航空发动机新型材料的应用分析

航空发动机新型材料的应用分析

王跃

 94452部队   467331 

摘 要

新型材料在飞机上的用量和应用部位已成为衡量航空发动机先进性的重要指标之一。在制造飞机时，其结构选用新型材料，已显示出良好的应用前景，以保障飞机安全性、可靠性和适航性。基于此，本文在深入了解相关研究背景和国内外研究现状的基础上，首先分析了ARJ21飞机简介和部件组成，然后探讨了航空发动机用新型材料的发展过程，包括新型材料在军用飞机上的发展过程、新型材料在民用航空上的发展、新型材料在我国飞机制造的应用，最后研究了飞机新型材料种类及应用，包括飞机新型材料应用种类、飞机新型材料应用形式、蜂窝夹芯结构的特点和在飞机上的应用。

关键词：新型材料；ARJ21飞机；应用研究

1

1 绪论

在科技飞速发展的今天飞机不仅广泛应用于民用运输和科学研究，还是现代军事里的重要武器，所以又分为民用飞机和军用飞机。

民用飞机除客机和运输机以外还有农业、森林防护机、航测机、医疗救护机、游览机、公务机、体育机，试验研究机、气象机、特技表演机、执法机等。同时飞机发动机也是飞机的“心脏”是飞机重要的决定因素之一，发动机实在高温高压和高负荷的环境中长期反复的工作，同时还需要具备重量轻、体积小、推力大等特点，所以对飞机发动机的研究至关重要。

本文在深入了解相关研究背景和国内外研究现状的基础上，首先分析了ARJ21飞机简介和部件组成，然后探讨了航空发动机用新型材料的发展过程，包括新型材料在军用飞机上的发展过程、新型材料在民用航空上的发展、新型材料在我国飞机制造的应用，最后研究了飞机新型材料种类及应用，包括飞机新型材料应用种类、飞机新型材料应用形式、蜂窝夹芯结构的特点和在飞机上的应用。

2 航空发动机用新型材料的发展过程

先进新型材料于上世纪60年代中期一问世，即首先用于飞行器结构上。30多年来先进新型材料在航空发动机上应用走过了一条由小到大、由次到主、由局部到整体、由结构到功能、由军机应用扩展到民机应用的发展道路。

2.1 新型材料在军用飞机上的发展过程

纵观国外军机结构用新型材料所走过的道路，大致可分为三个阶段：

第一阶段新型材料主要用于受力较小或非承力件，如舱门、口盖、整流罩以及襟副翼、方向舵等，大约于上世纪70年代初完成。

第二阶段新型材料主要用于垂尾、平尾等尾翼一级的次承力部件，以F-14硼/环氧新型材料平尾于1971年研制成功作为标志，基本于上世纪80年代初完成。此后F-15、F-16、F-18、幻影2000和幻影4000等均采用了新型材料尾翼，此时新型材料用量大约只占全机结构重量的5%[17]。

第三阶段新型材料开始应用于机翼、机身等主要的承力结构，受力很大，规模也很大。主要以1976年美国原麦道公司研制成功FA-18新型材料机翼作为里程碑，此时新型材料用量已提高到了13%，军机结构的新型材料化进程进一步得到推进。

2.2 新型材料在民用航空上的发展

继军机之后，国外大型民机也大量采用新型材料，以波音飞机为例，其进程大致走过了四个阶段：第一阶段：采用新型材料制造受力很小的前缘、口盖、整流罩、扰流板等构件，该阶段于上世纪70年代中期实现。第二阶段：制造升降舵、方向舵、襟副翼等受力较小的部件，该阶段约于80年代中期结束。第三阶段：制造垂尾、平尾受力较大的部件，突破了尾翼级部件在大型客机上的试用，随后B777设计应用了新型材料垂尾、平尾，共用新型材料9.9吨，占结构总重的11%。第四阶段：在飞机最主要受力部件机翼、机身上正式使用新型材料，如波音公司正在研制的B787“梦想”飞机，其新型材料用量达50％。下图为B787“梦想”中新型材料的使用情况。

图3.1 飞机表面碳层合板

图中深蓝色部分为飞机的碳层合板，用于机身主体的机构，浅蓝色为碳夹芯板，用于飞机的尾翼部分和侧翼的少部分部件，绿色部分是玻璃纤维，红色部分为铝，黄色部分为铝/钢/钛吊架。 

2.3 新型材料在我国飞机制造的应用

我国于上世纪70年代已开展军机用先进新型材料的研究。虽然我国在航空和汽车领域中，对于新型材料已经有了一定的了解和应用，但是新型材料的开发和投用在我国仍是一个重大的难点，我国航天事业起步慢，也没有核心技术的支持，但是我相信，在长期的努力之下，我们国家一定会拥有自己的新型材料的技术，并用于飞机，汽车等的制造中。

3 飞机新型材料种类及应用

3.1 飞机新型材料应用种类

飞机新型材料结构通常被称为"纤维增强塑料"。这是因为它使用高强度的纤维增强材料，嵌入在一种树脂基体里，以层或层片的形式叠加起来，形成层板。然后使用一种精确控制的加压加热工艺把该层板固化为一种非常坚固和坚硬的结构。

图4.1 新型材料组成

组成飞机新型材料的组元有纤维增强材料，基体和界面层（图4.1）。飞机新型材料不但是多组元的材料，而且，材料的机械性能和物理性能随方向而变化，也是各向异性的材料。飞机新型材料的基体材料一般选用高分子的聚合物基材料：环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺树脂等材料（图4.2）。

图4.2 基体组成

飞机新型材料的纤维增强材料一般选用的纤维织物包括（图4.3）：

玻璃纤维（GLASSFIBERS），

碳纤维（CARBONFIBERS），

芳纶纤维(ARAMIDFIBERS)，

石英纤维(QUARTZFIBERS)。

图4.3 纤维织物

树脂基复合材料可有效减轻发动机结构质量、减少燃油消耗、降低尾气排放量，有利于提高其环保性。相比C'.FM56系列发动机，应用大量复合材料部件的LEAP系列发动机燃油消耗及二氧化碳排放量减少了15%，氮氧化物排放量减少了60%。

材料和结构同时成型是树脂基复合材料区别于金属材料的特点之一。这为航空发动机大型复杂部件的整体化设计、一体化制造提供了可能。其中包括一体式复合材料进气整流罩和整体复合材料“O型”滑动反推装置（图5-1）。此外变传统发动机进气道拼接式声衬为环形无拼接式声衬也是复合材料整体成型工艺应用的典型案例。

图4.4 LEAP－1C发动机一体式整流罩和“O型”滑动反推装置

3.2 飞机新型材料应用形式

民用飞机上使用的新型材料主要有铺层结构和夹芯结构这两种结构形式。

铺层结构由纤维织物组成的叠层结构构成，铺层结构可以承受较大的载荷，主要应用于飞机的主要承力结构。

夹芯结构是用两层较薄的面板中间夹以较厚的芯材，面板与芯材之间通过胶膜层粘接而组成的夹层板壳结构，目前，飞机上蜂窝夹芯结构使用的最为广泛（图4.5）。

图4.5 蜂窝夹心结构

4航空器树脂基材料技术探讨

4.1航空发动机结构优化

基于复合材料优异的可设计性，复合材料风扇叶片具有S形后掠宽弦的高效气动外形，因而使用较少的叶片数量仍有较高的进气效率。同时相比钦合金中空结构风扇叶片，可实现10%-15%的减重。

复合材料优异的抗疲劳耐久性能可显著降低服役过程中部件的修理维护成本。数据显示已装机使用的UE90复合材料风扇叶片在总计750万个飞行小时里无须专门检查和现场特别维护。尽管在服役期间经历了多达100次的鸟撞冲击，但仅有三片复合材料叶片需彻底更换，显示出良好的可靠性和经济性。此外复合材料风扇叶片叶根处具有自润滑特氟龙耐磨层，当叶片装入燕尾槽后无需加入润滑剂，免去了定期润滑维护成本。

4.2提高航空发动机环保性

当今世界对飞行器环保要求日益提高，航空发动机尾气排放及噪声级别已成为各航空发动机制造商关注的重点。发动机噪声是飞机噪声的主要来源。随着涡扇发动机涵道比增大，进气风扇噪声在发动机噪声中占比逐渐增加。传统进气道消声板为拼接分片式设计，拼接造成进气道壁面声阻抗不连续，削弱了消声效果。欧洲空中客车公司（Airbus）早期A320飞机发动机进气道声衬拼缝为3片15 cm宽，之后A340-600飞机发动机为2片7.5 cm宽。采用树脂基复合材料整体成型工艺后，A380飞机发动机为环形无拼接声衬。

5结论与展望

5.1结论

新型材料在民用飞机上的应用将与日俱增，这是形势发展之必然。民航事业的安全保障与发展，离不开使用新型材料。可以说，尽管现在国际支线客机市场强手如林，竞争十分激烈，ARJ21飞机以其出色的性能成功打开市场。我们有理由相信我们中国的民用飞机产业将会以此为契机，在未来取得更大的成功！

5.2展望

新型材料已被宽泛用在民用航空发动机。新型材料的最大优点是耐侵蚀和对疲劳不敏感，并且可以高效减轻飞机的重量。航空公司可以从复合结构的运营和维持成本费用减少中受益。但这给飞机修理行业引来了新的和不可预见的挑衅。由于新型材料的修复与金属零件有很大的不一样。只有符合此类需要，才可以保证新型材料的修理品质并符合飞机的飞行安全需要。

参考文献

[1]郑娟. 航空发动机叶片关键制造技术研究[J]. 设备管理与维修,2019(24):89-90.

[2]. 研制战机“心脏”有多难？[J]. 电子产品可靠性与环境试验,2020,38(01):96.

[3]李翔,李雪罡,张萌. 浅谈航空发动机材料和工艺安全性评估[J]. 中国设备工程,2020(06):88-90.

[4]武高辉,匡泽洋. 装备升级换代背景下金属基复合材料的发展机遇和挑战[J]. 中国工程科学,2020,22(02):79-90.

[5]林宏军,迟雪. 火焰筒先进热防护技术发展及工程应用分析[J]. 航空动力,2020(03):66-70.

[6]彭睿,常振东,孙莉莉. 航空发动机新型热障涂层研究进展[J]. 航空工程进展,2020,11(03):308-315.

[7]王帮艳. 磨粒流工艺在航空发动机修理中的应用[J]. 航空维修与工程,2015(06):78-80.

[8]李亚江,刘坤. 钛合金在航空领域的应用及其先进连接技术[J]. 航空制造技术,2015(16):34-37.

[9]郭德伦,韩野,张媛. 航空发动机的发展对制造技术的需求[J]. 航空制造技术,2015(22):68-72.

1