复合材料在航空领域中应用

 波音787（Dreamliner）中型双发（动机）宽体中远程运输机，是波音公司（Boeing Co.）1990年启动波音777计划后14年来推出的首款全新机型，由波音民用飞机集团（BCA）负责开发，在2004年4月正式启动。经多次延期后，于美国时间2009年12月15日成功试飞，标志着波音787飞机的制造项目进入交付使用前最后一个阶段，预计2010年交付使用。2011年9月27日零时20分，波音787“梦想飞机”交付全日本航空运输公司（All Nippon Airways Co.，简称“全日空”），预计2012年中旬中国将迎来自己的波音787。 123456

图1：A380

    空中客车A380（Airbus A380）是欧洲空中客车公司（Airbus S.A.S.）研制生产的四发550座级超大型远程宽体客机，空中客车A380投产时也是全球载客量最大的客机，空中客车A380有“空中巨无霸”之称。 2010年8月1日，中国首条空中客车A380定期航线正式启用。2011年10月17日，空中客车A380飞机将正式执行第一个载客飞行任务，首飞北京 ——广州——北京航线。 123456

    空中客车A380是空中客车公司应对波音公司747所推出的新型超级民用大航程飞机，空中客车公司开发500-800座级大型民航运输机，意在抢夺由波音747 把持的大型客机市场，空中客车公司提出了对未来民用航空发展的推断：未来世界民航运输机发展将继续向大型化发展，并以此提出了“枢纽/辐射”的理念，即旅 客通过支线航班汇聚到枢纽机场，再由大型运输机运送到另一枢纽机场，最后再乘坐支线客机到达目的地。空中客车公司认为，改善21世纪空中交通拥挤的最好办 法是增加运力。

    波音787是同时期波音公司推出的一款中长航程的，最新技术，最经济性，最舒适性的民用客机，200座至300座，6500至16000公里航程，大量的复合材料，更低油耗更先进的抑制噪声设计技术，更低的客舱高度，空气系统，更高的可靠性，较低的维修成本，可实现点对点的更多城市的不经停直飞，打破了一般大型客机与长航程挂钩的定律，使得航空公司在航线使用上有更加的灵活性，和更优经济性效益。 内容来自123456
 

 所以综合以上：这两款飞机不能相互做比较，但是在技术上有他们各自的优点和共同之处。
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图2：A380发动机

    参数方面： 本文来自123

    A380 内容来自123456

    尺寸： 123456

    长度73米、翼展79.8米、高度24.1米

　　机翼面积845㎡ 123,123

　　机舱宽度（中层）6.58m（21ft 7in）、（上层）5.92m（19ft 5in）

    重量：

　　空机重量280,000公斤617,300磅

　　最大起飞重量560,000公斤1,235,000磅 123,123

　　客运： 123456

　　载客525人（3级客舱布局）、644人（2级客舱布局）、853人（1级客舱布局）

　　最大酬载90,800 kg 123456

　　动力：

　　发动机4台涡轮风扇喷气式发动机罗尔斯-罗伊斯公司Trent900或发动机联盟GP7200

　　推力1,208 千牛顿271,560 磅力 123456

　　最大燃油容量310,000 L（81,890US gal）

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　　性能： 本文来自123

　　巡航速度0.85马赫（约902公里/小时）约551英里/小时 本文来自123

　　最高巡航速度0.89马赫（约945公里/小时）约587英里/小时

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　　飞行距离15,100公里9,383英里

　飞行高度13,100米43,000英尺 123,123

　　空载降落滑行距离2000米

　　机型787-3、787-8、787-9

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　　机组驾驶员人数2人

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　　座位数290-330、210-250、250 -290长度55.5-61.6米

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　　翼展50.3-58.8米 本文来自123

　　后掠翼32.2° 本文来自123

　　高度16.92m 123456

　　机身高5.91m copyright 123456

　　机身宽5.75m

　　座舱宽5.49m 123,123

　　载货容量124.6立方米-152.9立方米

　　空重101,151kg、109,769kg、115,213kg

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　　最大起飞重量165,108kg、219,539kg、244,940kg

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　　巡航速度0.85马赫（903 km/h,561英里（mph），487节（knots））
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图3：波音

787驾驶舱 123,123

　　波音

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787

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    最大速度0.95马赫（1010 km/h，631 英哩，553节） 123456

　　满载航距4,650-5，650km、14,200-15,200km、14,800-15,750km

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　　最大燃油容量126,918 L-138,898 L 内容来自123456

　　发动机（×2）通用电气GEnx或劳斯莱斯（Rolls-Royce）Trent1000

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　　最大推力235.8kN、284.7kN、311.4kN 本文来自123

    首先：空中客车A380比波音787长约12米，宽约20米，所以可以说波音787 较为修长，但是空中客车A380采用上、（客舱）中（客舱）、下（货仓），三舱设计，所以载客更多，由于这么多的载客量，所以机身庞大，但是机翼又不能太 大，所以将翼展和机身长度限制在80*80的范围内，所以如此设计就需要强大动力，选配了四台罗罗公司的TRENT900或者Engine Alliance GP7200 ，而波音787选装两台TRENT1000，涵道比达到10，更低的噪音设计，更加经济环保。两者都大量采用复合材料波音787多采用碳纤维，而空中客车A380采用了新型的GLARE玻璃纤维增强铝材料这使得机体更加的轻，更加坚固。各自的操作沿袭各自的风格，空中客车A380的电传操纵和较高的可维护性，波音787的机械操纵和较高可靠性。使得飞行员同系列学习转型比较容易。

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 两者都强调大空间，舒适性，和强大的娱乐系统，波音787的复合材料使得它能将客舱高度从传统的8000降到6000，为旅客带来更舒适的乘坐环境。 copyright 123456

　现代先进的民航客机越来越多的采用复合材料，这是一个发展趋势，先看看波音787的复合材料的相关描述。

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　　波音公司在波音787上使用了“音速巡航者”所提出的技术以及机体设计，并决定在7E7的主体结构（包括机翼和机身）上大量采用先进的复合材料。波音787拥有多项技术创新，其中最引人注目的是波音787 机体结构的一半左右都用更轻、更坚固的碳纤维合成材料代替铝合金，是第一款以碳纤维合成物为主体材料的民用喷气式客机。一方面是因为金属能够隐藏损伤问 题，这种损伤很难发现，直到碎裂时才会被发现，而合成材料就不存在这种问题；另一方面，用合成材料制造的机身比较轻，这使得波音787将比现在的飞机节省燃油，而且也可以节省在维护方面的花费。这种合成材料类似于一级方程式赛车中所使用的碳纤维合成材料。 123456

　　1985年，空中客车公司率先将这种合成材料用于飞机制造，制造空中客车A310客机的尾翼，随后空中客车公司还将这种合成材料用于制造空中客车A350客机的机翼。波音787将这种技术全面运用到波音787飞机上，机身、机翼等主要的部件，都采用这一新技术，重量比例将超过50%，此前这个比例只有20%。复合材料也大量应用在发动机的叶片、发动机罩等部份。波音787也因这种新技术的广泛应用而被称作“梦想”飞机（ 使用物料（按重量）：61%复合物料（碳纎维），20%铝，11%钛，8%钢）。 123,123

 

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　　空中客车A380与之前的飞机相比，空中客车A380在更大范围内采用了复合材料，引入了许多新的系统和工业工艺技术。改进了气动性能、飞行系统和航空电子设备，使之为二十一世纪的第一个10年树立了标准。
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图4：A380客舱 123456

    空中客车A380 123,123

在使用复合材料方 面，空中客车A380在研制中使用了创新的GLARE（玻璃纤维增强铝材料）材料，与传统铝材料相比，重量轻、强度高、抗疲劳特性好，维修性能和使用寿命 也得到大大改善，不需要特别的加工工艺。飞机约25%由高级减重材料制造，其中22%为碳纤维混合型增强塑料 （CFRP），3%为首次用于民用飞机的GLARE纤维-金属板。空中客车A380首次采用了复合材料碳纤维制成的连接机翼与机身的中央翼盒。此外，空中客车A380还首次在后压力舱后部的后机身采用了复合材料。 123456

　　除复合材料外，空中客车A380还大量采用了先进金属材料，这些材料提供的好处包括操控可靠和易于维护。每一种材料都将根据不同部件预计将承受负荷、压力和损坏程度而优化使用。 本文来自123

　　空中客车A380项目采用了在空中客车A318客机上首次应用的激光束焊接技术，这一技术替代了铆钉焊接法。

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　　空中客车A380采用了每平方英寸5000磅压力的液压系统，与一般民用飞机采用的每平方英寸3000磅压力的液压系统相比，前者可提供更大的动力。压力的增加意味着可使用较小的管道和液压部件传输动力，减轻了重量。 copyright 123456

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　　由此可见，大量采用复合材料是未来民用飞机的发展趋势，不仅可以使飞机运载更多的燃油，旅客，货物，更能增加机身强度，使得飞机更加坚固。
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图5：波音

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787下线

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　　发动机方面：

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　　空中客车A380可以选配罗尔斯-罗伊斯公司Trent 900或由通用电气公司与普拉特？惠特尼公司联营Engine Alliance的GP7200，两款均为应用在波音777客机上发动机的衍生产品，Trent 900是Trent系列发动机的第四代产品，为满足空中客车A380需求而设计的发动机。GP7200使用了GE90的内核及PW4090的涡轮扇及低压压缩机。 123,123

　　在销售方面，起初Trent 900销量占上风，及后GP7200销量上升，接近Trent 900的销量。

据悉，阿联酋航空空中客车A380将会采用最新的Engine Alliance GP7200型引擎，相比同类飞机每年也可节省50万公升燃油。

　　空中客车A380在地面使用时可只使用两台发动机进行滑行，并只使用两台反推和一套低噪音的辅助动力装置，有助于降低噪音。 本文来自123

　　在起飞阶段，空中客车A380的4台Trent 900发动机116英寸的风扇能以每分钟近3,000转的速度运转，叶片末端的运行速度达1,000英里/小时（1,600 公里/小时），是音速的1.3倍。

　　波音787的TRENT1000 ——干扰阻力最小的发动机 内容来自123456

　　波音的发动机合作伙伴-通用电气与罗尔斯·罗伊斯公司为波音787提供了新一代发动机技术。波音的专有技术与计算机流体力学（CFD）优化了发动机与波音787机身的整合，将干扰阻力降至最小，让这些技术进步的效益达到最优化。波音787新型发动机建立在成功的通用电气GE90与罗尔斯·罗伊斯遄达（Trent）发动机产品家族的基础上。这些产品家族历来以卓越的性能与可靠性著称。这两款发动机都将取得在“开箱”投入使用时进行双发延程飞行（ETOPS）认证。

　　波音787先进的发动机其函道比约为10，而当前发动机的函道比约为5。成倍增加的函道比，让波音787发动机的社区噪声更低，油耗显著减少。更低的排放与油耗，能降低波音787运营商的成本，减少飞机对环境的影响。短舱上的锯齿边大幅降低了后舱的减震舱噪声。机翼上装备的波音787发动机可互换，这样能尽可能减少构型与系统的易变性，实现更轻松、更经济的重新构型、升级以及飞机在不同机队之间过渡时的改装。这种标准化和简化的方式增加了收益潜能，降低了运营成本，并赋予波音787折现能力与较高的残值。 123456

　　发动机方面还是遵循大涵道比，低油耗，低噪音，更经济的发动机。 copyright 123456

  客舱和娱乐设施方面： 123,123

　　空中客车A380在典型三舱等（头等舱——商务舱——经济舱）布局下可承载555名乘客（其中上层机舱199人，下层客舱356人），采用最高 密度座位安排时可承载861名乘客。空中客车A380典型经济舱座位布置为下层“3+4+3”形式，上层为“2+4+2”形式。考虑到乘客的舒适性，空中 客车A380还使用了更高效的空气过滤设备。 内容来自123456

　　空中客车A380全双层宽体机舱设计为每一位乘客提供了更加宽敞的空间。机舱内的空气，每三分钟就可以更换一次。220个舷窗让机舱内享受更多的自然光。 copyright 123456

　　空中客车A380的机舱配备了为客机研发的最先进的机上娱乐系统，光纤配电网络使电影、视频游戏和电视节目的选择更加灵活完备。在飞机上乘客还 可以使用便携式计算机和打电话。有更多的开放空间，比如商务中心。底舱可选择为设置休息区、商务区、酒吧或其它的娱乐区，按照不同航空公司的需求，还可安 排其它设施，如理发店、卧铺、赌场、按摩室或儿童游戏场。宽大的空间可供头等舱内安排私人套间，甚至包括淋浴设施的浴室。 123456

　　客舱设计

　　航空旅行的相关调查揭示了对乘客飞行体验产生负面影响的各种症状与抱怨。调查结果直接影响了波音787系统的设计，使波音787的设计能营造更宜人的客舱环境，如更平稳的飞行、更低的座舱高度、更清新的空气以及更安静的客舱。提升整体的乘客飞行体验。 copyright 123456

　　●空气更清新

　　与当前的民用飞机相比，除了装备当前飞机使用的、用于消除细菌、病毒与真菌的高效空气粒子（HEPA）过滤器之外，波音787系统中还额外引入了一种新型气体过滤系统，用以去除异味、刺激物与气态污染物。这样能减少乘客头疼、头昏，以及因干燥引起的咽喉刺激与眼部刺激，波音787客舱的空气将更清新。 本文来自123

　　●更低的座舱压力高度

　　波音787的客舱最高压力高度为6,000呎，而不是其它飞机的8,000呎。高压氧舱试验表明，置身于压力高度为6,000呎的波音787客舱还能让乘客的血液多吸收8%的氧气，从而减少头疼与头昏，疲劳感减轻。铝制飞机因材料疲劳或重量原因而无法实现6,000呎的压力高度。波音787复合材料机身不会疲劳，因此，既能应对更低高度的座舱压力，又不对重量产生影响。

　●更高的客舱空气湿度 123,123

　　波音787的客舱更高的客舱空气湿度，以提升乘客舒适度。波音787客舱可比金属机身飞机中的空气湿度更高，且与载客率的大小无关。波音787的复合材料机身不会随着湿度的增加更易腐蚀。 123,123

　　●灯光设计 123456

　　波音787 客舱内以发光二极管（LED）提供照明，取代传统使用的荧光管。营造出头顶即是天空的感觉，天空特色的舱顶一直贯穿整个客舱，机组还可以在飞行中控制天空 特色舱顶的亮度和颜色。需要时，乘务员可以为乘客提供白天的感觉，而当乘客需要休息时，舱顶则可模拟夜色。机舱以重复的大弧度拱形结构、动态照明以及飞行 中可以由乘客调整透明度的电子遮光帘为特色，并利用可以变幻色彩及明亮度的LED数组营造出仿真“天空”的天花板效果。 123456

　　●舷窗设计 本文来自123

　　波音787的舷窗设计增大一倍，窗的位置亦更高，所以无论坐在飞机的什么位置，乘客都能看到地平线。窗中则以“液晶体”调较机舱的光暗，减少窗外射入的眩光及维持透明。 本文来自123

　　灯光自然节能，娱乐功能强大，舒适和大空间都是共同的特点，但是波音787独有的更低的客舱高度技术和空气过滤设备还是来自于机身的复合材料设计和现代设计技术的发展。

　　驾驶舱设计：

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　　驾驶舱

　　空中客车A380驾驶室 内容来自123456

　　空中客车A380的驾驶舱位于机身最前方在两层客舱中间的高度，采用双人体制，应用新式的交互式显示屏和由以太网连接的扩展性集成航空电子模 块。空中客车A380虽然采用了新设计，但同时保持了运营通用性的优点。空中客车A380具备与空中客车公司其它电传操纵系统飞机相同的驾驶舱布局、程序 和操作特性，从而减少了飞行员从一种空中客车飞机转换到另一种空中客车飞机所需的培训时间。

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　　驾驶舱有8个液晶显示器。包括2个主要飞航显示器（Primary Flight Displays，PFD）、2个导航显示器（Navigation Displays，ND）、1个发动机参数显示器（Engine Parameter Display）、1个系统显示器（System Display）和2个多功能显示器（Multi-Function Display，MFD），这2个多功能显示器为飞航管理系统（Flight Management System，FMS）提供操作界面。

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　波音787驾驶舱还与以波音777为代表的其它波音机型保持了通用性。波音787驾驶舱装备的是熟悉的波音操纵系统、显示器与程序。这一切，能在较短的时间内让机组从波音飞机家族其他机型改装到波音787，并能实现经济的混编机队飞行。在无需地面助航设备的情况下，波音787能够通过点到点的方式着陆到跑道的任何一端。波音787还拥有许多其它先进的功能，如综合通信、综合数据链、双重监视与保护系统及电气跳开关等等。

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　　波音787驾驶舱中集成了开放式构架设计，升级通过软件进行，而不需要进行更为昂贵的硬件更换或升级。通过“软键”菜单，能融合未来的管制要求与通信、导航、系统与空中交通管理等领域的变更与技术升级。

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　　波音787驾驶舱仅装备13个航线可更换组件（LRU），零部件及其成本仅相当于波音777和波音747 的一半。更少的零部件与更完善的设计，能降低运营成本，提高可靠性。五个多功能显示器实现了许多标准功能，如进行地面滑行的高清晰度的机场滑行道地图，以 及增强型垂直状况显示，提供进近区地形剖面图。每个显示器都能提供双窗口（分屏显示），或配置为提供大型策略地图。

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　　波音787驾驶舱装配了一整套导航与通信无线电设备及航空电子设备。无需额外的选装件和费用，也不必另行认证，波音787标准化飞机在交付时即可“投入运营”。双平视显示器（HUD）、非常大型的多功能平板显示器、双电子飞行包以及一个电子检查表，都是标准配置。 copyright 123456

　　■双平视显示器（HUD）：作为基本配置的双平视显示器，能让机长与副驾驶在更多地了解“驾驶舱外的情况”下飞行。无论能见度好坏，双平面显示 器都能增强所有飞机阶段的安全性，还能降低最低起飞能见度标准。双平视显示器能让副驾驶在成长为机长的过程中熟练掌握平视显示器的使用。 本文来自123

　　■双电子飞行包（EFB）：波音787 的双电子飞行包可通过触摸屏、边框按键、光标控制或键盘操作。其它航空电子设备、飞行管理计算机、通信设备与驾驶舱打印机，均有接口与电子飞行包相连。通 过提供标准化的软件套件，电子飞行包减少了大量的驾驶舱纸质文件。该软件套件包含各种机载维修功能、一个性能工具、电子日志及文件浏览器。电子飞行包还为 各种选装系统进行预留，如终端图、飞机视频监视，并能适应未来的改进
 

　驾驶舱的设计还是沿袭各自的风格，尽量降低飞行人员转型的难度！

　　总结：空中客车A380是现今最大的民用客机，波音787是一款波音推出的中长程的适合航空公司的经济性民用客机，两者都采用现今最先进的复合材料设计，更加经济环保的发动机，更加人性化舒适的客舱设计，更有效的飞行空气动力设计，使得我们未来的旅程更加的安全、舒适、快捷！ 123456

 

作者单位：大新华航空技术有限公司西北维修基地

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