概观 | MC-21飞机的复合材料“黑”翼

MC-21是近年来俄罗斯设计的一款新型客机，俄罗斯航空制造业希望能借此飞机与波音-737和空客A-320客机争夺民用航空市场。

MC-21最大的创新点在于其被称为“黑”翼的复合材料机翼，这副机翼对于实现该机“高效、低阻、高升力”的先进性能至关重要。为了制造出全新的“黑”翼，俄罗斯成立了“航空复材公司”。该公司为“黑”翼开发出了全新的真空灌注VARTM工艺（Vacuuminfusion VARTM），使MC-21机翼的中央翼盒、翼梁、蒙皮和纵梁等采用复合材料制造成为可能，也使该机的总体复材使用占比达到了40%。以下来具体分析一下该项技术特点。

一、MC-21飞机首次采用VARTM技术制造飞机上的大型复合材料承力结构件

1.1 复合材料热压罐工艺与非热压罐工艺

众所周知，复合材料以其高强度、高刚性、耐热性、以及对温度变化不敏感和长寿命等优点正在大规模的用于飞机制造、兵器、舰船以及民用行业。目前在飞机制造业中复合材料构件的主流制造方法是热压罐成形，该方法需要预浸胶碳布，获得半成品之后再在热压罐中成形零件。目前民用客机中波音B787和空客A350XWB全复合材料机翼均采用该工艺成形。这种方法的最大不足之处在于设备成本高、成形时间长、半成品的存放时间短等。比如预浸料的存放按照标准低温下-19℃--17℃的存放时间是12个月，20±2℃下是20天，生产车间的存放时间就只有10天。

另外一种方法是非热压罐成形工艺，这种方法的实质在于侵胶和成形同时进行，可缩短生产时间、减低能源消耗以及生产劳动量，所以这项工艺成本要低一些。真空树脂灌注VARTM（Vacuum infusion VARTM）属于其中的一种。此项技术中树脂在真空压力下注射到干丝中成形，因此可极大减少结构件的生产前准备工作，使用简易工装降低成本。不过这项工艺的主要缺点在于加工过程不能重复进行。

2006年以前，美国航空制造业并不建议使用VARTM技术制造飞机上的一些关键零件。不过在这之后VARTM技术也在不断改进，在此基础上又发展出了一些新技术。如德国公司PremiumAerotec采用真空辅助成型（VAP）制造波音787的压力隔框；波音Aerostructures公司使用压力可控树脂渗透成型技术（CAPRI）生产垂直安定面、机翼、尾翼、副翼、襟翼等；加拿大的庞巴迪公司使用液体树脂灌注成形技术（LRI）制造C系列飞机的机翼；英国GKN公司2016年展示的复合材料中央翼采用了VARTM技术。

1.2 MC-21复合材料“黑”翼的制造过程

一般来说，窄体飞机的机翼和尾翼占飞机总重量的45%。因此，MC-21飞机在设计之初就确定要使用复合材料，降低结构重量以及生产劳动量，争取在世界航空市场上拥有一席之地。俄罗斯“复材公司”避开主流的热压罐技术，而选择非热压罐的VARTM技术，不仅仅是看中了VARTM技术的低成本，还有VARTM技术的整体集成功能。

MC-21在复合材料工艺上采取了国际合作生产模式。公司首先与奥地利的钻石公司和FISCHER先进复合材料公司合作，制造了40米长的翼盒，进行了翼盒与中央翼的连接试验，通过了俄罗斯中央空气动力研究所的强度试验。试验数据证实了设计参数能保证飞行安全以及大型一体化结构能降低装配劳动力、减少零件以及铆钉的数量等。

另外，在材料和设备上也是选择了国际上技术最先进的公司合作。如Hexcel公司的碳纤维、Coriolis复材公司的机器人自动铺丝头、西班牙MTorres公司的龙门式铺丝设备以及法国Stevik公司的TIAC灌注中心等。

Coriolis复材公司的干碳纤维机器人铺丝头

MTorres公司的干碳纤维龙门式自动铺丝机

复合材料机翼的铺放非常复杂，因为机翼要经受不同的外部载荷，如挤压、拉伸、扭转等，因此复合材料的铺放要经得住来自不同方向的载荷强度，多层碳纤维要从不同角度铺放在一起。西班牙MTorres公司在这方面非常有经验。航空复合材料公司与MTorres公司一起做了材料、零件和样件的大量试验。选用的Hexcel碳纤维不仅要适合于中央翼壁板的铺层，还需要符合MTorres 设备的自动化铺放要求，虽然Hexcel碳材料的自动化铺放速度可达到50kg/h，不过在MC-21上为了确保万无一失铺放速度有所降低。另外干纤维与预浸料不一样，干纤维在自动化铺层过程中很容易错位，为了解决这个问题MTorres使用了一层薄薄的热塑性丝，作用如胶一样把纤维固定住，但为了防止过度粘接，在铺放头上还安装了排热系统。

MTorres公司带排热系统的干纤维龙门式机器人自动铺放系统

灌注设备使用的是TIAC设备，该设备是集喷注、加热以及软件控制的一体化设备，可监测和控制灌注的树脂温度和数量、填充速度、真空袋以及预成型件的完整性等，真空度的控制精度不超过1毫巴。成形时间根据零件的尺寸和复杂程度在5-30个小时左右，固化温度180℃±2℃，最高温度270℃ 左右。

法国公司的TIAC自动化灌注中心

翼盒工艺过程：

1. 工装准备和辅助材料铺层

2. 碳纤维干丝铺层并在工装里预成形

3. 真空袋装配

4. 干预制坯注胶成形

5. 脱模和零件清理

6. 无损检测

7. 机械加工和形状检测

8. 涂色和装配

所有的工作都要在净化间进行。翼梁预成形之后放到阳模里，蒙皮放在阴模，整个工装放在真空袋里抽真空，真空袋四周铺设多条管道，其中一些管道用于抽真空，另一些管道用来注胶。

真空灌注VARTM工艺示意图

真空灌注工艺中长桁和壁板要单独铺丝预成形，不过注胶和固化可在专用的工装里一起一次成形。热压罐工艺这个过程需要分两次：首先固化长桁，然后再和蒙皮一起固化，因此热压罐工艺比VARTM工艺生产时间要长5%，能源耗费高30%以上,并且VARTM一次注胶的特点可用来制造一体化的整体零件，替代胶-铆结构。

成形中的翼梁 成形中的中央翼壁板

零件固化之后接下来进行超声波无损检测，使用Technatom机器人检测系统进行零件的可靠性检测。然后就是五坐标铣床进行机械加工。

带加强筋的机翼上壁板机械加工

二、MC-21复材“黑”翼的优点

2.1 大展弦比、薄翼型的复材机翼更加节省能源

MC-21机翼展弦比达到了11.5。大展弦比、薄翼型的复材机翼使得MC-21与同类型飞机相比，具有更高的空气动力效率。在0.78马赫速度下，空动率要比波音737高5.1%，比空客A320高6%；能耗与传统的铝合金相比降低了8%。传统铝合金机翼的中程干线飞机在全生命周期（2万个小时左右）要烧掉14万吨的燃油，而每架MC-21在同样的飞行时间内可节省燃油1.1万吨。

MC-21复材右翼

2.2 重量更轻

复合材料与铝合金相比本身具有单位重量较轻的性能。理论上用复合材料代替金属可减重15%。不过据俄罗斯专家看来，波音787以及空客350XWB的复材机翼都没达到最初的减重目标。主要是因为波音787以及空客350XWB设计时留出了太多的结构强度余量。一般铝合金结构的强度余量不超过1.5，但复材结构余量达到了5，甚至7。MC-21在设计时吸取了前辈的教训，因此重量也更轻一些。

2.3 经济性高

真空灌注技术可以最大程度地实现自动化，并且能制造整体结构，因此非热压罐工艺代替热压罐不仅简化了生产过程，还节省了时间，降低了生产成本。

三、总结

3.1 热压罐工艺和非热压罐工艺是目前复材制造技术齐头并进的两条技术路线

虽然MC-21飞机用非热压罐工艺制造出了飞机的大型承力部件，但目前就断言非热压罐工艺就要代替热压罐工艺还为时过早。MC-21目前仍在飞行试验中，很多设计数据也还未得到证实。另外热压罐工艺也在不断改进，自动化以及经济性是其主要发展方向。

3.2 高科技产品的国际合作生产模式越来越受到挑战

MC-21飞机就是一个很好的例子。近年来在美国的高压制裁下MC-21飞机不得不加快国产化的步伐。2020年5月，俄联邦政府工业和贸易部与伊尔库特公司签订总额120亿卢布的合同，开展MS-21复合材料和发动机进口替代研究试验。按合同伊尔库特公司应在2020年底完成翼梁、中央翼盒、方向舵、尾翼等复材部件的国产化制造，并使用国产PD-14发动机替换进口样机，2021年完成国产化的MC-21试验样机制造，并开展试验认证工作。

MC-21飞机开了个好头，但结局如何将拭目以待。MC-21也为我国的高科技制造企敲响了警钟，在如今的政治环境下只有那些把核心技术牢牢掌握在自己手里的国家，才能最终获胜。

供稿作者来自中国航空制造技术研究院信息中心