蜂窝夹层结构在飞机中的应用

蜂窝夹层结构在飞机中的应用

姜吉明

航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司 黑龙江省哈尔滨市 150060

摘要：蜂窝夹层复合材料具有质量轻、弯曲强度与刚度大、抗失稳能力强、耐疲劳老化、吸音、隔音及隔热性能好等优点，长期以来备受航空结构的关注。在航空工业发达国家，蜂窝夹层结构复合材料己大量应用于飞机结构，如机翼、机身、尾翼、雷达罩及地板、内饰等。随着飞机对结构全寿命成本的提高，蜂窝夹层结构材料体系、结构设计、整体化制造技术及低成本技术均需进一步提升。

关键词： 蜂窝夹层机构 ；飞机 ；应用

随着科技以及经济的发展，人们的生活质量得到了极大的提高，这同样也得益于全球经济一体化的现状，因此交通行业的重要性不言而喻，而所谓的交通行业不仅仅包括地面上行驶的交通工具以及穿梭在地下的地铁，同样也包括翱翔在天穹之上的飞机，而且随着人们生活质量得提高，飞机更符合当今时代人们长途旅游时的首选交通工具，但是由于飞机在空中飞行时具有一定的安全隐患，因此对于飞机本身的结构以及飞行人员都有一定的要求，其中为了保证飞机在空中飞行时的安全性，必须采取恰当的飞机建造结构，目前所采用的多为蜂窝夹层结构。

一、概述

飞机在交通中的便捷性使得人们在出行过程中更加习惯乘坐飞机进行长途旅行，而正是由于飞机虽然翱翔在天穹之上，所以飞机一旦发生安全事故就会处于孤立无援的状态，严重影响飞机的使用，所以为了避免飞机出现问题，多采用的是蜂窝夹层结构，因此为了明确蜂窝夹层结构在飞机中的应用，就必须对蜂窝夹层结构有一定的了解。

1、蜂窝夹层结构的概念。由于飞机在平流层中飞行时会受到极大的空气阻力，而普通的建筑结构以及建筑材料并不能抵抗空气阻力后，飞机外部仍旧保持原样，因此，通过探索自然界的一些规律，使得蜂窝夹层结构的复合材料以及蜂窝夹层结构的建筑方式被应用在了飞机的建设中，所谓的蜂窝夹层结构是通过胶郭剂粘结成的层状复合结构，这种结构的灵感来自于蜂窝的。换句话说，通过对蜂窝的观察使得蜂窝夹层结构的正式问世，蜂窝夹层结构就是将两块薄面板通过粘合剂与较为厚重的蜂窝样式的材料相结合在一起的复合型建筑材料结构，由于其所具有的特点被广泛的应用在飞机、各种隔板等。

2、蜂窝夹层结构的特点。由于飞机在交通中的重要位置以及在军事上所具有的战略价值，使得飞机的安全性以及性能性成为了飞机的重要评判标准，而这些价值是否能成功体现都取决于飞机本身的结构以及材料的结构以及材料的质量。而蜂窝夹层结构之所以在飞机上受到广泛的应用，正是由于蜂窝夹层结构的特点使得飞机的性能更为优越，其中蜂窝夹层结构的特点主要有质量轻、弯曲刚度与强度大、抗失稳能力强、耐疲劳、吸音、隔音和隔热性能好等优点，其中绝大多数的优点都是由于蜂窝夹层结构其特有的工艺所决定的，而这些优点也是导致蜂窝夹层结构在飞机上的应用越来越广的主要原因。

二、复合材料蜂窝夹层结构

复合材料夹层结构薄面板及其中间的夹芯层构成，芯层与面板一般用胶粘结在一起，也可用熔焊、焊接连接成整体。夹层结构传递载荷方式类似于工字梁，上下面板主要承受由弯矩引起的面内拉压应力和面内剪应力，芯材主要承受由横向力产生的剪应力，上下面板间的距离使截面惯性矩增大，提高了结构的弯曲刚度以及材料的有效利用率和结构效率。复合材料蜂窝夹层结构的强度与蜂窝几何形状和蜂窝芯层材料有关。根据蜂窝几何形状不同，蜂窝芯层分为标准六边形芯、矩形过膨胀芯、增强波纹芯、方格芯、特殊夹芯等，其中增强正六边形强度最高，正六边形蜂窝次之，由于正六边形蜂窝制造简单，用料省，强度也较高，故应用最广。复合材料夹层结构的面板材料有铝合金、钛合金、不锈钢、玻璃钢等复合材料，目前航空结构上采用的大多为碳纤维单向带或织物增强复合材料。芯材有金属或非金属蜂窝、泡沫塑料等。金属蜂窝芯层主要是铝蜂窝，非金属蜂窝芯层主要有诺梅克斯（NOMEX）纸蜂窝、玻璃布蜂窝和碳纤维蜂窝等，其中铝蜂窝或NOMEX纸蜂窝具有压缩模量高和质量轻的优点，成为飞机结构上广泛使用的夹芯材料。

三、蜂窝夹层结构在飞机上的应用

1、在军用飞机上的应用。蜂窝夹层结构在军机上的应用最早是 20世纪四五十年代，使用的是开孔铝蜂窝，结构胶以酚醛为主，随后环氧树脂的问世解决了酚醛树脂固化过程小分子挥发份释放问题，使无孔铝蜂窝得以应用，从而解决了有孔蜂窝结构容易进水导致飞机失衡的问题。20世纪七八十年代Boeing公司开发了磷酸阳极化技术用于铝合金表面处理，加以采用耐腐蚀底胶，在胶接耐久性方面取得了重大突破。随着空军主承力胶接结构技术PAB ST计划的实施，验证了胶接结构在机体主承力结构上应用的可行性，随后，新的胶接体系在F-15等飞机上进行了应用，其中，F-15飞机主要应用为机翼前缘、襟、副翼、垂尾、平尾，F -16飞机主要用于平尾，在F/A -18飞机上，蜂窝夹层结构用于飞行控制面，在F -35飞机上，襟、副翼、平尾前缘、垂尾前缘、方向舵等均采用了蜂窝夹层结构。

2. 大型民机上的应用。蜂窝夹层结构在大型民用飞机上的应用最早是在空中客车的A310飞机的方向舵上，后用于A320、A340方向舵。A320方向舵蜂窝夹层壁板结构。目前最大的蜂窝夹层结构舵面是A340方向舵，它由蜂窝夹层结构左、右壁板，碳纤维前梁（9.9m），碳纤维根肋（2.6m）等组成，整体面积 15.3m2。目前，单机用量最大的为A380飞机，其蜂窝夹层结构用量达 4000m，典型 2应用包括腹部整流罩（超过 300m2）及地面这类大尺寸结构件，地板主要采用M.C.Gill Corp.的Gillfab 4909夹层板，芯材为Kevlar蜂窝。蜂窝夹层结构在B787上应用包括方向舵、升降舵、翼尖、发动机机舱等部位。

3、在通用飞机上的应用。与民用大飞机相比，蜂窝夹层结构在通用飞机上的应用主要表现为在机身上的使用，如豪克 4000及“首相”IA飞机，庞巴迪宇航公司里尔 85飞机等。其中Premier I是第一架通过FAA认证的全复合材料机身喷气公务机，整个机身采用面板为碳纤维的蜂窝夹层结构，整体厚度为 20.6mm，机身无桁条和框架，比传统铝结构减重 25%，且增加了 13%的客舱空间。而且整体结构减少了零部件的生产数目，在很大程度上缩短了生产周期，降低了制造成本。目前生产的Hawker 4000飞机，其机身结构是由 3个筒体结构在机翼处连接组成，筒体为蜂窝夹层结构，蒙皮的铺贴采用MAG辛辛那提公司的Viper自动铺丝机铺放。预浸料纤维采用 12K中模碳纤维，环氧树脂为Cytec工程材料公司提供 977-2或E7K8，蜂窝采用Hexcel的Nomex蜂窝。

复合材料蜂窝夹层结构是飞机结构中理想的、结构效率最高的结构形式之一，目前在航空航天领域获得了广泛的应用，但仍有许多技术问题有待解决。中国航空用蜂窝夹层结构在设计上仍较多地采用传统的方法与经验，制造工艺方面比较落后，需要在设计、材料、制造工艺及成本与维修等方面开展全面深入的研究。

参考文献：

[1] 杜善义, 关志东. 我国大型客机先进复合材料技术应对策略思考[J].复合材料学报, 2018, 25(1): 1-10.

[2] 程文礼,袁超,邱启艳.航空用蜂窝夹层结构及制造工艺[J].航空制造技术,2018（7）:93-97.

[3] 杜正兴, 薛应举, 刘洪权. 复合材料蜂窝夹层结构的总体稳定性研究[J]. 强度与环境, 2019, 41(4): 27-32.