用先进结构和材料精心打造A380

空中客车的A380是一款 前所未有的超大型民用运输机。为使其在性能水平、商业水平和环境水平上有突破性的整体改善，空客采用了大量先进的综合技术。而飞机性能水平的改善，首先要解决尽可能减轻结构重量的问题，这需要慎重地选择各种先进的新型结构材料。而且材料的选择绝不仅仅局限于满足结构性能要求的设计准则，还需要考虑成本，以及采购活动的需要等因素。
　　先进新型金属材料仍占主导地位
　　飞机结构的选材，主要以提高结构强度/损坏容限，增强结构稳定性和抗腐蚀性为指导准则。在A380的结构选材中，先进铝材仍占有很高的比例，大约占整个机体结构重量的61%，特别是机翼结构，铝材的用量占机翼结构重量的80% 。此外，A380大型结构部件的尺寸要求也面临极大的设计挑战。
　　 A380-800先进铝合金选材特点包括：
　　 ●机身壁板选用尺寸非常宽的铝合金钣材，以尽可能减少连接部件，减轻结构重量；
　　 ●飞机主舱横梁采用了铝锂合金锻压件。新一代合金材料的出现使铝锂合金可能具有与碳纤维增强塑料（CFRP）在这类部件上应用的竞争潜力。
　　 ●翼梁和翼肋选择全新的7085型合金。与制造超厚钣材和大型锻件用的传统合金材料相比，7085型合金材料强度更高。
　　 ●更多选用钛合金材料。钛合金材料由于强度高、重量轻、损伤容限高和抗腐蚀性好等特点，一直是代替飞机结构中钢材的理想金属材料。但其高昂的价格在某种程度上限制了它的大量应用。
　　在A380上，钛合金的用量已经从原来占空客飞机结构重量的5%～7%增加到10%，仅发动机吊挂架和起落架的钛含量就增加了2%，这对未来飞机结构选材提出了独特的挑战。
　　空客首次在A380发动机吊挂架主要结构上使用全钛合金材料。采用的普通Ti-6A1-4V合金也经过了B退火条件处理，以使之达到最大断裂韧性和最小裂纹扩展速度。
　　 A380也是空客首次采用与俄罗斯生产商合作开发的VST55531牌号新型钛合金材料的飞机。这种新型的钛合金材料具有异乎寻常的断裂韧性和高强度的组合特性,比较适用于机翼和发动机挂架之间连接装置的制造，其进一步的应用尚在研究之中。
　　复合材料用于大型结构件的技术突破
　　在A380结构设计中，复合材料的用量排在第二位，占飞机结构总重的22%。
　　 空客是最早将复合材料广泛用于大型商业运输飞机的飞机制造商。A310是首架采用复合材料尾翼翼盒的飞机；A320率先在商用飞机上采用了全复合材料尾翼；A340飞机机翼结构复合材料重量占结构重量的13%，以及A340-500/600成功采用了碳纤维增强塑料（CFRP）龙骨横梁。今天，空客凭借丰富的复合材料选材经验和日臻成熟的应用技术，在A380飞机上又开创了复合材料应用的新篇章。
　　 A380将是第一种采用CFRP复合材料中央翼盒的大型商业飞机。与采用铝合金材料相比，这种中央翼盒的重量将减轻1.5吨。
　　 A380的中央翼盒重约8.8吨，其中复合材料用量占5.3吨。采用CFRP复合材料制造中央翼盒的关键技术挑战是解决复杂的翼根结合处的制造难题和解决较大部件厚度的问题，因为该部件的最大厚度甚至达到45毫米。
　　 A380的上舱地板横梁和后压力隔框也将由CRFP制成。前者采用挤拉工艺制造，即将碳纤维增强塑料通过一套工具连续拉出。后者则因为形状原因，试验了不同的制造方法，例如树脂薄膜渗透(RFI)和自动化纤维铺放(AFP)方法，并最终选择了RFI方法。
　　对A380后机身非增压部分的复合材料蒙皮，是双曲面的蒙皮面板，选用AFP方法制造。但高承力隔框则采用高强度铝合金经机加工成型。通常，复合材料的树脂转移成型法(RTM)更适用于生产承力小的结构部件。
　　 A380的固定式机翼前缘（J形机翼前缘）采用曾经在A340-600项目中开发的热塑性玻璃纤维材料。它具有减轻结构重量、制造简单、能改善损伤容限的优点。而且与采用金属部件相比提高了可检性。其可操纵的机翼后缘选择CFRP材料，也被认为具有当代先进技术水平。该机的一些操纵面的铰接部件和翼肋，将选择RTM制造技术。
　　在A380悬臂式机翼翼盒设计中，空客大胆进行了用CFRP翼肋代替铝合金翼肋的尝试。此外，A380的中间和外侧襟翼、襟翼滑轨整流罩，以及扰流板和副翼，也都采用了CFRP材料。
　　在A380的夹层结构设计中，采用轻型蜂窝结构代替常规的芳族聚酰胺 （agamid）纸蜂窝结构是空客的技术创新之一。这种情况适于大型结构，如机腹整流罩（超过300平方米）和客舱地板。在A380设计过程中，尽可能使用单体设计代替夹层结构，如它的机身下起落架和机翼下起落架已经采用了单体设计方案。
　　充分利用GLARE材料的性能优势
　　 A380-800结构采用了占飞机总重约3%的 GLARE材料，大约有500平方米的蒙皮，主要是上机身壁板。
　　 GLARE 是一种混合材料，由铝箔和单向性玻璃纤维层交叠，通过浸渍环氧粘合剂叠接而成。与采用铝钣材制造壁板相比，GLARE材料适用于制造宽度更大的机身壁板，从而可以减少机身蒙皮壁板纵向连接点。
　　 GLARE机身壁板应用的动机是因为其出色的抗裂纹产生的能力。与铝合金相比，GLARE材料的另一个重要优点是显著提高了防腐蚀和防火能力。目前，空客正在准备进行大量A380的试验件，一些部件的局部和全尺寸试验，以验证他们为A380选择的结构设计方案和新材料的特性。例如，试验利用GLARE制造的机翼前缘的防鸟撞能力，对用GLARE替代铝材料后的尾翼前缘进行的性能测试等。
　　先进制造技术对A380的贡献
　　 先进复合材料制造技术
　　A380上自动纤维填注，自动铺带，树脂薄膜渗透和树脂转移成形等先进复合材料制造手段的应用，有助于减小复合材料部件的生产成本，并使超大型A380飞机上超大尺寸的复合材料部件加工成为可能，从而减小了装配成本。A380使空客在机体复合材料的应用研究上又迈上了一个新的台阶。
　　 激光焊接
　　A380开始用激光束焊接(LBW)技术取代下机身壁板桁条的铆接工艺。LBW技术的应用将使机身壁板结构从过去的"装配式结构"概念改变成"整体式结构"概念。从机械的观点来看，二者主要的差别在于蒙皮损坏后能减少裂纹的增长。空客还准备将LBW技术扩展到铝合金6056和6013的焊接领域。
　　试验结果表明，LBW是适用于单曲度和双曲度壁板的焊接工艺，能显著降低生产成本，提高防腐性能和减轻重量。未来空客还将进一步将LBW技术用在蒙皮和支架接头，以及起落架舱区域压力隔框的制造上。 </P>空中客车的A380是一款 前所未有的超大型民用运输机。为使其在性能水平、商业水平和环境水平上有突破性的整体改善，空客采用了大量先进的综合技术。而飞机性能水平的改善，首先要解决尽可能减轻结构重量的问题，这需要慎重地选择各种先进的新型结构材料。而且材料的选择绝不仅仅局限于满足结构性能要求的设计准则，还需要考虑成本，以及采购活动的需要等因素。
　　先进新型金属材料仍占主导地位
　　飞机结构的选材，主要以提高结构强度/损坏容限，增强结构稳定性和抗腐蚀性为指导准则。在A380的结构选材中，先进铝材仍占有很高的比例，大约占整个机体结构重量的61%，特别是机翼结构，铝材的用量占机翼结构重量的80% 。此外，A380大型结构部件的尺寸要求也面临极大的设计挑战。
　　 A380-800先进铝合金选材特点包括：
　　 ●机身壁板选用尺寸非常宽的铝合金钣材，以尽可能减少连接部件，减轻结构重量；
　　 ●飞机主舱横梁采用了铝锂合金锻压件。新一代合金材料的出现使铝锂合金可能具有与碳纤维增强塑料（CFRP）在这类部件上应用的竞争潜力。
　　 ●翼梁和翼肋选择全新的7085型合金。与制造超厚钣材和大型锻件用的传统合金材料相比，7085型合金材料强度更高。
　　 ●更多选用钛合金材料。钛合金材料由于强度高、重量轻、损伤容限高和抗腐蚀性好等特点，一直是代替飞机结构中钢材的理想金属材料。但其高昂的价格在某种程度上限制了它的大量应用。
　　在A380上，钛合金的用量已经从原来占空客飞机结构重量的5%～7%增加到10%，仅发动机吊挂架和起落架的钛含量就增加了2%，这对未来飞机结构选材提出了独特的挑战。
　　空客首次在A380发动机吊挂架主要结构上使用全钛合金材料。采用的普通Ti-6A1-4V合金也经过了B退火条件处理，以使之达到最大断裂韧性和最小裂纹扩展速度。
　　 A380也是空客首次采用与俄罗斯生产商合作开发的VST55531牌号新型钛合金材料的飞机。这种新型的钛合金材料具有异乎寻常的断裂韧性和高强度的组合特性,比较适用于机翼和发动机挂架之间连接装置的制造，其进一步的应用尚在研究之中。
　　复合材料用于大型结构件的技术突破
　　在A380结构设计中，复合材料的用量排在第二位，占飞机结构总重的22%。
　　 空客是最早将复合材料广泛用于大型商业运输飞机的飞机制造商。A310是首架采用复合材料尾翼翼盒的飞机；A320率先在商用飞机上采用了全复合材料尾翼；A340飞机机翼结构复合材料重量占结构重量的13%，以及A340-500/600成功采用了碳纤维增强塑料（CFRP）龙骨横梁。今天，空客凭借丰富的复合材料选材经验和日臻成熟的应用技术，在A380飞机上又开创了复合材料应用的新篇章。
　　 A380将是第一种采用CFRP复合材料中央翼盒的大型商业飞机。与采用铝合金材料相比，这种中央翼盒的重量将减轻1.5吨。
　　 A380的中央翼盒重约8.8吨，其中复合材料用量占5.3吨。采用CFRP复合材料制造中央翼盒的关键技术挑战是解决复杂的翼根结合处的制造难题和解决较大部件厚度的问题，因为该部件的最大厚度甚至达到45毫米。
　　 A380的上舱地板横梁和后压力隔框也将由CRFP制成。前者采用挤拉工艺制造，即将碳纤维增强塑料通过一套工具连续拉出。后者则因为形状原因，试验了不同的制造方法，例如树脂薄膜渗透(RFI)和自动化纤维铺放(AFP)方法，并最终选择了RFI方法。
　　对A380后机身非增压部分的复合材料蒙皮，是双曲面的蒙皮面板，选用AFP方法制造。但高承力隔框则采用高强度铝合金经机加工成型。通常，复合材料的树脂转移成型法(RTM)更适用于生产承力小的结构部件。
　　 A380的固定式机翼前缘（J形机翼前缘）采用曾经在A340-600项目中开发的热塑性玻璃纤维材料。它具有减轻结构重量、制造简单、能改善损伤容限的优点。而且与采用金属部件相比提高了可检性。其可操纵的机翼后缘选择CFRP材料，也被认为具有当代先进技术水平。该机的一些操纵面的铰接部件和翼肋，将选择RTM制造技术。
　　在A380悬臂式机翼翼盒设计中，空客大胆进行了用CFRP翼肋代替铝合金翼肋的尝试。此外，A380的中间和外侧襟翼、襟翼滑轨整流罩，以及扰流板和副翼，也都采用了CFRP材料。
　　在A380的夹层结构设计中，采用轻型蜂窝结构代替常规的芳族聚酰胺 （agamid）纸蜂窝结构是空客的技术创新之一。这种情况适于大型结构，如机腹整流罩（超过300平方米）和客舱地板。在A380设计过程中，尽可能使用单体设计代替夹层结构，如它的机身下起落架和机翼下起落架已经采用了单体设计方案。
　　充分利用GLARE材料的性能优势
　　 A380-800结构采用了占飞机总重约3%的 GLARE材料，大约有500平方米的蒙皮，主要是上机身壁板。
　　 GLARE 是一种混合材料，由铝箔和单向性玻璃纤维层交叠，通过浸渍环氧粘合剂叠接而成。与采用铝钣材制造壁板相比，GLARE材料适用于制造宽度更大的机身壁板，从而可以减少机身蒙皮壁板纵向连接点。
　　 GLARE机身壁板应用的动机是因为其出色的抗裂纹产生的能力。与铝合金相比，GLARE材料的另一个重要优点是显著提高了防腐蚀和防火能力。目前，空客正在准备进行大量A380的试验件，一些部件的局部和全尺寸试验，以验证他们为A380选择的结构设计方案和新材料的特性。例如，试验利用GLARE制造的机翼前缘的防鸟撞能力，对用GLARE替代铝材料后的尾翼前缘进行的性能测试等。
　　先进制造技术对A380的贡献
　　 先进复合材料制造技术
　　A380上自动纤维填注，自动铺带，树脂薄膜渗透和树脂转移成形等先进复合材料制造手段的应用，有助于减小复合材料部件的生产成本，并使超大型A380飞机上超大尺寸的复合材料部件加工成为可能，从而减小了装配成本。A380使空客在机体复合材料的应用研究上又迈上了一个新的台阶。
　　 激光焊接
　　A380开始用激光束焊接(LBW)技术取代下机身壁板桁条的铆接工艺。LBW技术的应用将使机身壁板结构从过去的"装配式结构"概念改变成"整体式结构"概念。从机械的观点来看，二者主要的差别在于蒙皮损坏后能减少裂纹的增长。空客还准备将LBW技术扩展到铝合金6056和6013的焊接领域。
　　试验结果表明，LBW是适用于单曲度和双曲度壁板的焊接工艺，能显著降低生产成本，提高防腐性能和减轻重量。未来空客还将进一步将LBW技术用在蒙皮和支架接头，以及起落架舱区域压力隔框的制造上。 </P>