风扇叶片上成功使用了高性能韧化环氧复合材料。此外,在F119风扇机匣、遄达发动机的风扇机匣包容环及反推力装置上也广泛采用了树脂基复合材 料。近期开发的波音787的动力装置GEnx的风扇机匣及风扇叶片,将由碳纤维/环氧树脂基复合材料制成。除减重外,复合材料还表现出良好的韧性及耐蚀性。

  至于陶瓷基复合材料等超高温复合材料,目前已在M88、F119等发动机尾喷管等静止件上获得应用。

  随着飞行器向高空、高速、无人化、智能化、低成本化方向发展,复合材料的地位会越来越重要。国外预计,在下一代飞机上,复合材料将扮演主角,目前采用全复合材料飞行器的计划正处于酝酿之中。


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