详解碳纤维复合材料在空客A350飞机中的应用
详解碳纤维复合材料在空客A350飞机中的应用
导读：空客A350 XWB系列飞机作为新一代宽体客机，以其先进的空气动力学设计和大量采用的碳纤维复合材料而著称。本文详细解析了碳纤维复合材料在A350飞机中的具体应用，包括机身结构、耐腐蚀性设计、机身设计与组装概念以及结构稳定性等方面，展现了航空材料技术的最新进展。
新闻事件
2019年12月19日，欧洲空客公司向Caraïbes航空公司移交了第一架A350-1000飞机，这是空中客车公司新一代A350 XWB系列飞机的最大成员。A350 XWB采用最新的空气动力学设计，并且在机身和机翼大量采用碳纤维复合材料，以及使用了新型节油的劳斯莱斯发动机。在这些功能协同作用下，A350 XWB燃油消耗和排放降低了25％。截至2019年11月底，A350 XWB系列飞机已收到来自全球51个客户的959笔确认订单，使其成为有史以来最成功的宽体飞机之一。
空客A350民用飞机
A350 XWB系列民用飞机
目前A350 XWB系列民用飞机共有三种机型，分别为A350-800、A350-900、A350-1000。三款飞机主要区别在于飞机总长度和座位数（图1），其中A350-1000是该系列载客量最大一款飞机，座位数可达350人。
图1 空客公司A350系列民用飞机尺寸、行程及起飞重量
A350 XWB系列民用飞机从2007年概念设计冻结到首飞再到量产也经过近10年的发展历程（图2）。
图2 空客公司A350系列民用飞机发展历程
相比于空客公司以往型号飞机，A350系列飞机的新颖性不单单体现在设计上采用了新机舱横截面，机械结构件中采用了新发动机，而从其材料体系上，该款飞机80%以上采用了先进材料。
A350飞机主要应用先进材料包括碳纤维复合材料（53%）、铝合金（19%）、钛合金（14%）等，如图3所示。与之相比，目前国产C919飞机中碳纤维复合材料、铝合金、钛合金应用比例分别为12%、70%、9%，其中在碳纤维复合材料应用上与A350差距显著。
图3 空客公司A350飞机采用的材料体系
其实在2005年A350飞机设计之初，碳纤维复合材料、铝合金（含铝锂合金）、钛合金应用比例分别为40%、31%、9%，为了实现飞机进一步轻量化，在最终定型设计中，金属钢、铝合金用量进一步下降，而碳纤维复合材料和钛合金比例增加（图4）。
图4 空客公司A320到A350飞机材料体系发展
详解CFRP在A350飞机中的应用
关于碳纤维复合材料在飞机中大量应用，空客公司也是经历了一个逐渐认知的过程，随着空客飞机中碳纤维复合材料应用比例逐渐提高（图5），而碳纤维复合材料应用又为空客公司积累的丰富的经验。
图5 空客飞机中碳纤维复合材料比例增长情况
1. 机身主要结构
A350 XWB结构分解如图6所示，在其设计时采用了典型机身、机翼和尾翼三个结构，并且它们都得益于空客在复合材料领域积累的经验。凭借CFRP在飞机服役中的经验，其活动部件如方向舵等由整体结构制成，从而提高了其运行性能。而尾翼的经验也使其在机翼结构中的应用。
图6 空客A350飞机结构分解
后梁和前梁分为三部分，分别支撑上、下盖板。机翼箱结构由长为32m的单块CFRP顶盖和底盖、前后CFRP翼梁（共3件）组成，内部用金属肋加强。主起落架通过后翼梁上的前枢轴配件和齿轮梁上的后枢轴配件固定在机翼盒中。齿轮梁固定在机身内侧和后梁外侧。双面支架用于更好地辅助制动，并将载荷转移到机身结构中。
2. 耐腐蚀性设计
为了能够应对各种环境条件下的腐蚀威胁，A350 XWB采用了严格的标准来应对。由于CFRP具有优异的耐腐蚀特性，因此CFRP应用比例高达53%，而在易受液体侵蚀的区域中，使用钛合金来替代传统铝已被钛替代。同样，机身下部的金属框架由钛合金制成，而不是铝合金制成。
在A350飞机中通过特定的材料混合，如将钛的使用量增加到机身结构质量的14％、将CFRP的使用量增加到53％，从而可使针对飞机腐蚀性检查的间隔延长，在大多数地区无检查期可达到12年。
3. 机身设计与组装概念
增压机身是基于经典且坚固的型材组装概念，但已利用新的CFRP技术对其进行了优化。改进后每个CFRP部分都由4个面板组成（图7）。面板的周向和纵向尺寸均经过优化，以提高飞机性能：
- 周向接头的位置远离机翼到机身交界的重载区域；
- 接头在纵向和圆周方向上也远离主要的机身开口，例如乘客门和货舱门；
- 连接的类型也进行了优化，而且为这些连接点提供了更多的支撑结构，可以保障在严重损坏的情况下修复飞机。
将较长的面板组装成四个部分与只有圆柱形部分结构相比，成型加工会更成熟，而且对飞机更有利。
图7 空客A350飞机机身结构
4. 结构稳定性
飞机结构的抗损伤能力是满足其适航性不可或缺的一部分，为了提高A350结构稳定性，主要解决方案是在最经常影响飞机结构的区域改变CFRP蒙皮的厚度，比如与低风险区域相比，门围的皮肤厚度增加了3到5倍。最终效果是它比金属产品对冲击损伤的敏感性更低，同时有助于整体性能的提高。
A350飞机中CFRP设计创新性
与以往飞机用CFRP相比，A350在设计时提出了一些新概念，并且付诸实施，新设计主要体现在以下几个方面（图8-11），针对不同应用特性开展的创新性设计最终也取得一定成效。
图8 空客A350飞机机身设计创新性
图9 空客A350飞机防雷击设计创新性
图10 空客A350飞机CFRP蒙皮与梁
图11 空客A350飞机CFRP齿轮载荷设计