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2022-09-15 13:01
万字解析:国产大飞机C919,是怎么造出来的?

本文来自微信公众号:机械军工e洞察(ID:gh_08c273e9677f),作者:华西军工分析师陆洲,原文标题:《【华西军工】国产大飞机系列报告之一:大飞机机体结构和制造流程解析》,题图来自:视觉中国


2022年5月14日,编号为B-001J的C919大飞机从浦东机场第4跑道起飞,于9时54分安全降落,C919大飞机首次飞行试验圆满完成。而四个月后的9月13日,2架注册号B-001F和B-001J的C919抵达北京首都机场,外界普遍认为C919此行主要是为取证做准备。预计中国民航局将在9月19日正式为C919颁发适航证。C919距离商业化运营又更近了一步。


今天,我们将围绕国产大飞机的机体结构与制造流程、应用材料、机载设备、航空发动机和市场空间等问题进行解析。本篇报告上半部分重点探讨大飞机的机体结构和制造流程,下半部分重点探讨大飞机的应用材料。


一、机体结构和制造流程


先抛2个观点:


C919性能优异,或将逐步替代波音737MAX、空客A320neo系列,市场空间巨大。


C919具有后发优势,在整体设计上采用先进的技术更多,绝大部分性能指标与波音737、空客A320持平,且价格更为实惠(C919报价0.99亿美元,后两者报价均在1亿美元以上),性价比更高。据中国商飞官网统计,C919的国内外客户达到28家,订单总数达到815架。可以认为,C919已逐步开始对波音、空客单通道飞机的替代过程。预计随着首批C919顺利交付,国航和南航等国内航空公司也将陆续引进C919。


未来20年,我国对类似C919这类窄体客机的需求量为每年平均300架左右。假设未来C919在国内能够达到三分之一的市占率,则C919飞机年平均交付量有望达到100架,对我国航空工业带来约68%的增量。


C919研制成功意味着我国民机技术实现集群式突破,整个民机产业链将显著受益。 


大飞机是现代高新科技的高度集成,涉及新材料、现代制造、先进动力、电子信息、自动控制、计算机等众多领域,因此飞机制造是战略地位突出、发展机遇巨大、带动效应极强的高端装备行业。根据美国兰德智库研究,大飞机研制及其核心技术衍射到相关产业,可以达到1∶15的带动效应。C919的出现意味着我国具备了研制一款现代干线飞机的核心能力。我国由此实现了民机技术集群式突破,形成了大型客机发展核心能力。C919商业化将推动我国民用航空制造业技术进步与产业结构的升级换代。


1. C919:交付在即,市场广阔


C919大型客机是我国首款按照最新国际适航标准自行研制、具有自主知识产权的干线民用飞机,全称为COMAC919,“C”取自中国(China)和中国商飞(COMAC)的首字母。2009年C919项目发布;2012年通过国家级初步设计评审,转入详细设计阶段;2015年完成总装下线;


2017年成功首飞;2019年,6架试飞飞机全部投入试飞工作,项目正式进入“6机4地”大强度试飞阶段;2020年,中国民航上海航空器适航审定中心签发C919项目首个型号检查核准书(TIA)。目前,C919大飞机试飞取证和交付准备工作正在有序推进。



C919性能优异,直接对标波音737、空客A320系列。C919基本型混合级布局158座、全经济舱布局168座、高密度布局174座,航程4075-5555公里,将与波音737MAX系列、空客A320neo系列展开直接竞争。根据中国商飞预研总师杨志刚,C919的绝大部分性能指标与波音737、空客A320持平,甚至在气动力布局方面还优于后两者。C919具有后发优势,在整体设计上采用先进的技术更多,自动化程度更高,同时在未来的市场潜力也更具有优势。竞争优势具体如下:


(1)技术领先。采用近年来的新材料、新技术,并全面按照国际民航规章和适航标准开展设计研制并进行适航审定,从安全性、气动性、风洞试验等角度来说都更具优势。


(2)更具经济性、舒适性、环保性。飞机燃油消耗、座公里直接使用成本比现有同类飞机低,经济性特点突出;采用加宽客舱和座椅宽度、配备新的机载设备等手段来改善舒适性;视野设计比同类型的宽,更能保证行驶安全;选用新型发动机满足噪声和污染物排放的要求,提高环保性。


(3)价格更为优惠,性价比高。空客A320和波音737MAX系列飞机的单价都超过了1亿美元。而根据东航定增公告显示,C919报价为0.99亿美元(折合人民币为6.53亿元)。并且,目录单价是制造商对外公开的价格,一般实际的成交价会根据谈判结果打一定比例的折扣。在公告中就提出,本次拟引进的飞机实际合同价格经订约各方按公平原则磋商后厘定,低于产品目录所载的价格。



首架交付机首次试飞圆满完成,C919商业化运营在即。2022年5月8日下午,首架交付机也就是07号飞机在浦东机场第五跑道进行了中、低速滑行测试。5月10日,东航发布定增预案,其中包括4架C919大飞机。5月14日,编号为B-001J的C919大飞机从浦东机场第4跑道起飞,于9时54分安全降落,标志着中国商飞公司即将交付首家用户的首架C919大飞机首次飞行试验圆满完成,商业化运营在即。



C919订单超800架,商业化潜力巨大。据中国商飞官网统计,C919的国内外客户达到28家,订单总数达到815架。可以认为,C919已逐步开始对波音、空客单通道飞机的替代过程。预计随着首批C919顺利交付,国航和南航等国内航空公司也将陆续引进C919。


根据航空工业发展中心发布的《民用飞机中国市场预测年报(2021-2040)》,中国市场来看,预计 2021-2040 年间将需要补充7646架客机,其中窄体客机需求量达5276架,而窄体客机中,以波音737、空客A320和C919为代表的150座级窄体客机需求量预计4031架,占飞机总需求量的52.7%;


全球市场来看,预计未来20年全球需要窄体干线客机近2.95万架,其中150座级的需求量达22300架。假设C919未来20年在国内窄体客机市场中市占率达三分之一,则仅中国市场的年需求将达近90架,再考虑到海外市场,则C919的年均销量有望达到100架。



C919研制成功意味着我国民机技术实现集群式突破,整个民机产业链将显著受益。大飞机是现代高新科技的高度集成,涉及新材料、现代制造、先进动力、电子信息、自动控制、计算机等众多领域。飞机制造是战略地位突出、发展机遇巨大、带动效应极强的高端装备行业,一直被誉为“现代制造业的明珠”。


根据美国兰德智库研究,大飞机研制及其核心技术衍射到相关产业,可以达到1∶15的带动效应。C919的出现意味着我国具备了研制一款现代干线飞机的核心能力。我国由此实现了民机技术集群式突破,形成了大型客机发展核心能力。C919商业化将推动我国民用航空制造业技术进步与产业结构的升级换代。



2.飞机结构及其特点


2.1飞机结构介绍


飞机主要由机身、机翼、尾翼、起落架、动力装置、机载设备、控制系统等部分组成,其中机身、机翼及尾翼等部件构成飞机的主体结构。


2.1.1机身


机身结构包括前机身、中机身、中后机身、后机身、短舱、尾撑等筒形结构,主要用于装载人员、货物、燃料、武器、各种仪器设备和其他物资等,同时将机翼、尾翼、发动机和起落架等部件连接在一起。


机身是整架飞机的受力基础,其承受的载荷主要有装载力、其他部件的力、增压载荷和气动载荷。普通框承受蒙皮传入机身周边的空气动力以及因机身弯曲变形引起的分布压力;加强框将装载的质量力和其他部件上的载荷经接头传到机身结构上的集中力加以扩散并传给蒙皮;长桁和桁梁承受机身弯曲时产生的轴力;蒙皮构成机身的气动外形,并保持表面光滑,承受局部空气动力。



 2.1.2.机翼


机翼一般由机翼主盒、襟翼、副翼、前缘缝翼、扰流片、发动机吊挂等部分组成。


机翼是飞机升力的主要来源,同时具有布置弹舱和油箱、收容起落架的功能。另外,在机翼后端上还安装有用于改善起降性能的襟翼和用于飞机横向操纵的副翼,在机翼前缘安装有用于增加升力的前缘缝翼。飞机通过控制前缘缝翼和后缘襟翼往下展开到不同的卡位,来改变机翼弯度和面积,以增加或减少飞机起降时的升力及阻力,从而避免过长的滑跑距离。



2.1.3.尾翼


尾翼包括水平尾翼和垂直尾翼,主要用于保持飞机在飞行中的稳定性,控制飞机的俯仰、偏航等飞行姿态。


尾翼的内部结构与机翼十分相似,通常都是由骨架和蒙皮构成,但它表面尺寸一般较小,厚度较薄,在构造形式上有一些特点。一般来说,水平尾翼由固定的水平安定面和可偏转的升降舵组成,垂直尾翼由固定的垂直安定面和可偏转的方向舵组成。为了改善跨声速和超声速飞行器在高速飞行中的纵向操纵性,许多超音速飞机都将水平安定面与升降舵合二为一,设计成整体可偏转的全动平尾。



2.1.4.起落架


起落架主要由机轮、承力支柱、减震器、收放机构、转弯操纵机构等组成,是飞机起飞、着陆、滑跑、地面移动和停放所必需的支持系统,尤其是在降落阶段,它能够承受、消耗和吸收巨大的瞬间撞击能量。起落架对于材料强度、韧性等方面的要求较高,其性能的优劣直接关系到飞机的使用安全。



2.2.飞机装配单元


为了解决飞机大型复杂部件难以直接整体制造的问题,同时满足良好的开敞性和可维护性,飞机机体在制造过程中一般被分解为许多大小不同的装配单元,相邻装配单元之间的对接结合处会形成分离面,一般可分为两类:


2.2.1.设计分离面


设计分离面是根据构造上和使用上的要求而确定的。如飞机的机翼,为便于运输和更换,需设计成独立的部件;如襟翼、副翼或舵面,需在机翼或安定面上作相对运动,也应把它们划分为独立的部件;又如战斗机机身后部装有发动机,为便于维修、更换,就把机身分成前、后机身两个部件。


设计分离面之间一般都采用可卸连接(如螺接、铰接等),而且一般要求它们具有互换性。


2.2.2.工艺分离面


飞机结构的划分不仅要满足构造和使用上的要求,还必须同时满足生产工艺上的要求。工艺分离面就是为了合理地满足制造过程的要求,按部件进行工艺分解而划分出来的。部件划分为段件后形成的工艺分离面,既可以增加平行装配面,缩短装配周期,又有助于改善装配工作的开敞性,提高装配质量;部件、段件进一步划分为板件后形成的工艺分离面,为提高装配工作的机械化和自动化程度创造了条件。


工艺分离面之间一般采用不可卸连接(如铆接、胶接、焊接等),待装配成部件后,工艺分离面会随之消失。


以机翼为例,机翼中段上、下壁板与机翼前梁、机翼后梁之间的分离面属于工艺分离面,采用不可卸连接;襟翼、副翼与机翼之间的分离面属于设计分离面,采用可卸连接。



2.3.飞机结构特点


飞机结构具有零件多、尺寸大、刚性差、精度高、形状复杂、结构复杂等特点。


零件多:从铆钉、螺栓到桁、肋、框、梁,再到座椅、引擎,飞机由众多零部件组成,比如一架波音737飞机就包含大约600万个零部件。


尺寸大:大型飞机的整体壁板长达30米左右,毛坯重3-4吨,大型机身整体框约6米*3米,毛坯重约2吨,必须配置大型机加机床和相应的装卸、搬运等设备。


刚性差:飞机零件大部分是由板材和型材制成的薄壁构件,刚性较差,在车削、锻造、焊接等加工过程中容易发生加工变形。


精度高:飞机的飞行寿命一般在9万小时左右,机身之间的装配精密程度对飞机的使用寿命有较大影响。比如,C919各机身段与段之间空隙距离的精度达到0.03-0.05毫米。此外,若蒙皮与贴合的骨架之间有较大的装配间隙,就会发生很大的装配应力,会导致飞机强度和寿命的降低。


形状复杂:飞机整体结构件多数为板块状,其轮廊外形部位一般与飞机机体复杂的外形有关,如梁、框、肋等平面零件周边外形角度变化较大,因此,加工的开敞性差,工作量大,加工技术难度大。


结构复杂:飞机零件外形复杂且刚性较差,这就造成零件之间结构关系复杂,需要更多的紧固件将其定位在一起,而紧固件的增多为装配带来更高难度,为了装配又不得不设计更加复杂的结构来实现可装配性,这种“恶性循环”很大程度上导致了飞机结构的复杂性。



3.飞机制造产业链


飞机制造产业链条长、涵盖范围广、带动效应强,是衡量一个国家国防实力和工业水平的重要标志。产业链上游为结构钢、轻金属材料、复合材料等材料供应商,中游为机身、机翼、尾翼、发动机、起落架、机载设备等部件制造商,下游为整机集成商。根据《打造并拓展中国大飞机产业链》,机体、发动机、机载设备及其他部分占整架飞机的价值量分别为30%-35%、20%-25%、25%-30%、10%-15%。


在我国军用飞机制造体系中,由于主机厂呈现集团化、规模化、主体化、分类化等特点,中游与下游界限比较模糊,西飞、沈飞、成飞、哈飞、昌飞、洪都等整机集成商一般同时承担着大多数部件的制造工作;而在民用飞机制造体系中,C919、AG600等大飞机一般采取国际上通行的“整机集成商+多级供应商”大协作模式,中国商飞、中航通飞是整机集成商,西飞、沈飞、成飞、洪都等则是为其提供配套产品的部件制造商。



4.飞机制造流程


飞机制造是指按设计要求制造飞机的过程,通常仅包括飞机机体零构件制造、部件装配和整机总装等。而动力装置、机载设备、液压系统、控制系统、仪表、附件等则由专门厂商制造,一般不列入飞机制造范围。但是它们作为成品在飞机上的安装以及与其他系统的连接、电缆和导管的敷设、各系统的功能调试都是总装的工作,是飞机制造的组成部分。


飞机制造的主要流程包括工艺准备(含工艺装备设计与制造)、零件制造(含毛坯准备、机械加工、钣金零件成形、非金属材料加工等)、部件装配、总装调试等。


4.1.工艺准备环节


飞机零件多、结构复杂,制造过程中涉及的工艺装备种类多、成本高,生产工艺准备工作量大、周期长。


①钣金零件制造工艺装备:为使薄板类金属或非金属材料成型为飞机结构零件而使用的工艺装备。如拉深模、拉伸模、拉弯模、下陷模、注塑模、压型模、型胎拉型模、滚轮模、型材冲切模、型材下陷模、闸压模、导管模、热成型模、落压模、爆炸成型模、聚氨酯橡胶模、复合材料模具等。


②机械加工工艺装备:为使厚板类材料或锻铸焊结构件毛坯通过机床加工成型为所要求的飞机零件而使用的工艺装备。如车床夹具、铣床夹具、镗床夹具、焊接夹具、磨床夹具以及专用检验夹具等。


③地面设备和试验设备:地面设备是为搬运、支撑、吊装、登临或储存飞机零部件而使用的工艺装备,如拖架车、千斤顶、吊具、工作梯、存放架车等;试验设备是为飞机部件、系统、整机等进行各类试验而使用的专用工艺装备,如液压试验设备、真空试验设备、压力试验设备、密封试验设备、电系统试验设备、模拟功能试验设备等。


④装配工艺装备:在产品从组件到部件装配以及总装配过程中,用以控制其几何参数所用的具有定位功能的专用装备。如装配型架、装配夹具、安装夹具、安装量规、钻模、钻孔样板、补铆夹具、对合夹具、精加工型架、平衡台、水平测量台、检验夹具等。


⑤标准工艺装备:是以1:1的真实尺寸体现产品某些部位几何形状和尺寸的刚性实体,作为制造、检验和协调生产用工艺装备的模拟量标准,是保证生产用工装之间和产品部、组件之间尺寸和形状协调与互换的重要依据。如标准样件、标准量规、标准平板、标准实样、标准尺规等。


4.2.零件制造环节


飞机零件制造是实现航空材料向关键子系统和整机制造转变的重要环节,具有产品门类繁多、工艺路线复杂、产品精密度高等特点。


飞机薄壁零件结构刚性差,在预成形后或机械加工后,从夹具上卸下来时会在残余应力的作用下发生变形,因此需要对毛坯材料进行特殊处理,比如板料一般会进行预拉伸处理。


飞机机体构件选用的材料种类繁多,具有各种钣金零件、骨架零件、整体结构件,相应的加工工艺也多种多样。如型材零件的压弯、滚弯、拉弯;回转体零件的旋压、胀形、拉深;框肋类零件的橡皮成形;整体壁板的切削加工、化学铣切和喷丸成形;骨架零件的数控加工等。而且为适应飞机结构的发展,要求不断采用新技术、新材料和新工艺。如高能成形、应力松弛成形、高速加工、复合材料等。


4.3.部件装配环节


飞机装配是根据飞机尺寸互换协调原则,采用专用的工艺装备、测量设备以及其他设备将大量的飞机零件、标准件和成品按图样或全三维模型、技术条件,按照一定的顺序和方法进行机体结构铆接装配、系统安装、调试和试飞的过程。


飞机制造过程中,飞机装配环节花费的工时最长,据统计飞机装配工作量占整个飞机制造总劳动量的50%左右,装配成本占总全机成本的40%以上,装配工作周期也占全机生产周期的50-75%。



飞机装配准确度直接影响到飞机的使用性能和生产的互换性,因此保证飞机机体的装配准确度是飞机装配的主要任务。飞机零件、组合件或部件的制造准确度是指它们的实际形状和尺寸与图纸所规定的公称尺寸相符合的程度,而协调准确度是指两个相匹配的零件、组合件或部件之间配合部分的实际形状和尺寸相符合的程度。


由于飞机结构尺寸大,形状复杂,为保证零件、组合件或部件之间配合面的形状和尺寸的协调准确度,如果是以它们本身更高的制造准确度来达到,在经济上既不合理,技术上又很困难。实际上,在飞机制造中,零件或部件之间配合表面的形状和尺寸的协调准确度往往比它们本身的制造准确度要求要严格。



为保证零件、组合件或部件之间的协调准确度,通过模线、样板和标准工艺装备建立起相互关系的制造路线。在零件制造和装配中,零件和装配件最后形状和尺寸的形成过程从图纸通过模线、样板和标准工艺装备制造出模具、装配夹具,然后制造零件和进行装配等一系列形状和尺寸传递过程。


以机翼装配为例,其装配过程是:前梁由前梁夹具装配成组合件,前梁、前肋及前段蒙皮由机翼前段型架组装成机翼前段,再将机翼前段、后段以及其他零件和组合件在机翼总装型架上组装成机翼。



4.4.总装调试环节


飞机总装对接是飞机制造中的关键环节,前期的零件制造、部件装配都是为这一阶段的总装配积累基础,飞机总装对接主要包括机身段对接、翼身对接和尾翼对接。


机身段对接:机身是飞机操作飞行和承载目标物的核心载体,机身段的总装对接是保证飞机成功制造和安装使用的关键环节。按照安装顺序的不同,机身对接可以分为带翼对接法和成龙对接法,前者是指带中央翼的飞机中段先和外翼进行对接,然后再与机身前后段进行对接的方法;后者是指先把机身各段实现对接,然后再和机翼对接的方法。



翼身对接:翼身对接形成大十字架或小十字架,是构成飞机机体核心结构的主要环节。翼身对接可以分为全翼对接法和外翼对接法,前者是指左右外翼与中央翼预先进行横向对接,再参加全机对接的方法;后者是指中央翼先与中机身安装在一体,左右外翼再分别与中央翼进行对接的方法。



尾翼对接:水平尾翼因为分左右翼,所以其对接方式与机翼类似,分全水平尾翼对接法和左右水平尾翼外挂对接法两种。垂直尾翼是一个单独部件,大部分情况下参与飞机全机最后对接,如波音737,但也有预先和机身尾段进行连接,与尾段一起参与飞机全机最后对接,如ARJ21-700。


5.先进飞机制造技术


现代飞机制造技术正朝着数字化、并行化、智能化、集成化、柔性化等方向发展,飞机制造中的各个流程也必须符合这种发展趋势,才能满足现代飞机制造的发展要求。


5.1.工装


传统工艺装备的制造路线为,模线设计部门根据理论图样,参考结构或系统图样画出1:1的模线明胶图版或金属模线图版,再以模线明胶图版或金属模线图版为基准作出各类样板,用样板制出正反标准样件,由正反标准样件脱出各个不同工序的模具、夹具,协调制造各类装配型架的内外型卡板、基准标高和交点,用模夹具制造零件,用型架安装部组件以及飞机总装。


随着飞机设计向三维化、数字化发展,精确的工程描述可以在工程设计阶段就解决飞机各个结构件之间的准确协调问题,不必再依靠模线的重复设计工作。结合精确的三维设计模型,无论是飞机零件制造,还是组部件装配,越来越多的精加工专业设备和数字化的检测工具开始出现,慢慢取代和省略大量的传统工艺装备。



5.2.机加


现代飞机结构与材料的特点对数控加工技术及装备提出了很高的要求,在基本实现了机加数控化的同时,飞机制造中广泛地采用了3C集成系统和DNC技术,同时,柔性生产单元和柔性生产线的应用也较为普遍,高速切削加工技术应用水平较高,基本实现了自动化、高效率数控加工,目前数控机床正向高速化、复合化方向发展。


压紧器自动避让系统:传统机床夹具上的工件压紧器都是在机床加工过一个程序后停机,用手工来进行移位调整的,而该系统的压紧器通过信号传感介质(继电器、光感元件、程序编制等)自动避开铣切主轴的运动轨迹,避免工件重复定位,节约加工时间。


全封闭式镗铣一体化柔性数控系统:该系统功能集成度较高,配合高效能的刀具库,用于复杂的飞机零件一步加工到位。


座椅滑轨类零件专用一体化加工系统:该系统专门用于飞机机舱内座椅滑轨类零件(包括货舱系栓导轨)的加工,可以一次性完成开槽、制孔、切断、砂光等诸多工序。


5.3.钣金


在飞机制造中,框肋、蒙皮、壁板等典型钣金零件构成飞机机体的框架和气动外形,钣金制造技术的发展对提高飞机性能、加快飞机产品迭代、降低飞机研制费用具有重要意义。目前飞机钣金制造技术正向数字化方向发展。


在钣金成形方面,数控铣床板坯下料、蒙皮拉伸成形、壁板喷丸成形/强化、零件高压橡皮囊液压成形等主要工艺均已实现数控化。同时正在提高成形过程的数字模拟和动态仿真以及实时监控与变形量控制技术,钣金成形的专用设备正向多功能、柔性化和机械加工化方向发展。


精密钣金成形技术:先进飞机钣金壁板的明显特点是蒙皮厚、筋条高、结构网格化、整体集成度大、难以成形。大型飞机气动外形要求严、寿命要求长,钣金件不许敲击成形,大都采用精密成形技术。这类技术涉及的工艺准备有数控多点组合成形模具、数控真空组合吸盘系统、厚壁板数控铣切设备、自动喷丸成形设备等。


代替化铣的蒙皮镜面铣切系统:该系统是一种镜像对称、双头随动、连续加工薄蒙皮和双曲蒙皮的专业蒙皮加工设备,可以取代蒙皮拉形后的手工修整作业和钣金蒙皮的化学铣切。



5.4.复材


复合材料零件在飞机结构中应用的比例越来越大,复合材料零件制造类设备和工艺装备也越来越先进,共固化成形、树脂传递模塑成形、复杂件缠绕成形、丝束铺放、复合材料辐照固化等复合材料制造新技术和质量保证技术均已得到应用。


真空辅助渗透成形技术:该技术利用真空的吸附将低粘度液体树脂渗透到预制件的各个部分,适用于常温和使用温度不高的大型壁板结构件的生产。


纤维缠绕-铺放技术:该技术是在缠绕技术和铺放技术的基础上发展起来的,单纯的缠绕技术不能实现纵向纤维缠绕及局部增厚增强,而这些可以通过铺放技术来实现,因此,缠绕-铺放技术一经出现,便在飞机结构中得到广泛应用。


电子束固化技术:该技术是一种新出现的复合材料制造技术,将作为一种低成本和非热压罐固化技术用来制造大型复合材料结构件,其优点是固化时间短、树脂的稳定性好、可与铺层工艺连续作业及在单一产品中能固化具有不同热固化循环的材料等,工艺装备也更简单经济,不受昂贵热压罐尺寸的限制。




5.5.部装


部件装配是飞机制造过程中由零件制造阶段进展到装配阶段的工作。在部件装配过程中,零件与零件、零件与部件之间的装配是通过一定的定位介质来定位的,同时,通过一定的连接工具来实现连接。


在部件定位方面,现代装配技术设备有柔性装配定位系统、机械手找正零件定位装备、激光跟踪仪辅助定位系统、自动外形生成系统、壁板类流水线定位系统等。


在部件连接方面,现代装配技术设备有数控钻铆机及干涉铆接、高压水制孔系统、计算机辅助钻削系统、数字模拟装配和机器人自动化装配等。


柔性装配定位系统:一台工艺准备可以定位多种飞机部组件,或一个组部件可以在多台工艺准备上流转,特别适合构型变化多、类似件可以合并的飞机组部件定位。


激光跟踪仪辅助定位系统:以激光跟踪仪为自动定位基准工具,对飞机零件、组件、部件进行定位。



自动连接技术:据统计,飞机机体疲劳失效事故的70%起因于结构连接部位,其中80%的疲劳裂纹发生于连接孔处,因此连接质量极大地影响着飞机的寿命。自动连接技术是现代飞机部装制造中的必需技术,包括自动钻铆系统、自动钻铆机托架系统、机械手或机器人系统、柔性自动钻铆及装配系统等。


电磁铆接技术:电磁铆接可替代大功率压铆设备,进行大直径、高强铆钉的铆接;进行难成形材料、大直径及厚夹层的铆接;可以在结构上实现均匀的干涉配合连接。


无外形卡板型架装配技术:无外形卡板型架装配系统主要由激光跟踪定位仪和装配平台等组成。无外形卡板型架装配技术可实现模块化,通用性强,产品装配定位准确,部件装配开敞,效率高,生产准备周期短。数字化传递技术、精确成形技术、高精度的数控加工技术以及整体结构件的刚性是无外形卡板型架装配技术的基础。



5.6.总装


飞机总装在制造方面解决的主要问题是飞机连接部件之间相对位置的准确定位和几何要素符合工程要求的精确连接。目前,比较先进的制造技术和装备有以下几种:


局域空间定位系统:该系统主要是在一定范围区域内对参与对接的飞机部件进行工程要求的位置定位,并将位置数据传输给辅助驱动设备,驱使设备实现工程对接。该系统关键技术有室内GPS定位系统、激光跟踪仪定位系统、激光雷达定位系统等。



自动连接技术:飞机总装对接的目的就是完成连接,自动连接技术是关键所在。自动连接设备有柔性导轨自动钻孔设备、便携式翼身对接钻孔装置、机器人自动钻铆设备、激光导引的钻孔设备、电磁铆接装置等。


发动机、起落架自动安装系统:在测量系统的辅助下,发动机、起落架自动与机体上的安装接头进行对接,该系统带有信息接收和反馈装置、自动驱动装置、自动升级装置、自动姿态保持装置等。


移动生产线总装系统:引导飞机在移动过程中进行总装测试的集成运动设备,包括引导运动结构、机体承载结构、总装工作平台、总装测试集成装置、能源输送装置、座椅自动输送工作梯等。


自动化工作平台:集机、电、液、气、磁、集成电路等技术于一体的先进自动化工作平台,包括自动提升装置、功能照明系统、液压升降伸缩系统、自动垃圾分拣处理系统、成品件和标准件自动识别系统、能源保障系统等。


6.C919关键制造技术


C919飞机立项以来,在国内现有飞机制造技术基础上进行了梳理,针对新材料、新工艺带来的挑战,先后设立了24大项关键技术,同时带动国内9家机体供应商开展了47项关键技术攻关工作。这些关键技术覆盖了机翼厚壁板复杂结构金属喷丸成形技术、环保表面处理技术、铝锂合金加工技术、主承力结构件的复合材料制造技术、复合材料无损检测及修补技术、数字化工艺技术、自动化装配技术等技术领域,从整体上带动了民机制造产业的技术提升。


6.1.铝锂合金制造技术


铝锂合金是C919选材中的显著特色之一,在机身结构中使用铝锂合金在我国飞机制造中尚属首次。铝锂合金机身结构制造工艺涉及钣金、热处理、机加、连接及表面防护技术,系统全面地掌握铝锂合金制造工艺,是C919型号研制成功的关键之一。


在C919研制过程中,我国建立了新型铝锂合金制造工艺体系,突破了铝锂合金制造关键技术,解决了新型铝锂合金表面处理、化学铣切与传统铝合金的溶液兼容问题,实现了新型铝锂合金机身蒙皮结构件的高效、精准成形,完成了此类零件的工艺经验积累和技术数据采集,形成了铝锂合金钣金成形、表面处理、化学铣切等系列工艺规范。


(1)铝锂合金精密热处理技术


铝锂合金的主要优点是密度低、比模量高,这些性能的实现不仅取决于原材料冶金成分和轧制工艺,后期预拉伸和人工时效工艺也至关重要。以铝锂合金结构件承力状态为依据,开展了铝锂合金基于强度的时效工艺和基于损伤容限的时效工艺的工艺验证,掌握新型铝锂合金热处理过程中元素扩散规律,有效控制沉淀强化相的析出,获得满足强度和损伤要求的工艺。


(2)数控蒙皮铣切技术


根据设计要求,C919机身蒙皮结构加工过程中需要采用机械铣切技术,用机械铣切代替传统化铣工艺是C919工艺上的显著特色之一。此前我国第三代铝锂合金切削加工工艺尚未有经验可循,且蒙皮多为薄壁结构,刚性较差,加工容易出现缺陷问题,C919项目对此开展技术攻关,解决了铝锂合金机械加工工艺,确定了满足切削加工要求的工艺参数。


(3)环保型表面防护技术


传统的表面处理工艺高污染、高能耗,在表面处理实施过程中会产生大量污染环境的废物。在大型客机绿色环保的需求下,结合新型结构材料开展了新型铝锂合金新型阳极化工艺的研究,实现了铝锂合金与常规铝合金虽不同时下槽,但可同槽处理的新工艺方法。这一工艺的获得不仅解决了铝锂合金表面防护问题,更避免了为铝锂合金生产而重建生产线难题,简化了生产工艺。



6.2.复合材料制造技术


C919在平尾、垂尾、后机身、后压力球面框等结构上使用了复合材料。此前,复合材料制造技术在国内虽已有一定的应用基础,但尚未在民用飞机的主承力构建中使用,未形成稳定的、满足适航验证要求的制造工艺。C919项目针对这一短板,通过复材构件制造、检测、装配这一主线过程,梳理制造关键技术,分别攻关,形成了民用飞机复合材料承力构件研制能力。


(1)大尺寸变厚度加筋壁板制造技术


C919复合材料用量占机体总重量的15%,其中大部分为加筋壁板结构。民用飞机壁板部件尺寸大,厚度变化大,需要与细长长桁共胶接,制造过程中会产生比较严重的变形问题及孔隙率问题;平尾、垂尾、后机身均为加筋壁板共固化结构,国内之前还没有进行过如此大尺寸的共固化加筋壁板结构制造,制造过程中有可能产生共固化定位不准、脱模困难等问题;后压力球皮结构的无皱褶铺贴也为新工艺,可能产生较大的表面褶皱,筋条在球皮上的定位也有较大难度。


通过C919客机复合材料结构件制造技术研究,针对复合材料固化变形基础技术,开展了复合材料固化变形及残余应力控制技术,对整体化成型工艺过程的数值模拟可预测整个工艺过程的温度场及固化度场的分布情况,成功预测构件的固化变形情况;针对自动铺带工艺,开展自动铺带的工艺窗口技术研究,突破了复杂曲面铺贴工艺参数,及其对产品性能影响的控制技术,为自动铺带技术在民用飞机大尺寸结构件的应用奠定了基础。



(2)复合材料整体共固化制造技术


大型整体结构件可以利用复合材料制造的特点,采用共固化技术,减少紧固件数量甚至是不使用紧固件,是民用飞机复合材料构件制造的发展趋势,在C919平尾壁板制造中,解决了子母真空袋封装技术,以及模具设计制造技术,实现了平尾复合材料整体壁板的共固化成型技术的应用。


(3)复合材料孔隙率检测与评估技术


孔隙率的出现在复合材料中不可避免,飞机不同部位对孔隙率的要求不同,主承力结构件对孔隙率的控制非常严格,一般不能高于1.0%~1.5%;次承力结构件一般要求孔隙率低于1.5%~2.0%。


普通分层、夹杂、气孔等缺陷的检测与评估相对来说较为成熟,但是孔隙率这类微观缺陷的检测与评估技术至今仍是复合材料无损检测公认的技术难题。通过对比试块法,针对C919所使用碳纤维复合材料,制造出了一系列不同厚度、不同孔隙率阶梯的标准试块,再通过采集超声底波衰减信号,建立评估曲线,从而实现了对孔隙率的评估。



6.3.自动化装配工艺技术


飞机装配技术是飞机生产的龙头,C919飞机装配技术着眼于未来批生产的模式,以实现飞机自动化装配生产线为目标,先后开展了数字化工艺设计与仿真技术、自动化装配技术以及自动化定位技术等攻关工作,解决了C919生产中所涉及的装配质量稳定、装配效率提升等问题。


(1)数字量装配工艺设计与仿真技术


C919项目建立了符合我国大型客机研制的数字化工艺设计方法,实现了基于单一产品数据源的在线数字化工艺设计平台,开发了基于数字化工艺设计与仿真软件的工艺编辑器以及装配偏差仿真分析与容差分配设计工具,引入了生产线设计评估分析系统,建立了装配仿真、生产线仿真评估体系,构建了面向三维数字化工艺设计和应用的一体化集成研制环境。


(2)自动化装配技术


机体结构系统日益复杂,结构寿命要求不断提高,部件或机身连接的精密装配要求尤为凸显。C919项目针对自动化生产和高精度装配质量的要求,开展了自动化装配技术研究,全面采用柔性化、自动化精密钻铆装配技术,验证了铝锂合金自动钻铆工艺、复合材料装配工艺、干涉铆接工艺等技术,扩大了连接工艺规范的技术范围,提升了长寿命制造的工艺能力。



(3)大部件自动定位对接技术


飞机大部件对接数字化装配技术将传统的依靠手工或专用型架夹具的装配方式转变为数字化的自动对接装配方式,将传统装配模式下的模拟量传递模式转变为数字量传递模式,提升了装配精度和效率。C919全机对接生产线设计采用自动定位对接系统,突破了自动对接工艺流程规划、柔性定位机构设计与控制与大空间多运动目标智能测量技术等关键技术。



(4)数字化装配生产线技术


根据C919批生产的需求,联合国外生产线供应商,建设了中机身、中央翼、平尾、全机对接以及系统总装移动生产线等五条生产线。生产线以实现C919部装自动化、数字化、柔性化为任务,充分考虑柔性、兼容性及可扩展性,可适应C919不同机型的装配、对接需求。


引入了机身壁板自动钻铆设备、虚拟五轴自动制孔设备、壁板类自动装配设备、机身/翼身自动对接设备等,实现了部件装配/对接自动化测量、定位及数字化制造协调和检测等综合技术的应用集成。



二、应用材料


 C919选材兼具成熟性和先进性,先进材料应用比例高于对标机型波音737、空客320。


“一代飞机、一代材料”,先进材料的应用是航空技术发展和进步的最重要推动力之一,同时,航空技术的发展需求又极大地引领和促进航空材料的发展。从国外大型客机材料应用情况来看,复合材料和钛合金的在飞机上的占比迅速提升,成为衡量先进飞机的重要指标。


C919选材兼具成熟性和先进性:在中央翼、机翼、机身等主承力部段上使用了经ARJ21飞机成功验证的铝合金等成熟材料,在尾翼、后机身和襟缝翼上使用了复合材料,特别是在尾翼盒段和后机身前段上使用了国外先进的第三代中模高强碳纤维复合材料,在机身蒙皮和长桁结构中使用了第三代铝锂合金。C919先进材料应用比例高于对标机型波音737、空客320,绝大部分性能指标与其持平。预计随着后续C919的批量交付,先进材料国产化进程将再提速。

 

C919采用第三代先进铝锂合金,综合减重7%。 


铝材是民机制造最重要的关键材料之一,C919前机身、中机身、中后机身、机头与机翼结构件几乎全是用铝材制造的,铝材占全机结构总重的比例为65%,其中第三代先进铝锂合金占比达到8.8%。铝锂合金具有低密度、高弹性模量、高比强度和高比模量的优点,减重成效显著,已成为当前各国争相发展的重要航空材料。采用铝锂合金可使飞机铝合金零部件的质量减轻14%~30%,进而使得每架飞机每年的飞行费用下降2.2%以上。


国内铝锂合金研发已取得重大突破,建立了具有自主知识产权的合金牌号,如2A97、X2A66,但产业化刚刚起步,目前仍依赖进口。不过,C919机身所使用的其余高端铝材或即将实现100%国产化,主要由西南铝业和南山铝业提供。

 

钛合金广泛用于飞机机体和发动机,是C919上国产化最多的先进材料。


与铝、镍等主要航空用金属相比,钛是唯一一种广泛用于飞机机身及发动机的材料,强度、耐热性、耐蚀性、抗弹性和成形加工性良好。并且,由于钛与碳纤维复合材料的电极电位相近,使得它又成为复合材料惟一的连接材料,在航空紧固件中得到大量使用。


C919飞机的前机身压板、机头蒙皮、吊挂、中央翼缘条、尾翼接头、机翼滑轨等部位均使用了钛合金,总用量达到机身结构重量的9.3%。C919飞机选择了6个钛合金牌号,包括低强高塑性、中强中韧、中强高韧、高强高韧及系统用材,产品形式涵盖了锻件、厚板、薄板、型材、管材、丝材等。


同时,钛合金是C919上国产化最多的先进材料,宝钛集团和宝钢股份都已有材料在大飞机上使用,西部超导Ti-6Al-4V钛合金也已通过商飞资质认证。C919钛材用量约为3.92吨/架,假设未来20年可制造1200架C919,在不考虑损耗率的情况下预计带来4700吨航空钛材需求量,市场空间广阔。

 

T800碳纤维复合材料首次在国内民机上使用,国产化指日可待。


复合材料在C919上的应用达到12%,绝大部分为碳纤维/环氧树脂复合材料;应用部位包括水平尾翼、垂直尾翼、翼梢小翼、后机身、雷达罩、副翼、扰流板和翼身整流罩等。这是国内首次在民机上采用如此大规模的复合材料,此前ARJ21支线客机复合材料用量为8%左右;这也是国内首次在民机上使用T800级高强碳纤维复合材料,T800级碳纤维的拉伸强度和拉伸模量较T300提高50%左右,性能优越。


 国内企业现已具备航空用T300级和T700级碳纤维的技术和批生产能力,且已在军用航空复合材料上批量应用;T800级碳纤维完成了工程化试制,正在进行装机验证。为响应航空航天高需求,头部厂家近几年纷纷扩产。


目前,C919取证机所用的的复合材料绝大多数都是进口的,预计在取证完成后将开启国产替代。国内碳纤维厂商光威复材、恒神股份、中复神鹰均在不同程度上与商飞和下游零部件厂商展开合作。光威复材参与C919的PCD适航认证,并获得预批准。针对CR929的应用目前材料准备在进行中;中航高科入选中国商飞CR929前机身工作包唯一供应商。预计C919将带来年均300吨复合材料需求量,其中,对国产T800级碳纤维的需求将达到年均100吨。


本文来自微信公众号:机械军工e洞察(ID:gh_08c273e9677f),作者:华西军工分析师陆洲

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