波音787客机的复合材料国际化制造

更新时间:2023-12-04 03:40:45 阅读：评论：0

2023年12月4日发(作者：试用期三个月)

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波音787客机的复合材料国际化制造

周雷敏;孙沛

【摘要】综述了复合材料在波音787客机上突破性创新应用的情况.表明作为全球第1架复合材料质量分数达到50％的飞机,波音787在复合材料的使用方面有很多独到之处,这些独到之处不仅仅体现在各种新材料及先进成型工艺的使用上,更体现在其先进的国际化制造理念上.同时,深入解析了波音公司国际化制造的管理模式,结合波音787制造过程中遇到的问题,分析了这种管理模式的优缺点.%In this

Paper, the author summaries innovative applications for composite

technology in Boeing 787. Boeing 787 is the first aircraft to u 50%

composites. What is unique about it is that it not only applies new

materials and advanced molding technology, but also advanced

international manufacturing ideal. This article, starting with Boeing 787's

u of composites, investigates the management pattern of Boeing

Company for international manufacturing. It also analyzes the merits and

demerits of this management pattern with regard to the existing problems

in the process of manufacturing.

【期刊名称】《高科技纤维与应用》

【年(卷),期】2013(038)002

【总页数】5页(P57-61)

【关键词】波音787;复合材料;国际化制造;管理模式

【作者】周雷敏;孙沛【作者单位】北京航空材料研究院,北京100095

【正文语种】中文

【中图分类】V258;V262.34

1 波音787客机的理念

波音787客机被波音公司命名为“梦想”（Dreamliner），这不仅寓意着该型客机满足乘客追求未来更安静和更舒适航空旅行环境的梦想，也可理解为满足航空公司客户创造低成本、高性能产品的梦想，还可以认为是波音公司通过不断的技术和管理模式创新而实现在民用航空领域领先地位的梦想[1]。

世界民用航空制造领域只有两个重量级参与者—波音和空客，彼此始终都扮演者各自死对头的角色。经历了波音737与空客A320、波音767与空客A330等机型的对决后，在这个世纪之交，空客开始投入巨资，开发拥有550 个座位的“空中巨无霸”A380。空客开发A380客机的主要理念是，实现枢纽城市之间的集中运输，保证每次飞行可以携带更多乘客，并为乘客提供更舒适的空间，同时减少了飞行次数，人员和燃料成本也将随之下降，从而为航空公司节约成本。而波音公司则选择了与空客截然相反的道路：开发为更多机场服务的相对较小的飞机，使航空公司可以提供更多的目的地直航服务。因此，波音瞄准了需要更换日益老化的中型飞机的航空公司，并在经济成本、舒适度、环境保护等方面下功夫，力图实现自身与航空公司和乘客的“三赢梦想”。

为了减少航空公司的经济成本，波音787力图做到比当今其他同尺寸飞机节约燃油20%，而这通过采用新型大涵道发动机、更多使用树脂基复合材料、更高效的系统和先进的气动性能的来实现[2]，同时飞行过程的污染物排放也得以减少。GEnx或者瑞达1000发动机分别通过大量采用复合材料结构[3]和提取中压转子功率等一系列技术改善燃油经济性（据分析，先进发动机的运用占到节约燃油20%贡献的8%）和降低噪声；复合材料使用占总结构质量分数的50%，不仅减轻了机身的质量，而且提高了飞机的抗疲劳和抗腐蚀性能，这使得该型飞机的外场维护间隔时间达到1 000 h，D检验时间从波音767和A330服役后的6 年推迟到12

年[4]；取消了传统的气源系统，全飞机的能源均来自于APU变频发电机组，电子系统中大量采用与因特网相兼容的系统和网络技术，飞行系统全部采用电传操作，刹车系统同样采用电驱动[5]，一系列的系统革新不仅使波音787成为实际意义上的“全电飞机”，而且大大改善了飞机的操控、燃油等性能；继承与“音速巡航者”设计的部分气动布局，有利于搭载更多的货物。

在提供给乘客舒适和便捷的旅行感受方面，波音787舷窗取消了遮光板，并采用“电致变色可调光”玻璃，可任意调节光线强度；在头等舱和经济舱之间设计了一个极富家居风格的过渡空间；采用LED系统照明，能柔和地模拟昼夜的自然光亮；采用新型空气过滤系统，以更多地除滤有害气体[6]；采用无线WIFI机上娱乐系统而不是有线系统，座椅的椅架采用预制尺寸的俯仰调节垫。

2011年9月26日，经过多年的研制和试飞，号称世界上最环保和最低耗油的波音787终于开始交付使用。首架波音787-8客机于当地时间9月26日上午，在位于美国西雅图的埃弗雷特波音工厂交付给波音787的启动用户—日本全日空航空公司。

2 波音787客机的复合材料使用情况

波音787 复合材料构件质量占整个飞机结构质量分数的50%，是在空客A350使用之前复合材料用量质量分数最大的一个机型，该机整个外廓除发动机吊挂等少数构件外，几乎全部采用复合材料制造，并且在主承力结构也广泛使用复合材料。在机身、尾翼采用了碳纤维层合板结构；升降舵、方向舵等活动面采用了碳纤维层合板夹层结构；整流罩部位采用了玻璃纤维层合板夹层结构。 2.1 波音787的复合材料设计与选材

复合材料在飞机上的应用遵循由小到大和由简到繁，由次承力结构到主承力结构的原则。在AC20-107A、B（FAA复合材料结构设计安全性要求）的所有内容得到了航空领域特有的积木式验证[7]，大量的数据在军用飞机上得到积累后，波音公司更有底气将复合材料广泛应用于大型民用客机上（因安全性要求更高，而在选材设计中更加保守）。目前，国外大飞机机翼多采用全复合材料整体壁板和翼盒结构布局为双梁多肋结构，波音787机翼壁板正是采用“工”字加筋梁结构，机翼长达30 m，机翼壁板成型选用胶接共固化成型的方式，先固化筋条，再和蒙皮定位组装后进行固化胶接[8]。

在综合了ATCAS（Advanced Technology Composite Aircraft Structure）和SMSS(Smart Material/Structure System)项目对壁板组合机身结构设计方案的验证结果，波音公司大胆采用了整体筒壳机身结构设计，这样即大大减少了连接件，同时机身的气密性和疲劳、耐腐蚀性能也得到了保证[9]。

从选材的方面来看，波音787采用目前世界上最先进的第3 代增韧环氧树脂复合材料3900/T800S，以及1 批新开发的复合材料中间产品，如8552/AS4、HexMC、RTM6/碳纤维织物等，3900系列为热塑性增韧的环氧树脂，T800S碳纤维则是东丽公司的改进成果，即大丝束，用于代替波音777上采用的T800H。大丝束纤维的生产效率更高，来源更广泛，且不降低波音公司对主承力结构预浸料制定的BMS8-276规范的力学性能要求[10]，而大丝束碳纤维原来则多用于工业、建筑、风电等领域，在航空领域的应用较少。Hecxel公司开发的HexMC因具有结构性能好、净成型好、疲劳性能优异、密度低等优点，被选为波音787窗框结构用料。这是一种模塑料的改进，采用准各向同性的模塑成型预浸料。

2.2 波音787的复合材料制造

波音787的复合材料制造技术，涵盖了复合材料制造从最简单原始模压到当今最前沿的自动铺丝、纤维编织等技术，可以说，一架波音787可以全景展示复合材料制造技术的昨天、今天和明天。

HexMC作为片状模塑料的改进，最适合的成型工艺就是模压，其做出来的模压件棱角分明、抗疲劳性能良好和抗腐蚀。Nordan公司采用模塑材料制造波音787的窗框，并需要将制造号的窗框成品分送给机身生产的各家工厂安装到机身上

[11]。

波音787的中央翼盒、主蒙皮以及后机身前段等多个结构，都采用了适合于大型平面（或者曲率不算很大的曲面）结构的自动铺带-热压罐工艺。机身的47 段由位于美国德克萨斯州的Vought Aerospace工厂生产，使用的自动铺带机由辛辛那提公司生产。其他机身段则分别由Alenia Aeronautics（意大利）、川崎重工（日本）、Sprit Aerosystems（美国）以及Winnipeg（加拿大）工厂生产，并根据制件的曲面要求分别采用自动铺带或自动铺丝（该技术更适合于大曲率或者型面复杂结构的铺附）设备生产。

从2003年起，波音787的襟副翼和扰流板转至澳大利亚的De-Havilland生产，并采用了真空辅助树脂传递模塑（VARIM）成型技术，采用了新的注射树脂和新的碳纤维无纬布。机身后压力隔框对机身气密性有着至关重要的作用，因此以前均未尝试使用复合材料制造，而波音787的后压力隔框则采用了独特的VARTM技术。位于德国的EADS集团Augsburg分部，采用碳纤维缝合预成型体，再采用VARTM注射固化的工艺制造了波音787的后压力隔框。另外，波音787的起落架撑杆也采用了3D编织预成型体，再送往法国Le Harve的Mssier Dowty公司通过树脂传递模塑（RTM）成型。

另悉，波音787的大部分地板横梁采用了树脂膜熔渗（RFI）技术成型。

波音787机身独特的筒壳结构对装配工作提出了新的挑战：如果采用传统方法，则自动化铆接机的直径过大。川崎重工另辟蹊径，采用了电磁铆接技术，这是由两个独立的较小的柱式机器组成的一个设备，可提供更快的铆接速度、较高的可靠性和铆接精度。波音公司在787客机的部件装配和全机的对接总装中，进一步应用基于数字化协调的阵列式装配技术，如将协调孔的定位方法应用于部件装配（基于上述定位原理的数字化协调方法）[12]。波音787的装配采取的是模块化装配，在总装时接收的是机翼、机身等部件，相当于“成品”，即在其部件内部不仅结构完整，而且相关的管路、电缆、黑匣子、绝缘毯、地板、座椅导轨等都已安装好[13]。

2.3 波音787的复合材料维修

波音公司对向787的客户承诺：“梦想飞机”的机体维修成本在投入运营的前12

年将比波音767以及其他竞争机型低30%，如果这个承诺未能兑现，波音将对航空公司进行经济补偿[14]。据悉，维修成本的大大降低主要来源于波音787大量采用复合材料，而通过减少计划维修和延长维修时间间隔，是节约维修成本的重要手段，复合材料所表现出的优异的抗疲劳、耐蚀性能则正好保证了波音787较之其他客机可以有更长的维修时间间隔。

3 波音787的复合材料国际化制造模式

波音认为仅仅制造技术上的创新尚不能完全承接波音公司引领世界民用航空领域的梦想。波音在波音787项目上首次采取了全球供应链的战略，这对于善于外包管理但是又一向以沉稳著称的波音是一次在原有基础上的重大革命。为此，波音公司将其原在华盛顿州工厂的大量工作分散到了美国14 个州和美国以外的11 个国家和地区。波音以往的标准研制模式是先由公司进行飞机设计，再把飞机的零部件或一整段机体的图纸送给它们的制造伙伴工厂去生产，而在波音787的制造中，波音彻底改变了这一惯用模式，它利用Dassault公司的PLM软件套件创建了全球协同的虚拟制造平台，与合作伙伴共同研制波音787客机：主机身48 段由阿里尼亚航空制造公司（意大利）制造；日本的川崎重工、富士重工和三菱重工分别负责制造主机舱45 段、机翼12 段、中央翼盒11段和机身13 段；古德里奇公司则负责制造发动机短舱和反推装置；美国的Spirit公司和Vought公司分别负责制造机身43 段和47 段；全球航空公司负责机尾47 段和48 段等工作。最后，再由波音公司利用以波音747特别改装的LCA超大型运输机，把在世界各地制造的大部件运至波音进行总装。按价格计算，波音公司本身只负责生产约10%—分别是尾翼和最后组装，其余零部件是由40余家合作伙伴提供。

PLM为产品全生命周期的每一个阶段提供数字化工具和强有力的信息协同平台,打破了限制产品设计者、制造者、销售者和使用者之间进行沟通的技术桎梏。PLM实现了从设计到生产车间,从生产到客户支援每一个环节的虚拟显示,最终实现了波音787项目数字式总装到“飞机全寿命期电影”的一次革命[16]。这种风险共担的开发模式，使得从参与波音787项目开始，其产品供应商就已经变成了波音实际意义上的合作伙伴，他们必须充分发挥自身的创造力和经验，与波音共同提供高质量的产品。这样以来，波音在787项目中成功的将供应商数量从波音777时的数百个减至50 个左右[1]。

然而这样的一种国际化制造的新路，却在后期的实施过程中遭遇了包括零件短缺、分包商执行不力、重要复合材料构件出现问题、部分设计需要重新来过等一连串始料未及的问题，并最终导致了第一架波音787于2009年12月才进行了首次试飞，这比原计划整整延后了28 个月，一举成为波音历史上首飞耽搁时间最久的机型[17]。早在宣布波音787飞机首次延误后，波音公司曾经仔细总结教训归结为3

点：一是波音787飞机采用的新技术数量过多，所以从设计到实际生产过程很艰难；二是进度安排过于紧张；三是新机研发的同时，没有及时开发与之相配套的工具和工艺。

在复合材料使用方面，波音787经历的最严峻的1 次考验，就是由日本三菱重工和富士重工联合制造的复合材料中央翼盒居然在静力测试时被意外压弯，虽然波音至今都没有给出一个合理的解释。但是复合材料内部设计过于复杂，据信是一种较为合理的解释。波音公司一直不愿意透露机体在故障发生时的静力载荷值，但其中有一点是明确的：波音公司的计算机预测模型与试验结果不符[18]。复合材料在计算机模拟中往往会遇到很大的困难，究其原因主要是复合材料属于各向异性材料，各个纤维层可朝不同的方向，某一层都有由厚度不尽相同的独立纤维层组成，而其中的缺陷又是不可预测的，因此想用计算机模型进行非常精确地再现，比实现整块铝合金材料困难太多[17]。2009年8月，阿莱尼亚的Grottaglie工厂生产的机身筒体出现蒙皮折皱。同时，复合材料零部件交付拖延也影响着波音787的整体进度，为此在2008年，波音宣布收购787飞机机身部分的生产商—Vought工业公司所持有的意美合资机身制造商Global Aeronautica（全球航空）50%的股份。

对于波音787复合材料的使用，以及采用这种国际化的制造方式，至今仍褒贬不一。大量引入边界条件被认为是波音787项目延期的重要原因，即供应链的大幅变革、将复合材料大量应用于宽体客机的主承力结构。戴顿大学的Danny Eylon指出，波音在787项目上经历了两大风险，一个是采用全复合材料宽体机身，一个则是采用整体固化的机身筒体。但风险也意味着创造，至少在波音对中央翼盒进行了加固后，再没有出现上述问题，而机身筒体则在减少紧固件、装配加工等方面取得了巨大成功。但新的复合材料技术的大量应用与大胆创新制造模式是否矛盾则需要正确审视，毕竟先进技术的风险在经历了多次转包后会陡然增加，民用和军用航空业的咨询公司—蒂尔集团的副总裁理查德.阿布拉菲亚就说，“几十年来，波音公司利用外包商制造飞机的方式一直运行良好，所以在制造波音787时，波音公司对他们也信任有加。这在传统的飞机设计上可能奏效，但在面对新技术和复合材料的应用时，这将是一场灾难。”更可怕的是，波音还将这种外包模式进一步进行了变革。

4 结束语波音787飞机在复合材料的使用上是一个飞跃，而波音公司开创性的使用已经在航空材料发展史上写下了浓墨重彩的一笔。无论是在新材料体系的开发，各种成型工艺的使用，再到复合材料制件的加工装配和维修，可以说，每一个环节都闪耀着波音在复合材料使用方面的光辉。但是，飞机制造是一个庞大的系统工程，任何超越性的技术以及管理理念的实现都必须承担相应的风险，这其实就要求设计者必须在先进技术和先进管理方式的使用中作出自己的折中选择。

参考文献

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