【专业讲堂】盘点波音787飞机机身和主结构中的复合材料

波音787在其机身和主要结构中比以往任何波音商用飞机都更多地使用了复合材料。在没有事先构想的情况下进行设计过程，使波音工程师能够为整个机身的特定应用指定最佳材料，其结果是机身由将近一半的碳纤维增强塑料和其他复合材料组成。与更传统的铝合金设计相比，这种方法平均减轻了20%的重量。

为特定应用选择最佳材料意味着在给定的运行环境和部件在整个使用寿命期间所承受的载荷的情况下，分析机身的每个区域以确定最佳材料。例如，铝对拉伸负荷很敏感，但对压缩负荷处理得很好。另一方面，复合材料在处理压缩载荷方面效率不高，但在处理张力方面表现出色。

与铝结构相比，复合材料的广泛使用，特别是在机身的高拉伸载荷环境中，大大减少了由于疲劳而导致的维护。这类分析也导致钛的使用增加。当负载表明金属是一种首选的材料系统，而环境因素表明铝是一个较差的选择时，钛是一种出色的低维护设计解决方案。

钛比铝更能承受类似的载荷，对疲劳的担忧最小，并且高度耐腐蚀。787上的钛金属使用量已扩大到整个机身的14％。787的每一个结构元素都经过了这种类型的生命周期分析，材料类型都是基于一个彻底和严格的选择过程。

除了降低飞机的总体重量外，采用复合材料主结构还可以减少航空公司的定期和非常规维护负担。波音777的经验证明，与非复合结构相比，复合材料结构需要更少的定期维护。

例如，777复合材料尾翼比767的铝制尾翼大25％，但所需的计划维护工时减少了35％。与金属相比，这种工时的减少是由于复合材料降低了腐蚀和疲劳的风险，从而减少了非常规维护。

777地板结构全部为复合材料，突出了这种材料在恶劣环境中的优势。航空公司的运营商意识到传统铝制地板梁在疲劳开裂和腐蚀方面遇到的困难。777机型已经使用了565架飞机，飞行了10多年，到目前为止，还没有更换一个复合材料地板梁。

波音公司还实施了严格的过程来评估铝的使用，该方法结合了腐蚀的可能性和腐蚀的后果。该评分系统在设计中确定可接受的铝应用提供了一个确定的措施，同时充分了解了维护的含义。

结构中的腐蚀和疲劳会大大增加操作员的日常维护负担。非常规维护通常会使维护检查期间花费的总工时增加一倍甚至三倍。随着复合材料和钛材料的广泛使用以及铝的使用更加严格，波音公司希望787的非常规人工成本要比传统的金属机身低得多。

除了在乘客和货舱门等容易损坏的区域使用坚固的结构设计之外，波音787还从一开始就进行了设计，能够以与今天的航空公司维修飞机的方式完全相同的方式进行维修。在复合材料结构上进行螺栓修理的能力已在777上获得了服务验证，并提供了与金属飞机相当的修理时间和技能。

此外，航空公司还可以选择进行粘合复合材料维修，从而改善空气动力学和美观性。这些修复是永久性的，可承受损坏，并且不需要高压釜工艺。波音公司已经利用复合材料的性能开发了一条新的维护维修能力线，需要不到一个小时的时间就可以应用。这种快速的复合材料修理技术可提供临时修理功能，以使飞机迅速再次飞行，而且降低了腐蚀和疲劳关联的风险。

（来源：Boeing）