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主题:【原创】盲人摸象之-波音787 -- 大地窝铺

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家园 【原创】盲人摸象之-波音787

去年夏天带大儿子去波音航空中心/宽体客机总装厂参观,外链出处看到还在生产线上的第一架波音787。这787最与众不同的地方是大量使用先进的复合材料,连机身都用的是复合材料,大约结构重量的一半是复合材料。相比之下,757飞机这个比例大约是7%,777大约是11%。757咱修了不少,感觉没有达到7%的比例。传统飞机用的是铝合金结构机身。这张照片是在航空中心里照的787尾段,可能这是试生产留下的。

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近一点看这张。“29L” “30L”标记的是桁条的编号:“0”在上方正中央,“29L”是从0开始,机身左侧第29根桁条。注意看复合材料也用铆钉,但铆钉的材料是钛合金或者莫奈合金,这是防腐的需要。复合材料用的铆钉不能用一般的气动捶击式铆枪,只能用挤压式铆枪,因为复合材料最大的缺点是抗冲击能力太差。

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复合材料的定义是很广泛的,飞机上使用的复合材料主要是指碳(石墨)纤维、玻璃纤维、凯夫拉纤维和树脂做成的。以碳纤维复合材料为例,在同等质量条件下,其强度是铝合金的7倍。使用复合材料的好处主要就从这里来的。既然复合材料又轻又结实,那用复合材料的飞机就更轻,能载更多的客货了。铝合金容易腐蚀,飞机飞的时间长了还有疲劳问题,会出现疲劳裂纹。但复合材料就不然,它不腐蚀,也不疲劳。这带来的好处就多了去了。传统飞机大修时,飞机厕所、厨房、前后货舱下面的地板梁,经常腐蚀得白花花的。用复合材料就不怕腐蚀了。这787,机身都用复合材料制造,强度远高于铝合金机身,因此,787客舱的舷窗可以开的更大,客舱里的气压和湿度也可以升高。金属飞机客舱里的气压相当于海拔2400米的气压,气压再高,就太接近机身结构的安全限了。很多人坐飞机时会觉得机舱里空气太干燥,这可是故意的,太湿润旅客觉得舒服,机身就受不了,要腐蚀了。复合材料部件可以把形状做的很大,很复杂,相对来说还是比较容易的。因为使用复合材料,787减少了1500个钣金件,40000到50000颗铆钉。

看一下787上的部件都是那里制造的吧,小国旗标的很明白了。中国制造的有机身机翼整流罩,垂直安定面前缘,还有方向舵。最难做的飞机部件之一是飞机的大翼。制造商是日本三菱重工。

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10年前,曾经去Renton的波音窄体飞机制造厂参观,惊讶的发现737飞机的机身机翼等部件都是在其他国家和地区按照波音的标准做好的,然后运到附近的机场或港口,然后用专列运到波音总装厂。专列上几十架维纳斯737一字排开,很壮观。

这个youtube是787总装现场

外链出处

这个youtube是787机身的制造过程。注意那个身段推进又推出一个大罐子,那个大罐子是热压炉,里面的温度和压强是严格控制的,复合材料部件在热压炉里固化成型。

外链出处

个人感觉:787修理的时候,航空公司就开始做恶梦了。飞机维修公司就笑逐颜开了。

关键词(Tags): #飞机,#复合材料,#波音,#787, 元宝推荐:爱莲,

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家园 花,最后一句不太明白,您是认为复合材料难修嘛?

还是航空公司修理部门还没准备好,或还要增加额外的修理部门?

家园 复合材料基本上只能整个儿换,不能修

而且复合材料零部件的生产工艺要求也很复杂而严格,目前的航空公司和飞机维修公司都不具备这方面的技术积累。一但需要更换大型结构部件,几乎跟重新组装一架新飞机一样了。

再一个,传统金属材料的受力破坏属于弹性破坏,而复合材料的破坏很接近脆性破坏。因此美国空军的维修人员对于军用飞机的结构部件使用复合材料基本持反面态度。

787嘛,我是会尽量不坐的。

家园 看来还是换合理,估计成本会上去,

新东西总会有额外风险,但各种零件总归要做全寿命试验的吧?

家园 复合材料的破坏还没有公认可靠的模型

因此复合材料的寿命试验,严格来说只能代表做试验的那个零件,不能推广到整个生产批次的零件,更不用说全部的零件了。

家园 那就加大保险系数吧,不过做足够多的实验总能说明点问题吧?

至于理论解释,难

家园 原因是多方面的

文中提起,复合材料抗冲击能力比较差。比如一位机械员,在机尾上部工作,一不留心,手里的螺刀掉下来,砸到升降舵上,可能当时任何损伤都用肉眼看不出来,也就没人管了,可是舵面的碳纤维层之间,纤维层与蜂窝结构之间就有分层了。纤维之间可能分离,雨水可能进入。水在天上有变成冰,膨胀,更大的损伤,过不了多久,一个小小的疏忽,就变成了几天都修不好的大损伤了。损伤小的时候好修,大损伤就太困难了。某些情况下,比如说春节期间,旅游旺季,甚至不如立刻换个新的了。

想象一下复合材料机身的787,登机廊桥、登机梯、货物装卸车、食品车等等,一不小心撞一下机身,这麻烦可就大了。复合材料修理时要把修理区包起来,抽真空,比如说22英寸水银柱。还要稳定的均匀的加热,比如说350华氏度(177摄氏度),巴掌大一块好说,没别的情况的话一天修好,被车撞一下,多大的损伤?怎么抽真空,怎么加热呢?当然这也是在随便想象,等有787可以修的时候在聊修理难度吧。

家园 花,等着您修787的包子,不过您在哪,啥时候可能有787
家园 复合材料修理

不像金属修理那么方便,金属焊接或者铆接就行了,而复合材料焊接是肯定不行的,并且复合材料出了问题一般只能是一个部件整体更换,可以说复合材料的维护与修理与金属材料是完全不同的。另外,复合材料的检测以及复服役时的结构健康监测是很困难的,例如,对于复合材料性能影响最大的孔隙率的检测问题,目前并没有较好或者比较适用的检测方法。不过复合材料的优点还是很多的,例如比强度和比模量都很高(密度小,强度高);耐疲劳性能好,破损安全性能好,复合材料不会像金属材料的疲劳破坏那样是没有预兆的突发性破坏,复合材料疲劳破坏前有明显的先兆;瞬时耐高温、耐烧蚀性好;具有优良的耐腐蚀性;可以对复合材料的性能进行设计;可加工性好等,这些是复合材料在航空航天方面相对金属材料最大的优势,目前影响其大规模使用的原因是复合材料为绝缘材料,以及其检测和修理比较困难

家园 是这样的

金属材料的使用是成熟的,背后有大量的实验数据,包括材料、部件、组件的力学实验,原型机的破坏性试验,在役飞机的故障统计分析。实验分析是科学的,技术保障也是及时的。一架飞机某个地方的铝板上的某个螺栓孔发现了裂纹,修理公司就会报告波音,波音马上会做进一步的调查分析,给各航空公司和修理公司下发通告,大家都开始普查,按照波音提供的方法修理改装,飞机又正常了。复合材料就不然了,试验数据落后于使用。 但巨无霸波音肯定是非常有把握才推出787的,波音在造飞机的时候也一定已经把飞机的可维护性考虑进去了。

家园 所以估计得到一定时间就换,至于好换不好换那就是设计的问题

题了,铆接好像楼主提到可以用特别方法铆,总而言之还是设计问题。您提到的高真空是否也是防气孔的?看来要用这种材料修理方面还真得另开一个部门了。不过要是索性整件换大概不用在现场搞真空吧?

家园 怎么看这787都有当年“彗星”的影子
家园 现在复合材料的修理与金属材料的修理

的确是两个不同的体系,所以在飞机上大规模使用复合材料对军方和民航都是一个新的挑战,这意味着在原有的修理体系在外还要建立一个新的复合材料的维修体系,而且这两个体系之间还有很多概念是很不同的,就像用大豆来做豆腐和做大豆油的区别一样。对于军方,复合材料修理的另一个难题就是,只能在具备一定条件的基地进行,而在外场是根本不行的。要说明的一点是,本人并没有提到真空这个问题。在制备复合材料时,诸如基体中挥发性物质的存在或者因压力不足及纤维对基体润湿性不好导致的气体残留等等因素,使所得到的成品或多或少存在着孔隙。这些孔隙对复合材料的性能影响很大,据不同资料显示,每含1%的孔隙率,复合材料的层间剪切性能下降5-15%不等。而目前对孔隙的检测,特别是无损检测,还没有什么较好的方法,目前在实验室里对孔隙率的检测也只在比较理想的条件下,就如我们很多时候研究气体的问题的时候,常说的那个在理想气体条件下,你就可以想象,目前对于复合材料的孔隙率在现场的检测是怎么一个样子。补充一句,国内对复合材料的孔隙率的检测是从90年代中期才开始的,并且也是在国外的一些原理研究进行重复并稍做一点改进的水平上的,一直做这个方面的国内也只有一个团队,还有屈指可数的团队才开始不久,总的来说国内在复合材料孔隙率检测还在很低的水平上,其实在国际上也没有很好的办法

家园 谢谢回复,花

孔隙检测是用某种X光吗?

家园 既然复合材料这么不成熟,那为什么还要大规模使用呢?

就现在看来,好像对比来看,比金属材料并没有决定性的领先性能啊?波音是出于什么考虑而使用呢,能详细讲讲吗?

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