本文是楊超凡研究員創(chuàng)作已獲授權(quán)發(fā)布。

波音787機體(僅指結(jié)構(gòu),不包括發(fā)動機、系統(tǒng)和設(shè)備)大約50多噸。其中50%，約25噸是用復(fù)合材料制造的。這25噸中，主要是碳纖維增強樹脂復(fù)合材料(CFRP)。特別是機身、機翼主要受力結(jié)構(gòu)件，使用的是T800量級碳纖維、增韌環(huán)氧樹脂基基材的碳纖維復(fù)合材料（波音787機身、機翼用T800S/3900-2B; 空客A350機身、機翼用IMA/M21E）。

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減重是復(fù)合材料使用的最大優(yōu)點之一。碳纖維復(fù)合材料的密度只有鋁的60%，因此它們的強度重量比比金屬高得多，有時甚至高達20%。一般說法,相同結(jié)構(gòu)使用復(fù)合材料要比使用金屬輕20%（目前用在民機上，還沒有達到）。波音787設(shè)計目標(biāo)是與當(dāng)時暢銷的金屬飛機空客A330-200競爭。

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解決了飛機的疲勞問題。金屬飛機的疲勞問題，長期困擾著工程技術(shù)人員。疲勞是指，金屬飛機在多次重復(fù)變化的載荷作用后，應(yīng)力值雖然始終沒有超過材料的強度極限，甚至比彈性極限還低的情況下就可能發(fā)生破壞。飛機升空后，機身客艙要增壓，著陸要減壓。機身一直承受著，增壓—減壓這樣的重復(fù)載荷。50年代,英國接連有三架“慧星”號噴氣客機，就是在這樣的重復(fù)載荷作用下，金屬機身在空中解體。另外，機身蒙皮厚度一般只有2毫米左右。特別是，蒙皮和長桁是用鉚釘連接。用鉚釘連接就得在結(jié)構(gòu)上鉆孔、锪窩、打鉚釘。一個鉚釘孔、窩就是一個疲勞源。多少年來，工程技術(shù)人員在小小的鉚釘孔、窩和鉚釘上費了不少的心思，想提高抗疲勞的能力。但效果并不理想。要想較好地解決疲勞問題，最好是不用鉆孔、锪窩、打鉚釘。但對金屬材料用其他連接工藝，如膠接、點焊、膠接點焊，都存在難以克服的問題?，F(xiàn)在用樹脂基碳纖維復(fù)合材料制造蒙皮、長桁，不再鉆孔、锪窩、打鉚釘，徹底解決了疲勞問題。制造機身使用樹脂基碳纖維復(fù)合材料的波音787，被西方譽為民機工程一次技術(shù)革命。

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由于復(fù)合材料強度重量比比金屬高，客艙的壓力可以提高。金屬飛機的座艙壓力相當(dāng)于，海拔2400公尺的壓力。復(fù)合材料飛機座艙壓力相當(dāng)于，海拔1800公尺的壓力。客艙玻璃比金屬飛機客艙玻璃大2/3。復(fù)合材料不腐蝕，因此座艙內(nèi)可以加濕。樹脂基碳纖維復(fù)合材料,對聲波有阻尼作用、吸收聲波能量,因此降低客艙的躁音。這幾方面的共同作用，提高了座艙的舒適度。

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樹脂基碳纖維復(fù)合，其中樹脂俗稱“塑料”。塑料的設(shè)計、制造優(yōu)勢在于，零件綜合集成。零件綜合集成的結(jié)果是零件數(shù)量減少、連接件減少、連接用的緊固件也減少了。波音787的機身充分應(yīng)用了這一優(yōu)勢。使得直徑6米、長13米的機身段（蒙皮內(nèi)有100多根長桁）的巨大殼體，成為一個零件（見圖）。

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機翼使用復(fù)合材料制造，除了解決疲勞問題，還給空氣動力帶來很大的好處。機翼蒙皮是在凹模中用復(fù)合材料模塑成形的。蒙皮外形準(zhǔn)確、且光滑流線，再加上它與長桁連接不用鉚釘。裝配好的機翼，比金屬機翼阻力小。

復(fù)合材料比強度高，機翼做的比金屬機翼薄。薄機翼阻力小。特別復(fù)合材料機翼，可以做到比金屬機翼展弦比大。展弦比大，機翼的升力就大。展弦比大就是機翼窄長，像滑翔機、太陽能飛機，為追求大的升力，都有很長的機翼（展弦比特別大）。

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綜合上述好處，使用50%復(fù)合材料制造的波音787，給飛機的用戶航空公司帶來更誘人的好處 — 節(jié)省燃油。波音787使用G E公司的 GEnx-1B或者羅羅公司的 Trent 1000兩款發(fā)動機中任何一款。這兩款新型發(fā)動機本身可節(jié)省燃油20%。根據(jù)波音公司測算，安裝新型發(fā)動機的波音787，能節(jié)省燃油20%。具體由下列組成：

新型發(fā)動機節(jié)油8%；

先進氣動節(jié)油3%；

先進機內(nèi)系統(tǒng)節(jié)油3%；

使用復(fù)合材料節(jié)油3%；

以上3項綜合作用，節(jié)油3%。

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波音787和空客A350，全機表面幾乎都是復(fù)合材料（見圖）。全機噴漆不再用油基漆，而改用水性漆。這樣一來，施工簡單又環(huán)保。

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復(fù)合材料不腐蝕。因此使用50%復(fù)合材料的波音787，機體基本是長壽命的。飛機在使用中節(jié)省了機體維護費用。下面圖片是波音公司給出，787與金屬飛機767的維護成本的比較。

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復(fù)合材料用量達到50%的波音787,全面改變了飛機制造工廠的面貌。制造鋁合金機身蒙皮、長桁、框、連接角片，等鈑金零件的鈑金車間，工作量大大減少了。巨大的加工設(shè)備，如蒙皮拉伸機、型材拉彎機、橡皮囊液壓機、超寬剪床、超寬滾床等，使用的機會很少了。部、組件裝配車間，由復(fù)合材料制造零件開始，直到完成部件是全新的生產(chǎn)組織。車間里一臺臺全新的自動化設(shè)備，一改車間的面貌。

結(jié)束語：

用復(fù)合材料制造民機有上述如此多的好處，波音787才用到50%，空客A350用到53%。為什么不多用點呢？簡單說，因為碳纖維的形態(tài)是點（短切纖維）、線（絲束）、面（紡織布），它只適合制造大面積、曲率小的零件。如，機身、機翼蒙皮，長桁，機身普通框，梁，連接角片等。它不適合制造立體、形狀復(fù)雜、承受集中載荷的接頭類零件（此處也有例外，A350客艙門絞鏈大接頭是復(fù)合材料制造的）。另外，樹脂基碳纖維復(fù)合材料壓縮強度低，不適合制造承受剪切應(yīng)力大的零件，如機翼翼肋（波音787和空客A350翼肋全部是鋁合金的）。實際上是能用復(fù)合材料制造的零件，基本上都用到了。

作者簡介：楊超凡，飛機制造高級專家，近年專攻民機復(fù)合材料。原陜飛副總工程師，原航空工業(yè)部首批研究員級高級工程師，享受國務(wù)院特殊津貼。