C919大型客机机身及发动机材料大剖析

2017-06-13 17:04:36 作者：本网整理来源：粉体圈分享至：

2017年5月5日星期五，国产大型客机C919在上海浦东国际机场实现了首飞，这标志着我国民用航空领域的一次重大跨越。作为国产大型客机C919而言机体材料的选择至关重要。

图1国产大型客机C919首飞照片

1. C919大型客机设计特点

C919客机属中长途商用机，基本布局如图2所示。

图2 C919大型客机基本布局图

C919国产大型客机的设计特点主要包括以下几个方面：

在使用材料上：

C919将采用大量的先进复合材料、先进的铝锂合金等，其中复合材料使用量将达到20%，再通过飞机内部结构的细节设计，把飞机重量往下压缩，另外，C919将会使用占全机结构重量20-30%的国产铝合金、钛合金及钢等材料，充分体现了C919大型客机带动国内基础工业的能力与未来趋势。同时，由于大量采用复合材料，较国外同类型飞机80分贝的机舱噪音，C919机舱内噪音可望降到60分贝以下；

在减排方面：

C919将是一款绿色排放、适应环保要求的先进飞机，通过环保的设计理念，有望将飞机碳排放量较同类飞机降低50%；

舒适性是C919机舱设计的首要目标

机舱座位布局将采用单通道，两边各三座，其中中间的座位空间将加宽，有效地缓解以往坐中间座位乘客的拥挤感。据官方资料表示，C919采用先进的环控、照明设计，提供给旅客更大观察窗，更好的客舱空间，提供给旅客更好的舒适性；同时降低剖面周长0.326%，降低剖面面积0.711%，机身结构重量降低26.7kg；

C919采用四面式风挡

该项技术是国际上先进的工艺技术，目前干线客机中只有最新的波音787采用，它的风挡面积大，视野开阔，由于开口相对少，简化了机身加工工业，减少了飞机头部气动阻力。但是工艺难度相对较大，机头需要重新吹风，优化风挡位置和安装角，同时也有风挡玻璃面积相对较大，制造工艺复杂，成本较高。同时该设计对机头受力和风挡间承力支柱强度提出了更高要求；

C919客舱布局

C919采用了5000 PSI（磅/平方英寸）压力的液压系统，与一般民用飞机采用3000 PSI（磅/平方英寸）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。

2. C919机身材料

为了保证国产大型客机C919的顺利首飞，机身材料的选择至关重要。C919大型客机机身材料的选择原则为：

·满足飞机不同部位的设计准则要求，主干材料体系基于当前先进客机使用的主流产品，兼顾成熟性和先进性；

· 疲劳、损伤容限、耐蚀性、可接受的成本（涵盖制造和使用维护阶段）以及实现结构整体化和轻量化的潜力，是材料选用的重要指标。

结合机身材料两大选择选择原则，C919大型客机机身选材开创了两个全国首次：

先进铝锂合金的应用，属国内首次

由于Al-Li系铝合金具有低密度、高弹性模量、高强度和很好的综合物理性能，所以与一般铝合金相比，在强度相当的情况下，密度降低10％，而弹性模量提高10％，因此C919大型客机机身上实现铝锂合金在地板梁、机身蒙皮、长桁上的应用，使用量约占结构重量的15％，预期实现减重5－10％；

国内首次在民用飞机的主承力结构、高温区、增压区使用复合材料

大型客机机身的尾翼（平尾、垂尾、升降舵）、中央翼、机翼活动面、后压力框、尾锥、后机身均采用先进复合材料，用量将达到14％以上；

由于钛合金的密度比钢小得多，而强度又和钢很接近，因此，它可以大大减轻飞机及其发动机的重量。大型客机C919机身的关键承力件主要使用钛合金，综合考虑钛合金的成熟性、成本、交付周期等因素，C919大型客机选择了6个钛合金牌号，包括低强高塑性、中强中韧、中强高韧、高强高韧及系统用材。图 3为钛合金主要在C919大型客机上应用部位及制品形式。

图 3 钛合金主要在C919大型客机上应用部位及制品形式

3. C919发动机材料

实际上C919大型客机的发动机来自于CFM国际公司的LEAP-1C发动机。该发动机采用了独特的、业内首创的全集成推进系统（IPS）。由CFM提供发动机以及由奈赛公司（Nexcelle）开发的短舱和反推装置组成。这些部件，包括由中航工业提供的吊架，被设计为相互连接的整体系统，具备更好的空气动力学特性，重量更轻、更易于维护。

LEAP发动机将是第一款配备陶瓷基复合材料（CMC）高压涡轮叶冠的民用发动机。采用CMC的直接益处便是提高了涡轮前温度和燃烧热效率。CMC材料的耐高温性能意味着对冷却气流需求的减少。传统的涡轮罩环上密布冷却孔，大量的冷却气流被引走对发动机工作循环来说是个不小的负担。有了CMC材料制成的涡轮罩环，需要的冷却气流减少从而增加了工作循环气流流量。其次，CMC是一种低密度材料，制成的罩环重量只有传统罩环的三分之一，也不需要很多的支撑结构。CMC材料的热学性能稳定，对保持涡轮叶尖间隙很有帮助。图 4为LEAP发动机三维示意图。

图 4 LEAP发动机三维示意图

陶瓷基复合材料（Ceramic matrix composite，简称CMC）是以陶瓷材料为基体，以陶瓷、碳或难熔金属的纤维、晶须、晶片或者颗粒为增强体，通过特定的成型工艺所制备的一类复合材料。陶瓷基复合材料在在航空航天领域，用陶瓷基复合材料制作的导弹的头锥、火箭的喷管、航天飞机的结构件、绝热瓦、外部燃料箱等具有良好的效果。图5为陶瓷基复合材料发动机喷管。