隨著先進(jìn)復(fù)合材料及其加工技術(shù)的快速發(fā)展，在通用飛機(jī)制造領(lǐng)域，新型飛機(jī)開(kāi)始越來(lái)越多地使用先進(jìn)復(fù)合材料，統(tǒng)計(jì)表明，2007年通用飛機(jī)上復(fù)合材料用量，在總材料用量中占到了57%的比例。

一般認(rèn)為，通用航空是指干線和支線定期航班客貨運(yùn)輸以及出租飛機(jī)公司經(jīng)營(yíng)的空運(yùn)業(yè)務(wù)以外的所有民用航空活動(dòng)。目前，各國(guó)對(duì)通用航空的定義說(shuō)法不一，實(shí)際上還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的嚴(yán)格的有關(guān)通用航空的定義[1]。通用航空是民用航空的重要組成部分，通用航空的發(fā)展水平是一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和人民生活水平高低的重要標(biāo)志，在社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展中有著重要地位。
通用飛機(jī)可以通俗地理解為用于通用航空飛行的飛機(jī)，由于通用飛機(jī)的用途廣泛，飛機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)各有不同，大致可劃分為運(yùn)動(dòng)飛機(jī)、公務(wù)機(jī)、農(nóng)林飛機(jī)、多用途飛機(jī)，國(guó)外主要通用飛機(jī)制造商有龐巴迪宇航集團(tuán)、灣流宇航公司、塞斯納飛機(jī)公司、豪客比奇飛機(jī)公司、歐洲直升機(jī)股份有限公司等。

123456

隨著先進(jìn)復(fù)合材料及其加工技術(shù)的快速發(fā)展，在通用飛機(jī)制造領(lǐng)域，新型飛機(jī)開(kāi)始越來(lái)越多地使用先進(jìn)復(fù)合材料，統(tǒng)計(jì)表明，2007年通用飛機(jī)上復(fù)合材料用量，在總材料用量中占到了57%的比例[2]。本文將介紹幾種類型的通用飛機(jī)，并對(duì)一些通用飛機(jī)的復(fù)合材料使用情況進(jìn)行介紹。

典型通用飛機(jī)及其復(fù)合材料的使用

1 小型飛機(jī)
小型飛機(jī)一般2~6座，大部分都只裝一臺(tái)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，主要用于飛行員培訓(xùn)、航空運(yùn)動(dòng)、空中游覽、教育培訓(xùn)、文化體育、航空廣告燈等。“小鷹”500飛機(jī)是具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的輕型多用途飛機(jī)，是一種按單駕駛體制、雙操縱進(jìn)行設(shè)計(jì)的前后兩排并列式4~5座飛機(jī)， 這款飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)罩、尾錐和座艙部分側(cè)蒙皮采用了玻璃纖維復(fù)合材料。美國(guó)西銳設(shè)計(jì)公司（Cirrus Design Co）以生產(chǎn)復(fù)合材料見(jiàn)長(zhǎng)，其生產(chǎn)的SR20/SR22采用活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的四座復(fù)合材料輕型飛機(jī)懸臂式下單翼，翼尖上翻，為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，機(jī)翼懸掛復(fù)合材料懸臂式緩沖主支柱，外帶整流罩。G120A是德國(guó)Grob宇航公司的雙座特技飛行飛機(jī)，機(jī)身整體是由碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制成。

123456

SR-22輕型飛機(jī)

2 多用途飛機(jī)
多用途飛機(jī)是指可用于客貨運(yùn)輸及其他社會(huì)服務(wù)的6~10座左右的通用飛機(jī)。1974年批量生產(chǎn)的P-68，其機(jī)體大部分為金屬結(jié)構(gòu)，僅在機(jī)翼機(jī)身連接處整流包皮采用了玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。隨著材料技術(shù)的發(fā)展，更多的新材料和新技術(shù)被應(yīng)用，1991年首飛的PC-12來(lái)自瑞士派士飛機(jī)公司，其T形尾翼采用了玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，而尾翼的背鰭和腹鰭則采用凱夫拉纖維增強(qiáng)蜂窩板夾層復(fù)合材料。“探險(xiǎn)家”飛機(jī)更是采用先進(jìn)計(jì)算機(jī)輔助模型設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，可迅速轉(zhuǎn)入批量生產(chǎn)，其機(jī)身為半硬殼式結(jié)構(gòu)，由碳纖維復(fù)合材料制成的外殼和金屬骨架構(gòu)成。德國(guó)格羅布宇航公司制造的“SPn Utility Jet”，載客9人，空載重量在3630kg以下，航程在3400km，滿載情況下起飛跑道要求僅為915m，機(jī)身由法國(guó)播舍公司提供的機(jī)制織物（鋪層角為0~90°、±45°）和單向纖維布制成，基體為環(huán)氧樹(shù)脂[3]。 copyright 123456

3 公務(wù)機(jī)
越來(lái)越多的復(fù)合材料被用在了繁忙的公務(wù)機(jī)上，各國(guó)的飛機(jī)制造商則紛紛研制新型的全復(fù)合材料公務(wù)機(jī)搶占未來(lái)市場(chǎng)。
美國(guó)豪客比奇公司的“首相Ⅰ”，由于機(jī)身為碳纖維蜂窩復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，除去所有的整體機(jī)身框架，蒙皮僅厚20mm，相對(duì)于常規(guī)制造客艙容積增加13%。
亞當(dāng)公司的超輕型噴氣機(jī)A700和裝備了活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的A500，飛機(jī)大部分是由碳纖維增強(qiáng)Nomax蜂窩夾心復(fù)合材料制成，部分地方使用了玻璃纖維增強(qiáng)。以A700為例，其載客數(shù)為 6~7人，用AGATE認(rèn)證的預(yù)浸料進(jìn)行拼接（預(yù)浸料來(lái)自東麗公司），并相應(yīng)開(kāi)發(fā)了可以對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行二次加工的銑床。復(fù)合材料層合板是碳纖維或玻璃纖維織物增強(qiáng)Nomax夾心材料，真空袋成型，從機(jī)頭到機(jī)尾的艙壁、翼梁底座、窗戶框和門(mén)框都是共固化成型的。翼梁則由單向碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制造而成，而翼梁抗剪腹板則是有多向的碳纖維織物增強(qiáng)復(fù)合材料制成。為了消除閃電擊中的電弧作用，燃料箱是由玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制成，碳纖維翼梁與蒙皮之間也用了一層玻璃纖維隔開(kāi), 售價(jià)在100萬(wàn)~250萬(wàn)美元[4]。 本文來(lái)自123

塞斯納750“獎(jiǎng)狀”是美國(guó)塞斯納飛機(jī)公司研制的一種高速遠(yuǎn)程公務(wù)機(jī)，其最大馬赫數(shù)可達(dá)0.92，機(jī)翼懸臂式下單翼，整體機(jī)加壁板式翼蒙皮，所有的控制面，擾流板、減速板和襟翼均由復(fù)合材料制成。“灣流”G250的一體化方向舵（長(zhǎng)2.8m，寬1.1m，厚25.4mm）是一個(gè)集翼肋、翼梁、方向舵外殼及防雷擊裝置為一體的共同模塑的整體化結(jié)構(gòu)，采用Carlson設(shè)計(jì)公司生產(chǎn)的自動(dòng)化裁剪設(shè)備及對(duì)多層碳纖維及玻璃纖維無(wú)屈曲織物（NCF）型增強(qiáng)材料進(jìn)行裁剪[5]。另一款來(lái)自龐巴迪的全復(fù)合材料飛機(jī)里爾85計(jì)劃在2013年投入使用，里爾85 全復(fù)材機(jī)身不僅減輕重量，減少維修成本，而且獲得了更好的氣動(dòng)性能和降噪效果。

4 農(nóng)林飛機(jī)
農(nóng)林飛機(jī)多由輕型飛機(jī)改裝而來(lái)，大多采用冷活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，要求能在土跑道起飛，超低空機(jī)動(dòng)飛行，成本低等，因此在農(nóng)林飛機(jī)出現(xiàn)伊始，很多二戰(zhàn)后退役的飛機(jī)被改裝成農(nóng)林飛機(jī)。 copyright 123456
農(nóng)林飛機(jī)速度低，高度也低，并且要求控制成本，因此一般不采用復(fù)合材料或者僅采用玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料以減輕重量，例如波蘭飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)工業(yè)集團(tuán)華沙工廠研制的PZL-106“渡鴉”采用了玻璃鋼翼尖，機(jī)翼前緣縫翼采用了泡沫芯材的玻璃鋼夾層結(jié)構(gòu)。農(nóng)林飛機(jī)一般都攜帶有藥箱，藥箱則多為玻璃鋼結(jié)構(gòu)，并在機(jī)身骨架涂有聚氨酯以防止腐蝕和防塵。

5 水上飛機(jī)
水上飛機(jī)是能在水面上起飛、降落和停泊的飛機(jī)，其中有些也能在陸上機(jī)場(chǎng)起降。水上飛機(jī)用途廣泛，在民用方面可用于運(yùn)輸、森林消防、航空旅游、飛播造林、醫(yī)療救護(hù)等，比較有名的有中國(guó)的水轟5、日本的US-1、美國(guó)的PBY-5、加拿大的CL-415、俄羅斯的Be-103，值得一提的是多尼爾海星馬來(lái)西亞公司的“海星”CD2，其復(fù)合材料用量很大，機(jī)翼為懸臂式下單翼，高升力機(jī)翼外側(cè)前緣下垂，采用玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和泡沫夾心材料，具有碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制成的前、后梁，尾翼由玻璃鋼制成，常規(guī)尾翼，裝電驅(qū)動(dòng)可變安裝角平尾。 123456

6 旋翼機(jī)
旋翼機(jī)是指利用動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)旋翼提供升力、推進(jìn)力和操作力的飛行器，目前通用航空中使用的旋翼機(jī)主要是直升機(jī)，民用側(cè)轉(zhuǎn)旋翼機(jī)BA609正在研制，還未投入市場(chǎng)。
旋翼機(jī)的使用已經(jīng)相當(dāng)普遍，主要應(yīng)用領(lǐng)域有：旅客運(yùn)輸、海上油井服務(wù)、漁業(yè)作業(yè)、緊急救援、環(huán)境監(jiān)測(cè)、城市治安管理、醫(yī)療救護(hù)等等。現(xiàn)在新型的直升機(jī)幾乎都采用了復(fù)合材料旋翼，機(jī)身也多在采用復(fù)合材料代替部分金屬材料，比如西科斯基飛機(jī)公司的S-92，4片槳葉全復(fù)合材料旋翼，槳尖后掠，其機(jī)身主要由鋁和復(fù)合材料制成，復(fù)合材料約占40%。歐洲直升機(jī)公司的EC135，4片槳葉安裝在可控復(fù)合材料柔性臂上，機(jī)身殼、框、艙門(mén)、水平安定面及端板均采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料大部分是芳綸或碳纖維蜂窩結(jié)構(gòu)[6]。德事龍集團(tuán)貝爾加拿大直升機(jī)公司在貝爾230基礎(chǔ)上研制的貝爾430采用全復(fù)合材料4槳無(wú)鉸無(wú)軸承旋翼系統(tǒng)，旋翼槳葉由不銹鋼大梁、前緣包條和玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料蒙皮組成，在大梁和后緣之間填充Nomax蜂窩[7]。在汶川大地震堰塞湖搶險(xiǎn)中立下大功的俄米26直升機(jī)，其尾槳由5片玻璃鋼制槳葉組成。歐洲直升機(jī)工業(yè)公司的EH101使用了PMI聚甲基丙烯酰亞胺硬質(zhì)泡沫填充的直升機(jī)旋翼葉片[8]，EH101還是新美國(guó)總統(tǒng)專機(jī)“海軍一號(hào)”的備選機(jī)型，該公司的EC135和NH90也是用了此項(xiàng)技術(shù)。另外，NH90的扭力臂和縱向推力桿的中心凸耳RTM工藝成型，使用了來(lái)自德國(guó)Heek-Nienborg的機(jī)織織物預(yù)成型體。纖維使用東麗公司的T300-12K碳纖維[9]。 copyright 123456

通用飛機(jī)用復(fù)合材料的市場(chǎng)

預(yù)計(jì)在未來(lái)20年內(nèi)，世界上大約需要通用飛機(jī)56916架( 含民用直升機(jī))。專業(yè)人士認(rèn)為中國(guó)每年至少應(yīng)有250架公務(wù)機(jī)和數(shù)百架私人飛機(jī)的市場(chǎng)潛力。未來(lái)10年國(guó)內(nèi)對(duì)各類通用飛機(jī)的需求量很大，保守預(yù)測(cè)應(yīng)在1500架。據(jù)估計(jì)[10]，2007年通用飛機(jī)用復(fù)合材料的市場(chǎng)為7億美元，而到了2008年，這個(gè)數(shù)字增加了16.7%，達(dá)到了8.17億美元，根據(jù)遺傳算法計(jì)算等到了2014年，通用航空用復(fù)合材料市場(chǎng)將達(dá)到峰值而超過(guò)11億美元。


整體成型的復(fù)合材料公務(wù)機(jī)機(jī)艙

各國(guó)大力發(fā)展復(fù)合材料通用飛機(jī)

歐美的通用飛機(jī)發(fā)展已經(jīng)有相當(dāng)長(zhǎng)的歷史，特別是美國(guó)，2004年，美國(guó)通用飛機(jī)總數(shù)在約22萬(wàn)架，美國(guó)為了讓復(fù)合材料能夠在通用航空中得到更廣泛的應(yīng)用，由飛機(jī)制造商與材料供應(yīng)商、研究大學(xué)和聯(lián)邦航空局（FAA），美國(guó)航空宇航局（NASA）在先進(jìn)通用航空技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（AGATE）[11]建立了可使用復(fù)合材料的數(shù)據(jù)庫(kù)，并由FAA 核準(zhǔn)相關(guān)材料的技術(shù)細(xì)節(jié)。一旦選用了數(shù)據(jù)庫(kù)中的材料，就可以簡(jiǎn)短研發(fā)周期，減少實(shí)驗(yàn)數(shù)量從而節(jié)約研發(fā)經(jīng)費(fèi)( 據(jù)統(tǒng)計(jì)可以大約節(jié)約實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)50%)[12]。

本文來(lái)自123

歐洲諸國(guó)以及加拿大、日本均采取了航空公司與復(fù)合材料公司緊密合作的機(jī)制，廣泛進(jìn)行企業(yè)間以及國(guó)家間的合作，奎奈蒂克（英國(guó)國(guó)防科技公司）的海王直升機(jī)就使用了由美國(guó)賓夕法尼亞州的卡爾森直升機(jī)工廠提供的復(fù)合材料直升機(jī)旋翼葉片。龐巴迪的里爾85飛機(jī)項(xiàng)目更是擁有超過(guò)30家的供應(yīng)商。


歐直公司的EC175

印度雖然在復(fù)合材料領(lǐng)域的技術(shù)并不先進(jìn)，但是由于通用航空用復(fù)合材料的技術(shù)門(mén)檻較低，印度也進(jìn)行了這方面的嘗試，并取得了很好的成績(jī)。早在2004年，印度就在班加羅爾的航空宇航技術(shù)實(shí)驗(yàn)室完成設(shè)計(jì)和制造一架全復(fù)材兩座的輕型飛機(jī)。這架名為HANSA-3的輕型飛機(jī)主要用來(lái)訓(xùn)練領(lǐng)航員以及航空運(yùn)動(dòng)。這架飛機(jī)也能用于航空拍攝。海岸巡輪以及環(huán)境監(jiān)測(cè)。整個(gè)機(jī)身除了起落架部分和發(fā)動(dòng)機(jī)部分，是一個(gè)整體的復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)，是由玻璃纖維和硬質(zhì)泡沫芯材真空袋固化成型的，翼梁則用碳纖維。 123456
相比之下，中國(guó)通用飛機(jī)的發(fā)展就顯得比較緩慢，通用飛機(jī)用復(fù)合材料的使用也較少。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，對(duì)通用飛機(jī)的需求呈現(xiàn)出指數(shù)形式的增加，這對(duì)中國(guó)通用飛機(jī)及其使用的復(fù)合材料的發(fā)展將是一種巨大的推動(dòng)。日前，新成立的中航通用飛機(jī)公司成功收購(gòu)了美國(guó)西銳公司，希望中國(guó)的通用航空事業(yè)能夠在新的時(shí)期蒸蒸日上，更好地為社會(huì)服務(wù)。


參 考 文 獻(xiàn)
[1] 胡問(wèn)鳴.通用飛機(jī)[M].北京：航空工業(yè)出版社.2008：2.
[2] 陳亞莉.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在通用飛機(jī)上的應(yīng)用.http://www.cnfrp.net/news/echo.php?id=30097,13/10/2008.
[3] Sara Black.Light Jets Yet AnotherCategory. http:// www.compositesworld.com/articles/light-jets-yet-another-category,01/01/2006.
[4] George Marsh. Taxi!How compositesmay help in calling up new airborne cabs.Reinforced Plastics.2005, 49(11):20-24.
[5] 韓秀峰.G250商務(wù)機(jī)的一體化方向舵. http://www.frponline.com.cn/News/detail_24683.html,18/01/2010.
[6] Niesl G，Arnaud, G.Low noise designof the EC 135 helicopter. AHS, Annual Forum,52nd, Washington, DC, UNITED STATES:4-6June 1996.pp.32-44.1996.
[7] Samiran Saha. How safe is Bell 430.http://www.hindustantimes.com/How-safe-is-Bell-430/Article1-449874.aspx,09/03/2009.
[8] Helicopter rotor blades benefit fromRohacell. Reinforced Plastics.1999,43(9):4.
[9] Dale Brosius.Complex CompositesL ighten Nato Copter.High-Perormance
Composites.03/01/2003.
[10] Chris Red.Aviation Out look:Composite aerostructures in General Aviation.
High-Performance Composites.2008,6 (28).
[11] Barry Berenberg. AGATE MethodologyProves Its Worth. http://www.compositesworld.com/articles/agate-methodology-proves-itsworth,
05/01/2003.
[12] George Marsh. Flying high,with theself-build movement. Reinforced Plastics. 2002,
46 (1):26-30.（責(zé)編　曉立）