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C919大型客機(jī)機(jī)身及發(fā)動(dòng)機(jī)材料大剖析

2017-06-13 17:04:36 作者：本網(wǎng)整理來源：粉體圈分享至：

2017年5月5日星期五，國產(chǎn)大型客機(jī)C919在上海浦東國際機(jī)場實(shí)現(xiàn)了首飛，這標(biāo)志著我國民用航空領(lǐng)域的一次重大跨越。作為國產(chǎn)大型客機(jī)C919而言機(jī)體材料的選擇至關(guān)重要。

圖1國產(chǎn)大型客機(jī)C919首飛照片

1. C919大型客機(jī)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

C919客機(jī)屬中長途商用機(jī)，基本布局如圖2所示。

圖2 C919大型客機(jī)基本布局圖

C919國產(chǎn)大型客機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)主要包括以下幾個(gè)方面：

在使用材料上：

C919將采用大量的先進(jìn)復(fù)合材料、先進(jìn)的鋁鋰合金等，其中復(fù)合材料使用量將達(dá)到20%，再通過飛機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，把飛機(jī)重量往下壓縮，另外，C919將會(huì)使用占全機(jī)結(jié)構(gòu)重量20-30%的國產(chǎn)鋁合金、鈦合金及鋼等材料，充分體現(xiàn)了C919大型客機(jī)帶動(dòng)國內(nèi)基礎(chǔ)工業(yè)的能力與未來趨勢。同時(shí)，由于大量采用復(fù)合材料，較國外同類型飛機(jī)80分貝的機(jī)艙噪音，C919機(jī)艙內(nèi)噪音可望降到60分貝以下；

在減排方面：

C919將是一款綠色排放、適應(yīng)環(huán)保要求的先進(jìn)飛機(jī)，通過環(huán)保的設(shè)計(jì)理念，有望將飛機(jī)碳排放量較同類飛機(jī)降低50%；

舒適性是C919機(jī)艙設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)

機(jī)艙座位布局將采用單通道，兩邊各三座，其中中間的座位空間將加寬，有效地緩解以往坐中間座位乘客的擁擠感。據(jù)官方資料表示，C919采用先進(jìn)的環(huán)控、照明設(shè)計(jì)，提供給旅客更大觀察窗，更好的客艙空間，提供給旅客更好的舒適性；同時(shí)降低剖面周長0.326%，降低剖面面積0.711%，機(jī)身結(jié)構(gòu)重量降低26.7kg；

C919采用四面式風(fēng)擋

該項(xiàng)技術(shù)是國際上先進(jìn)的工藝技術(shù)，目前干線客機(jī)中只有最新的波音787采用，它的風(fēng)擋面積大，視野開闊，由于開口相對少，簡化了機(jī)身加工工業(yè)，減少了飛機(jī)頭部氣動(dòng)阻力。但是工藝難度相對較大，機(jī)頭需要重新吹風(fēng)，優(yōu)化風(fēng)擋位置和安裝角，同時(shí)也有風(fēng)擋玻璃面積相對較大，制造工藝復(fù)雜，成本較高。同時(shí)該設(shè)計(jì)對機(jī)頭受力和風(fēng)擋間承力支柱強(qiáng)度提出了更高要求；

C919客艙布局

C919采用了5000 PSI（磅/平方英寸）壓力的液壓系統(tǒng)，與一般民用飛機(jī)采用3000 PSI（磅/平方英寸）壓力的液壓系統(tǒng)相比，前者可提供更大的動(dòng)力。壓力的增加意味著可使用較小的管道和液壓部件傳輸動(dòng)力，減輕了重量。

2. C919機(jī)身材料

為了保證國產(chǎn)大型客機(jī)C919的順利首飛，機(jī)身材料的選擇至關(guān)重要。C919大型客機(jī)機(jī)身材料的選擇原則為：

·滿足飛機(jī)不同部位的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求，主干材料體系基于當(dāng)前先進(jìn)客機(jī)使用的主流產(chǎn)品，兼顧成熟性和先進(jìn)性；

· 疲勞、損傷容限、耐蝕性、可接受的成本（涵蓋制造和使用維護(hù)階段）以及實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)整體化和輕量化的潛力，是材料選用的重要指標(biāo)。

結(jié)合機(jī)身材料兩大選擇選擇原則，C919大型客機(jī)機(jī)身選材開創(chuàng)了兩個(gè)全國首次：

先進(jìn)鋁鋰合金的應(yīng)用，屬國內(nèi)首次

由于Al-Li系鋁合金具有低密度、高彈性模量、高強(qiáng)度和很好的綜合物理性能，所以與一般鋁合金相比，在強(qiáng)度相當(dāng)?shù)那闆r下，密度降低10％，而彈性模量提高10％，因此C919大型客機(jī)機(jī)身上實(shí)現(xiàn)鋁鋰合金在地板梁、機(jī)身蒙皮、長桁上的應(yīng)用，使用量約占結(jié)構(gòu)重量的15％，預(yù)期實(shí)現(xiàn)減重5－10％；

國內(nèi)首次在民用飛機(jī)的主承力結(jié)構(gòu)、高溫區(qū)、增壓區(qū)使用復(fù)合材料

大型客機(jī)機(jī)身的尾翼（平尾、垂尾、升降舵）、中央翼、機(jī)翼活動(dòng)面、后壓力框、尾錐、后機(jī)身均采用先進(jìn)復(fù)合材料，用量將達(dá)到14％以上；

由于鈦合金的密度比鋼小得多，而強(qiáng)度又和鋼很接近，因此，它可以大大減輕飛機(jī)及其發(fā)動(dòng)機(jī)的重量。大型客機(jī)C919機(jī)身的關(guān)鍵承力件主要使用鈦合金，綜合考慮鈦合金的成熟性、成本、交付周期等因素，C919大型客機(jī)選擇了6個(gè)鈦合金牌號，包括低強(qiáng)高塑性、中強(qiáng)中韌、中強(qiáng)高韌、高強(qiáng)高韌及系統(tǒng)用材。圖 3為鈦合金主要在C919大型客機(jī)上應(yīng)用部位及制品形式。

圖 3 鈦合金主要在C919大型客機(jī)上應(yīng)用部位及制品形式

3. C919發(fā)動(dòng)機(jī)材料

實(shí)際上C919大型客機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)來自于CFM國際公司的LEAP-1C發(fā)動(dòng)機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)采用了獨(dú)特的、業(yè)內(nèi)首創(chuàng)的全集成推進(jìn)系統(tǒng)（IPS）。由CFM提供發(fā)動(dòng)機(jī)以及由奈賽公司（Nexcelle）開發(fā)的短艙和反推裝置組成。這些部件，包括由中航工業(yè)提供的吊架，被設(shè)計(jì)為相互連接的整體系統(tǒng)，具備更好的空氣動(dòng)力學(xué)特性，重量更輕、更易于維護(hù)。

LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)將是第一款配備陶瓷基復(fù)合材料（CMC）高壓渦輪葉冠的民用發(fā)動(dòng)機(jī)。采用CMC的直接益處便是提高了渦輪前溫度和燃燒熱效率。CMC材料的耐高溫性能意味著對冷卻氣流需求的減少。傳統(tǒng)的渦輪罩環(huán)上密布冷卻孔，大量的冷卻氣流被引走對發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)來說是個(gè)不小的負(fù)擔(dān)。有了CMC材料制成的渦輪罩環(huán)，需要的冷卻氣流減少從而增加了工作循環(huán)氣流流量。其次，CMC是一種低密度材料，制成的罩環(huán)重量只有傳統(tǒng)罩環(huán)的三分之一，也不需要很多的支撐結(jié)構(gòu)。CMC材料的熱學(xué)性能穩(wěn)定，對保持渦輪葉尖間隙很有幫助。圖 4為LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)三維示意圖。

圖 4 LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)三維示意圖

陶瓷基復(fù)合材料（Ceramic matrix composite，簡稱CMC）是以陶瓷材料為基體，以陶瓷、碳或難熔金屬的纖維、晶須、晶片或者顆粒為增強(qiáng)體，通過特定的成型工藝所制備的一類復(fù)合材料。陶瓷基復(fù)合材料在在航空航天領(lǐng)域，用陶瓷基復(fù)合材料制作的導(dǎo)彈的頭錐、火箭的噴管、航天飛機(jī)的結(jié)構(gòu)件、絕熱瓦、外部燃料箱等具有良好的效果。圖5為陶瓷基復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)噴管。