這里的機(jī)身說(shuō)的是單通道、窄體、100 座以上的民機(jī)的機(jī)身。目前這類民機(jī)有空客 A320、波音 737、商飛 C919、俄羅斯 MC-21 以及空客 A220（原加拿大龐巴迪的C 系列飛機(jī)）。
波音 787 和空客 A350 投入航線快十年了。航空公司和廣大乘客都感受到碳纖維復(fù)合材料帶來(lái)的福祉。民機(jī)使用復(fù)合材料已經(jīng)成為衡量先進(jìn)與否的重要標(biāo)志之一。特別是機(jī)身使用復(fù)合材料被譽(yù)為民機(jī)工業(yè)的“革命”。
現(xiàn) A320 和 B737 盡管機(jī)翼、機(jī)身都是用金屬制造。但這種大小的飛機(jī)銷路十分火爆，是這兩家飛機(jī)制造公司的拳頭產(chǎn)品、也是搖錢樹。近些年其他公司新研發(fā)的飛機(jī)，僅機(jī)翼使用了復(fù)合材料。她們還不能對(duì) A320 和 B737 的市場(chǎng)構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。因此，空客和波音對(duì)用復(fù)合材料制造機(jī)翼和機(jī)身的方案遲遲沒有啟動(dòng)。沒有啟動(dòng)不等于不做工作。今年巴黎復(fù)合材料展會(huì)和航展，以及近期有關(guān)復(fù)合材料報(bào)道的文章，都清晰地看到空客和波音在 A350 和 787 投產(chǎn)后，結(jié)合它們的經(jīng)驗(yàn)，一直在研究如何把復(fù)合材料更好地應(yīng)用在單通道民機(jī)上。雙方都想在用復(fù)合材料制造機(jī)翼、機(jī)身的單通道民機(jī)上，再爭(zhēng)高下。如，東麗為波音研發(fā)的、制造受力結(jié)構(gòu)的、新型樹脂基碳纖維復(fù)合材料預(yù)浸料：T1100/3960。同時(shí)還展出了蒙皮、長(zhǎng)桁、大梁集成的尾翼組件試驗(yàn)件?？湛秃退暮献骰锇橐碴懤m(xù)發(fā)表了，在“明日之翼”項(xiàng)目合作研發(fā)的一些成果。“明日之翼”明確地表示，替代 A320 的新型號(hào)民機(jī)，機(jī)翼將是蒙皮、長(zhǎng)桁、大梁集成的結(jié)構(gòu)。同時(shí)要采用滿足生產(chǎn)進(jìn)度需求的樹脂注入工藝。最近為空客和波音制造大部件的Spirit AeroSystems 公司，公布了制造新一代單通道民機(jī)機(jī)身的創(chuàng)新方案。新機(jī)身創(chuàng)新壁板造使用新材料/新工藝結(jié)合，集成制造蒙皮和長(zhǎng)桁，節(jié)約成本 30%（圖1.）
創(chuàng)新材料
新機(jī)身創(chuàng)新壁板造使用新材料/新工藝結(jié)合，集成制造蒙皮和長(zhǎng)桁，節(jié)約成本 30%。制造蒙皮、長(zhǎng)桁所用的材料是，東麗新研發(fā)的環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料T1100/3960。
T1100 是 2017 年?yáng)|麗引入市場(chǎng)的。它不但提高了強(qiáng)度，而且還提高料模量。它是介入中模量（IM）和高模量（HM）之間的一種新纖維，被稱為 IM+纖維。
T1100 碳纖維使用了東麗定量技術(shù)，達(dá)到精細(xì)級(jí)控制纖維結(jié)構(gòu)。結(jié)果是顯著的性能改進(jìn)超過(guò)東麗的其他碳纖維，見表 2.和表 3.
東麗下一代 3960 預(yù)浸料系統(tǒng)展示了航空材料性能的下一個(gè)飛躍。它使用“納米-合金-基礎(chǔ)”的技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)拉伸強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。3960 樹脂系統(tǒng)與先進(jìn)的 T1100 碳纖維的互補(bǔ)配對(duì)（Complementary pairing），為未來(lái)的材料提供了無(wú)與倫比的性能。高韌性，卓越的抗拉性能，以及保持 121°C（250°F）的熱濕性能，使 3960 系統(tǒng)成為航空航天工業(yè)未來(lái)需求的明確選擇。
T1100/3960 它比其廣泛使用的前輩—東麗的 T800S/3900預(yù)浸料—提供了 20%以上的剛度，但沒有通常伴隨剛度增加而出現(xiàn)的強(qiáng)度下降。（T800S/3900-2B 是波音 787 機(jī)身、機(jī)翼，以及波音777X 機(jī)翼使用的材料。）
T1100/3960 不用熱壓罐，在高溫爐中固化。
T1100/3960 不僅適用于自動(dòng)鋪絲機(jī)（AFP），還適用于手工鋪鋪放。
QISO® 準(zhǔn)各向同性織物（圖 2.）是 A&P 技術(shù)公司（美國(guó)俄亥俄州辛辛那提市）的產(chǎn)品（用哪種纖維沒查到）。
創(chuàng)新工藝
從圖 3.清晰地看出，復(fù)合材料長(zhǎng)桁改變了原金屬長(zhǎng)桁的剖面。與蒙皮連接不再用鉚釘，而是共固化或者共膠接。這兩類長(zhǎng)桁都是事先在長(zhǎng)桁制造車間制造好的。
創(chuàng)新機(jī)身壁板長(zhǎng)桁不再是單獨(dú)預(yù)先制造出來(lái)。長(zhǎng)桁由碳纖維 QISO? 準(zhǔn)各向同性織物預(yù)浸片制成。先將預(yù)浸片放置在開槽的機(jī)身模具表面。然后，使用真空成型，預(yù)浸片被拉入長(zhǎng)桁圓弧凹槽，形成具有長(zhǎng)桁圓弧凹槽波紋的長(zhǎng)桁板。接著，就像波音 787 或者 A350 機(jī)身中段曲面板所做的一樣，用自動(dòng)鋪絲機(jī)（AFP）鋪放 T1100/3960 纖維帶，制造機(jī)身蒙皮。再在熱壓罐中固化。結(jié)果是機(jī)身蒙皮具有連續(xù)的內(nèi)表層，并具有完全集成的長(zhǎng)桁。創(chuàng)新工藝最突出的亮點(diǎn)是：
模具型面使用雙馬來(lái)酰亞胺（BMI）碳纖維復(fù)合材料。型面與支撐結(jié)構(gòu)之間采用浮動(dòng)連接。
板件制成后，Spirit AeroSystems 公司與威奇托州立大學(xué)的國(guó)家航空研究所（NIAR）合作，開始了一項(xiàng)測(cè)試工作，旨在評(píng)估蒙皮和長(zhǎng)桁板的不同纖維組合。該公司測(cè)試了抗沖擊、強(qiáng)度、疲勞、環(huán)境沖擊、雷擊、FST（火焰、煙霧、毒性）和損傷容限。測(cè)試的結(jié)果，達(dá)到了公司的目標(biāo)厚度。
鋪放碳纖維帶使用 Electroimpact 公司 （Mukilteo, 華盛頓州）自動(dòng)鋪絲機(jī)（AFP），該機(jī)器可操縱鋪放放門開口周圍的圓角（圓角半徑 6 英寸- 152.4 毫米）。
Spirit AeroSystems 公司雖然展示的創(chuàng)新材料和工藝，最適合基于曲面板的機(jī)身結(jié)構(gòu)（類似 A350），但是它也可以適用于基于整體桶的機(jī)身結(jié)構(gòu)（類似波音 787）。此外，該公司還開發(fā)了一套制造生產(chǎn)線，稱其可以滿足單通道項(xiàng)目每月 60 架次的需求。
編譯感言
在介紹 T1100/3960 資料特別用到纖維與基材樹脂“互補(bǔ)配對(duì)”（Complementary pairing）一詞。這一點(diǎn)對(duì)國(guó)內(nèi)研發(fā)復(fù)合材料十分重要。
圖 1 所示的創(chuàng)新機(jī)身板件中，蒙皮和 10 根長(zhǎng)桁共固化后，成為一個(gè)零件。兩個(gè)復(fù)合材料框是在板件的裝配夾具中安裝的?？蚺c蒙皮通過(guò)剪切角片與用鉚釘連接。
創(chuàng)新機(jī)身壁板的確適合，由曲面板組合的機(jī)身結(jié)構(gòu)它要用于整體筒結(jié)構(gòu)的機(jī)身，想像中還有問(wèn)題。需要進(jìn)一步跟蹤、研究。
Spirit 在文章中還沒有披露空客、波音，到底是用曲面板組合的機(jī)身結(jié)構(gòu)，還是整體筒的機(jī)身結(jié)構(gòu)。
單通道民機(jī)機(jī)身（包括機(jī)翼）使用復(fù)合材料，一個(gè)共識(shí)是，在成本控制的前提下，“要有鋁合金的制造速度，又要有復(fù)合材料的優(yōu)越性能”。固化時(shí)間是一個(gè)重要因素。文章中還沒有固化時(shí)間。
單通道民機(jī)機(jī)體重量在 23 噸左右。如果機(jī)翼、機(jī)身使用復(fù)合材料，再加上尾翼用的復(fù)合材料，復(fù)合材料用量占機(jī)體重量的 50%左右，即 11.5 噸。新型號(hào)民機(jī)目標(biāo)產(chǎn)量是每月 60 架，這也就是說(shuō)每月需要 600 多噸碳纖維復(fù)合材料。
Spirit AeroSystems（美國(guó)堪薩斯州的威奇塔）她收購(gòu)了，波音公司在威奇塔的飛機(jī)部件制造廠。目前是世界第一大的飛機(jī)部、組件制造公司。其中最突出的是：目前她每月至少要向波音公司 737 在西雅圖的倫頓總裝廠，提供 50 個(gè) 737 整機(jī)身。737 整機(jī)身用火車，由威奇塔運(yùn)輸?shù)絺愵D總裝廠（圖。4）。每月至少向波音 787 總裝廠交付 16-17 架 787 機(jī)頭段。機(jī)頭段用飛機(jī)運(yùn)輸（圖。5）。
另外，在美國(guó)北卡羅來(lái)拉州的金斯頓新建復(fù)合材料部件制造工廠。專門為空客生產(chǎn) A350 的中機(jī)身復(fù)合材塊料曲面板（圖。6）。帶框的曲面板空運(yùn)到法國(guó)圖魯茲的總裝廠。Spirit AeroSystems 還參加了空客的“明日之翼”項(xiàng)目的研發(fā)工作。
附：一組現(xiàn)搜索到的創(chuàng)新機(jī)壁身板詳圖：
參考資料：
《Spirit AeroSystems debuts next-generation composite fuselage pane》6/16/2019
《Spirit AeroSystems collaborates on Wing of Tomorrow program》6/18/2019
《2019 Paris Air Show: Highlights》 6/25/2019
《High-strength and High-modulus Carbon Fiber TORAYCA? T1100G》
《3960 PREPREG SYSTEM - Toray Composite Materials …》
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