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航空复合材料:关键技术成最大软肋

发表时间:2010/11/16

  当前评价一架民用飞机先进性的关键性指标就是看航空复合材料在飞机制造上应用的比例,这是近40年来世界航空制造业发展的一个大趋势。接受记者采访的多位国内航空工业专家认为,我国落后的航空复合材料研制技术很可能成为自主品牌民用飞机市场竞争中最大的软肋,会给我国航空工业造成巨大的风险。

  飞机研制迎来质的变化

  空客公司及波音公司双双暗示,将在窄机身飞机上继续扩大复合材料的应用。由于目前窄机身飞机占全球运输机队的70%,这将急剧加速复合材料的革命,对航空供应链产生巨大冲击。

  纵观世界航空制造业的发展历史,近百年来飞机由双翼机变成单翼机、机械式零部件被电子器件替代、螺旋桨飞机演变成喷气式飞机,其快速的技术发展让人瞠目。但在航空制造业发展前期,有一项技术始终维持不变,这就是飞机机体、发动机以及关键零部件均由全金属材料制造。直到上世纪70年代,飞机研制迎来了一个质的变化,开始进入航空复合材料时代。

  产生这个巨变的首要原因是用航空复合材料替代金属材料可使飞机减重10%-40%,结构成本降低15%-30%。显然,减重和降低成本对于以高油价为特征的航空市场减少排放以及提高航空产品的市场竞争力都极其重要。

  复合材料首先出现在军用飞机上,特别是要求高推重比以及隐身的战斗机及攻击机上。到2010年,空客的军用运输机A 400M复合材料用的总量已占到飞机空重的35%,其标志是出现了全复合材料机翼。

  在民机方面,现已实现商业运营的A 380飞机,其结构重量的1/4采用了复合材料,一架A 380用到的结构复合材料已达到30吨之多。而即将进入市场的波音最新研制的B787飞机,复合材料用量将占结构重量的50%,其标志是出现了全复合材料机身。

  受B787飞机的刺激,目前空客公司正在研制的新机型A 350X W B的复合材料用量也将增加到53%。空客公司及波音公司还双双暗示,将在窄机身飞机上继续扩大复合材料的应用。这些飞机将在今后几十年内最终取代广泛使用的B737和A 320飞机。由于目前窄机身飞机占全球运输机队的70%,这将急剧加速复合材料的革命,对航空供应链产生巨大冲击。

  另外,复合材料革命对飞机维修供应链也会有巨大的影响。高复合材料含量的飞机将驱动飞机维修程序发生重大变化。波音公司认为,由于采用主承力复合材料结构,波音787与A 380相比,航线检修减少了14次,C检减少了两次,4C检减少了一次。此外,波音787的航线维修检的目标间隔是每1000小时一次,比波音777高出了400小时。高复合材料的发动机也从更高的可靠性以及更宽松的检验获益。由于使用高复合材料,11年内将只有三块G E90发动机的复合材料风扇叶片更换,比现有的发动机维修经济得多。随着复合材料维修市场不断扩大,航空公司今后将可以看到其单机的维修总支出不断下降。

  今后飞机复合材料的应用必将会越来越广泛。虽然金属还不会立刻从飞机设计上消失,但在将来的飞机设计中,金属将作为“例外”而非作为“常规”存在,在复合材料不充足时才会用金属材料代替。

  这种飞机材料应用的转变对飞机研制来说无疑是质的变化,业内人士认为,这标志着世界航空制造业从“青铜时代”转入了“铁器时代”,是世界航空制造业发展史上的一次跳跃性的技术革命。

  国外对我严密封锁关键技术

  我国目前只掌握了性能较低的碳纤维航空复合材料制造工艺,其强度指标远远不够,无法用于飞机主件的材料供给,且制造成本也远高于西方国家。

  飞机复合材料的时代已然到来,然而我国由于技术力量薄弱,至今仍不具备高性能航空复合材料的研制能力,加上国外对我严密封锁航空复合材料的关键技术,我国自主品牌民用飞机在航空复合材料方面存在着巨大的弱点,严重地影响了我国自主品牌民用飞机的竞争力。

  长期关注飞机材料研发的原航空部第一批研究员高工杨超凡告诉记者,目前,以美国、日本为代表的西方发达国家已掌握了T 800、T 1000等高性能碳纤维航空复合材料工艺,其中T 800已广泛用于波音787飞机。而我国经过30年的努力,只掌握了性能较低的碳纤维航空复合材料制造工艺,其强度指标远远不如T 800,无法用于飞机主件的材料供给,且制造成本也远高于西方国家。

  更让人忧虑的是,为限制中国飞机工业的发展,目前西方国家在航空复合材料上还对我国实行严格禁运。据我国一家飞机制造公司从事航空复合材料应用的一位资深专家介绍,目前我国从日本、美国拿到航空复合材料的技术非常难,这两个国家对我们防范得很紧。而且我国现在要想买T 800这样高性能航空复合材料也非常困难,“即使西方国家出售给你,也要全程监督。”

  在这种情况下,我国目前正在研制的自主品牌民用飞机的主部件都无法用航空复合材料来制造,用的还是金属材料,这使得我国的自主品牌民用飞机市场竞争力遭到了极大的削弱。如A R J21飞机用的复合材料非常少,而其竞争对手日本的MA J支线飞机由于大量采用了航空复合材料提高了其飞机的性能,对A R J21的威胁非常大。

  大型客机的市场问题同样严峻。受材料的限制,我国大型客机C 919航空复合材料应用比例最高可能不会超过20%,且只用于次承力件,而波音、空客目前已在主承力件使用航空复合材料。尤其是波音公司,其737飞机的后继型今后很可能会大量使用航空复合材料,使飞机更加轻便、经济性更好。

  可通过资本运作获取应用技术

  航空复合材料的研发技术国外是非常保密的,但是在应用技术上对我国相对来说还开放一些,我国可以通过资本运作、并购国外公司来获取其先进技术。

  鉴于航空复合材料对我国自主品牌民用飞机非同寻常的意义,国内很多航空工业专家都建议,我国应尽快多方面采取措施突破航空复合材料研制的困境。

  具体而言,一是要继续立足自主创新加快国内航空复合材料的研制进度。航空复合材料的核心技术是绝不可能从西方国家买到的,我国应在现有的研制技术基础上进一步汇集全国的力量,加快对航空复合材料关键技术的大规模攻关,尽力缩短与国外的差距。

  二是可发挥我国在航空复合材料技术上的比较优势换取国外先进技术。我国在航空复合材料研制上也经过了多年的努力,虽然从整体来说研制能力远不如西方国家,但是在一些具体的技术上还是取得了一些成就,有的还拥有较大的技术优势。这样,我国就有可能通过一些有比较优势的技术,来换取西方发达国家航空复合材料的其他先进技术。

  三是可通过资本运作并购国外公司获取复合材料应用技术。我国航空复合材料与国外的差距不仅体现在材料本身的研发技术上,还体现在应用技术上。航空复合材料的研发技术国外是非常保密的,但是在应用技术上对我国相对来说还开放一些,我国可以通过资本运作、并购国外公司来获取其先进技术。

  四是可抓住国际航空复合材料产业转移的机遇获取有效技术。近年来由于中东、东欧、墨西哥、印度、中国等国家大力发展航空工业,国际航空复合材料产业出现了由发达国家向低成本国家转移的趋势,一些附加值高的航空复合材料应用技术也出现向这些国家转移的趋势。我国应抓住这一历史机遇,尽量从西方发达国家手中获得一些先进的应用技术。

(来源:经济参考报)