国产大飞机C919结构材料应用有哪些“黑科技”？

 

C919大型客机是我国首次按照国际通行适航标准自行研制、自行制造、具有自主知识产权的喷气式干线客机。此项目于2007年立项，2017年首飞，最终于2022年9月29日完成全部适航审定工作，获得了中国民用航空局颁发的型号合格证，首架飞机将于2022年底交付中国东方航空。作为万众瞩目的大国重器，C919在先进材料的应用方面有众多的亮点。那么C919在结构设计方面，应用了哪些先进的“黑科技”材料？本文就带你一一进行解读。

 

飞机选材的首要目标是轻质化，相关数据表明，现代商用客机每减重一磅，可获得的直接经济效益高达800万美元。得益于大量先进材料的应用，C919飞机整体减重达到了7%左右，获得了非常可观的经济性。C919的材料选用充分考虑了轻量化、高可靠、长寿命、高效能和绿色环保等性能，兼顾了成熟性和先进性。C919飞机的各类材料应用比例见下图：

随着航空航天技术的不断进步，对飞机性能的要求也越来越高，同时飞机选材也越来越苛刻。国外先进大型客机的材料选用总体趋势是复合材料、钛合金的占比越来越大，而铝合金、钢的用量逐步降低。C919对标的国外同类机型是737MAX和A320NEO，相对而言，C919在复合材料、钛合金材料的应用比例显著提升，优势明显。下表是C919与国外主要机型的选材对比：

具体到机体各部件的选材上，C919的机头、大翼、缝翼、进气道等结构采用了铝合金，前机身和中、后机身采用了第三代铝锂合金，雷达罩、短舱、舵面、尾翼、机身后压力隔框、机身尾椎、小翼、翼身整流罩等结构采用了复合材料。C919机体各部分结构材料分布简明示意图如下：

大规模的第三代铝锂合金的应用，是C919结构选材的一大亮点，是名副其实的“黑科技”。铝锂合金具有低密度、高弹性模量、高比强度和高比模量等优点，还兼具较低的疲劳裂纹扩展速率、较好的高温及低温性能等特点。同时，相比复合材料，在抗冲击、塑性和修复性等方面的性能良好，是现代航空航天器及产品设计中最具竞争力的先进材料，也是新一代飞机较为理想的结构材料。
 

目前铝锂合金已发展到第三代，第四代高性能合金正在研制中。与第二代铝锂合金相比，第三代铝锂合金具有较传统铝合金更为优异的强度、韧度、耐损伤性能等优点，同时解决了第二代铝锂合金的各向异性问题，材料的屈服强度提高了40%。C919飞机的机身蒙皮、长桁、地板梁、座椅滑轨、边界梁、客舱地板支撑立柱等结构都使用了第三代铝锂合金，其机体结构重量占比达到7.4%，在国际上属于领先水平。C919机身第三代铝锂合金的应用位置示意图如下：

下图为使用第三代铝锂合金制造的C919前段机身和中后段机身：

C919大型客机广泛采用了高性能钛合金材料，机身的关键承力件主要使用钛合金，是我国第一次在一款民用飞机上大量使用钛合金。钛比钢的密度小40%，而强度和钢的相当，可以大大减轻飞机的重量，从而显著提高结构效率。同时，钛具有良好的耐热性、耐腐蚀性、抗弹性和成形加工性，被誉为“太空金属”。钛合金在飞机中的使用量也是衡量其先进性的重要指标之一，飞机越先进，钛的用量越多。C919钛合金用量占全机结构重量的9.3%，而同级别的波音737和空客A320飞机钛合金用量分别为4%、4.5%。C919的前机身压力隔框、机头、吊架、中央翼缘条、尾翼接头和襟翼滑轨等部位均使用了钛合金。钛合金在C919上应用的主要部位及制品形式如下图所示：

先进复合材料具有高比刚度、高比强度、性能可设计、抗疲劳性和耐腐蚀性等优点，越来越广泛地应用于各类航空航天飞行器，大大地促进了飞行器的轻量化、高性能化和结构功能一体化，是除铝合金之外最重要的航空和航天材料。复合材料用量是判断民用客机先进性的重要指标。先进复合材料在C919飞机上的大规模应用，在我国民机领域尚属首次，其应用的部件包括水平尾翼、垂直尾翼、翼梢小翼、后机身段、雷达罩、副翼、扰流板和翼身整流罩。C919复合材料用量占全机结构重量的12%，而同级别的波音737和空客A320飞机复合材料用量分别为1%、5.5%。

另外值得一提的是，C919是国内首个使用T800级高强碳纤维复合材料的民机型号。T800材料采用增韧环氧树脂基体，增强纤维为T800碳纤维，拉伸强度和拉伸模量较T300提高50%左右，同时具备更强的韧性和更好的抗冲击性，也是目前国际上民机主承力结构应用最为广泛的复合材料。C919上受力较大的部件，如后机身和水平尾翼、垂直尾翼等部位都使用了T800级碳纤维复合材料。
 

相比碳纤维复合材料，玻璃纤维复合材料的力学性能稍低，但由于碳纤维介电常数较高，会影响雷达工作，因此C919大型客机的雷达罩使用了玻璃纤维复合材料。另外一些受力较小的部件，如翼身整流罩也使用了玻璃纤维复合材料。C919的舱门和客货舱地板使用了芳纶蜂窝材料，芳纶蜂窝材料具有高韧性，良好的抗疲劳、耐腐蚀和防火性能，是一种比较理想的民机复合材料。复合材料在C919飞机上的应用部位示意图如下：

大规模的先进材料在国产大飞机C919上的应用，在我国材料领域具有里程碑式的意义。第三代铝锂合金、高性能钛合金、先进复合材料的大规模应用，使C919在同类机型中优势尽显，“黑科技”满满。C919选用的材料均为国际上先进和成熟的产品，将使飞行更安全、更经济、更舒适和更环保。“实践是检验真理的唯一标准”，随着C919的商业交付和大规模量产，在运行实践中必将积累更多的先进材料应用经验，相信我国的航空材料技术将会随着国产大飞机C919的成功运营而“一飞冲天”，让我们拭目以待！

注：以上内容仅作知识了解，不作为工作依据。