波音787客機的復合材料國際化制造

更新時間:2023-12-04 03:40:45 閱讀：評論：0

2023年12月4日發(作者：試用期三個月)

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波音787客機的復合材料國際化制造

周雷敏;孫沛

【摘要】綜述了復合材料在波音787客機上突破性創新應用的情況.表明作為全球第1架復合材料質量分數達到50％的飛機,波音787在復合材料的使用方面有很多獨到之處,這些獨到之處不僅僅體現在各種新材料及先進成型工藝的使用上,更體現在其先進的國際化制造理念上.同時,深入解析了波音公司國際化制造的管理模式,結合波音787制造過程中遇到的問題,分析了這種管理模式的優缺點.%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.

【期刊名稱】《高科技纖維與應用》

【年(卷),期】2013(038)002

【總頁數】5頁(P57-61)

【關鍵詞】波音787;復合材料;國際化制造;管理模式

【作者】周雷敏;孫沛【作者單位】北京航空材料研究院,北京100095

【正文語種】中文

【中圖分類】V258;V262.34

1 波音787客機的理念

波音787客機被波音公司命名為“夢想”（Dreamliner），這不僅寓意著該型客機滿足乘客追求未來更安靜和更舒適航空旅行環境的夢想，也可理解為滿足航空公司客戶創造低成本、高性能產品的夢想，還可以認為是波音公司通過不斷的技術和管理模式創新而實現在民用航空領域領先地位的夢想[1]。

世界民用航空制造領域只有兩個重量級參與者—波音和空客，彼此始終都扮演者各自死對頭的角色。經歷了波音737與空客A320、波音767與空客A330等機型的對決后，在這個世紀之交，空客開始投入巨資，開發擁有550 個座位的“空中巨無霸”A380。空客開發A380客機的主要理念是，實現樞紐城市之間的集中運輸，保證每次飛行可以攜帶更多乘客，并為乘客提供更舒適的空間，同時減少了飛行次數，人員和燃料成本也將隨之下降，從而為航空公司節約成本。而波音公司則選擇了與空客截然相反的道路：開發為更多機場服務的相對較小的飛機，使航空公司可以提供更多的目的地直航服務。因此，波音瞄準了需要更換日益老化的中型飛機的航空公司，并在經濟成本、舒適度、環境保護等方面下功夫，力圖實現自身與航空公司和乘客的“三贏夢想”。

為了減少航空公司的經濟成本，波音787力圖做到比當今其他同尺寸飛機節約燃油20%，而這通過采用新型大涵道發動機、更多使用樹脂基復合材料、更高效的系統和先進的氣動性能的來實現[2]，同時飛行過程的污染物排放也得以減少。GEnx或者瑞達1000發動機分別通過大量采用復合材料結構[3]和提取中壓轉子功率等一系列技術改善燃油經濟性（據分析，先進發動機的運用占到節約燃油20%貢獻的8%）和降低噪聲；復合材料使用占總結構質量分數的50%，不僅減輕了機身的質量，而且提高了飛機的抗疲勞和抗腐蝕性能，這使得該型飛機的外場維護間隔時間達到1 000 h，D檢驗時間從波音767和A330服役后的6 年推遲到12

年[4]；取消了傳統的氣源系統，全飛機的能源均來自于APU變頻發電機組，電子系統中大量采用與因特網相兼容的系統和網絡技術，飛行系統全部采用電傳操作，剎車系統同樣采用電驅動[5]，一系列的系統革新不僅使波音787成為實際意義上的“全電飛機”，而且大大改善了飛機的操控、燃油等性能；繼承與“音速巡航者”設計的部分氣動布局，有利于搭載更多的貨物。

在提供給乘客舒適和便捷的旅行感受方面，波音787舷窗取消了遮光板，并采用“電致變色可調光”玻璃，可任意調節光線強度；在頭等艙和經濟艙之間設計了一個極富家居風格的過渡空間；采用LED系統照明，能柔和地模擬晝夜的自然光亮；采用新型空氣過濾系統，以更多地除濾有害氣體[6]；采用無線WIFI機上娛樂系統而不是有線系統，座椅的椅架采用預制尺寸的俯仰調節墊。

2011年9月26日，經過多年的研制和試飛，號稱世界上最環保和最低耗油的波音787終于開始交付使用。首架波音787-8客機于當地時間9月26日上午，在位于美國西雅圖的埃弗雷特波音工廠交付給波音787的啟動用戶—日本全日空航空公司。

2 波音787客機的復合材料使用情況

波音787 復合材料構件質量占整個飛機結構質量分數的50%，是在空客A350使用之前復合材料用量質量分數最大的一個機型，該機整個外廓除發動機吊掛等少數構件外，幾乎全部采用復合材料制造，并且在主承力結構也廣泛使用復合材料。在機身、尾翼采用了碳纖維層合板結構；升降舵、方向舵等活動面采用了碳纖維層合板夾層結構；整流罩部位采用了玻璃纖維層合板夾層結構。 2.1 波音787的復合材料設計與選材

復合材料在飛機上的應用遵循由小到大和由簡到繁，由次承力結構到主承力結構的原則。在AC20-107A、B（FAA復合材料結構設計安全性要求）的所有內容得到了航空領域特有的積木式驗證[7]，大量的數據在軍用飛機上得到積累后，波音公司更有底氣將復合材料廣泛應用于大型民用客機上（因安全性要求更高，而在選材設計中更加保守）。目前，國外大飛機機翼多采用全復合材料整體壁板和翼盒結構布局為雙梁多肋結構，波音787機翼壁板正是采用“工”字加筋梁結構，機翼長達30 m，機翼壁板成型選用膠接共固化成型的方式，先固化筋條，再和蒙皮定位組裝后進行固化膠接[8]。

在綜合了ATCAS（Advanced Technology Composite Aircraft Structure）和SMSS(Smart Material/Structure System)項目對壁板組合機身結構設計方案的驗證結果，波音公司大膽采用了整體筒殼機身結構設計，這樣即大大減少了連接件，同時機身的氣密性和疲勞、耐腐蝕性能也得到了保證[9]。

從選材的方面來看，波音787采用目前世界上最先進的第3 代增韌環氧樹脂復合材料3900/T800S，以及1 批新開發的復合材料中間產品，如8552/AS4、HexMC、RTM6/碳纖維織物等，3900系列為熱塑性增韌的環氧樹脂，T800S碳纖維則是東麗公司的改進成果，即大絲束，用于代替波音777上采用的T800H。大絲束纖維的生產效率更高，來源更廣泛，且不降低波音公司對主承力結構預浸料制定的BMS8-276規范的力學性能要求[10]，而大絲束碳纖維原來則多用于工業、建筑、風電等領域，在航空領域的應用較少。Hecxel公司開發的HexMC因具有結構性能好、凈成型好、疲勞性能優異、密度低等優點，被選為波音787窗框結構用料。這是一種模塑料的改進，采用準各向同性的模塑成型預浸料。

2.2 波音787的復合材料制造

波音787的復合材料制造技術，涵蓋了復合材料制造從最簡單原始模壓到當今最前沿的自動鋪絲、纖維編織等技術，可以說，一架波音787可以全景展示復合材料制造技術的昨天、今天和明天。

HexMC作為片狀模塑料的改進，最適合的成型工藝就是模壓，其做出來的模壓件棱角分明、抗疲勞性能良好和抗腐蝕。Nordan公司采用模塑材料制造波音787的窗框，并需要將制造號的窗框成品分送給機身生產的各家工廠安裝到機身上

[11]。

波音787的中央翼盒、主蒙皮以及后機身前段等多個結構，都采用了適合于大型平面（或者曲率不算很大的曲面）結構的自動鋪帶-熱壓罐工藝。機身的47 段由位于美國德克薩斯州的Vought Aerospace工廠生產，使用的自動鋪帶機由辛辛那提公司生產。其他機身段則分別由Alenia Aeronautics（意大利）、川崎重工（日本）、Sprit Aerosystems（美國）以及Winnipeg（加拿大）工廠生產，并根據制件的曲面要求分別采用自動鋪帶或自動鋪絲（該技術更適合于大曲率或者型面復雜結構的鋪附）設備生產。

從2003年起，波音787的襟副翼和擾流板轉至澳大利亞的De-Havilland生產，并采用了真空輔助樹脂傳遞模塑（VARIM）成型技術，采用了新的注射樹脂和新的碳纖維無緯布。機身后壓力隔框對機身氣密性有著至關重要的作用，因此以前均未嘗試使用復合材料制造，而波音787的后壓力隔框則采用了獨特的VARTM技術。位于德國的EADS集團Augsburg分部，采用碳纖維縫合預成型體，再采用VARTM注射固化的工藝制造了波音787的后壓力隔框。另外，波音787的起落架撐桿也采用了3D編織預成型體，再送往法國Le Harve的Mssier Dowty公司通過樹脂傳遞模塑（RTM）成型。

另悉，波音787的大部分地板橫梁采用了樹脂膜熔滲（RFI）技術成型。

波音787機身獨特的筒殼結構對裝配工作提出了新的挑戰：如果采用傳統方法，則自動化鉚接機的直徑過大。川崎重工另辟蹊徑，采用了電磁鉚接技術，這是由兩個獨立的較小的柱式機器組成的一個設備，可提供更快的鉚接速度、較高的可靠性和鉚接精度。波音公司在787客機的部件裝配和全機的對接總裝中，進一步應用基于數字化協調的陣列式裝配技術，如將協調孔的定位方法應用于部件裝配（基于上述定位原理的數字化協調方法）[12]。波音787的裝配采取的是模塊化裝配，在總裝時接收的是機翼、機身等部件，相當于“成品”，即在其部件內部不僅結構完整，而且相關的管路、電纜、黑匣子、絕緣毯、地板、座椅導軌等都已安裝好[13]。

2.3 波音787的復合材料維修

波音公司對向787的客戶承諾：“夢想飛機”的機體維修成本在投入運營的前12

年將比波音767以及其他競爭機型低30%，如果這個承諾未能兌現，波音將對航空公司進行經濟補償[14]。據悉，維修成本的大大降低主要來源于波音787大量采用復合材料，而通過減少計劃維修和延長維修時間間隔，是節約維修成本的重要手段，復合材料所表現出的優異的抗疲勞、耐蝕性能則正好保證了波音787較之其他客機可以有更長的維修時間間隔。

3 波音787的復合材料國際化制造模式

波音認為僅僅制造技術上的創新尚不能完全承接波音公司引領世界民用航空領域的夢想。波音在波音787項目上首次采取了全球供應鏈的戰略，這對于善于外包管理但是又一向以沉穩著稱的波音是一次在原有基礎上的重大革命。為此，波音公司將其原在華盛頓州工廠的大量工作分散到了美國14 個州和美國以外的11 個國家和地區。波音以往的標準研制模式是先由公司進行飛機設計，再把飛機的零部件或一整段機體的圖紙送給它們的制造伙伴工廠去生產，而在波音787的制造中，波音徹底改變了這一慣用模式，它利用Dassault公司的PLM軟件套件創建了全球協同的虛擬制造平臺，與合作伙伴共同研制波音787客機：主機身48 段由阿里尼亞航空制造公司（意大利）制造；日本的川崎重工、富士重工和三菱重工分別負責制造主機艙45 段、機翼12 段、中央翼盒11段和機身13 段；古德里奇公司則負責制造發動機短艙和反推裝置；美國的Spirit公司和Vought公司分別負責制造機身43 段和47 段；全球航空公司負責機尾47 段和48 段等工作。最后，再由波音公司利用以波音747特別改裝的LCA超大型運輸機，把在世界各地制造的大部件運至波音進行總裝。按價格計算，波音公司本身只負責生產約10%—分別是尾翼和最后組裝，其余零部件是由40余家合作伙伴提供。

PLM為產品全生命周期的每一個階段提供數字化工具和強有力的信息協同平臺,打破了限制產品設計者、制造者、銷售者和使用者之間進行溝通的技術桎梏。PLM實現了從設計到生產車間,從生產到客戶支援每一個環節的虛擬顯示,最終實現了波音787項目數字式總裝到“飛機全壽命期電影”的一次革命[16]。這種風險共擔的開發模式，使得從參與波音787項目開始，其產品供應商就已經變成了波音實際意義上的合作伙伴，他們必須充分發揮自身的創造力和經驗，與波音共同提供高質量的產品。這樣以來，波音在787項目中成功的將供應商數量從波音777時的數百個減至50 個左右[1]。

然而這樣的一種國際化制造的新路，卻在后期的實施過程中遭遇了包括零件短缺、分包商執行不力、重要復合材料構件出現問題、部分設計需要重新來過等一連串始料未及的問題，并最終導致了第一架波音787于2009年12月才進行了首次試飛，這比原計劃整整延后了28 個月，一舉成為波音歷史上首飛耽擱時間最久的機型[17]。早在宣布波音787飛機首次延誤后，波音公司曾經仔細總結教訓歸結為3

點：一是波音787飛機采用的新技術數量過多，所以從設計到實際生產過程很艱難；二是進度安排過于緊張；三是新機研發的同時，沒有及時開發與之相配套的工具和工藝。

在復合材料使用方面，波音787經歷的最嚴峻的1 次考驗，就是由日本三菱重工和富士重工聯合制造的復合材料中央翼盒居然在靜力測試時被意外壓彎，雖然波音至今都沒有給出一個合理的解釋。但是復合材料內部設計過于復雜，據信是一種較為合理的解釋。波音公司一直不愿意透露機體在故障發生時的靜力載荷值，但其中有一點是明確的：波音公司的計算機預測模型與試驗結果不符[18]。復合材料在計算機模擬中往往會遇到很大的困難，究其原因主要是復合材料屬于各向異性材料，各個纖維層可朝不同的方向，某一層都有由厚度不盡相同的獨立纖維層組成，而其中的缺陷又是不可預測的，因此想用計算機模型進行非常精確地再現，比實現整塊鋁合金材料困難太多[17]。2009年8月，阿萊尼亞的Grottaglie工廠生產的機身筒體出現蒙皮折皺。同時，復合材料零部件交付拖延也影響著波音787的整體進度，為此在2008年，波音宣布收購787飛機機身部分的生產商—Vought工業公司所持有的意美合資機身制造商Global Aeronautica（全球航空）50%的股份。

對于波音787復合材料的使用，以及采用這種國際化的制造方式，至今仍褒貶不一。大量引入邊界條件被認為是波音787項目延期的重要原因，即供應鏈的大幅變革、將復合材料大量應用于寬體客機的主承力結構。戴頓大學的Danny Eylon指出，波音在787項目上經歷了兩大風險，一個是采用全復合材料寬體機身，一個則是采用整體固化的機身筒體。但風險也意味著創造，至少在波音對中央翼盒進行了加固后，再沒有出現上述問題，而機身筒體則在減少緊固件、裝配加工等方面取得了巨大成功。但新的復合材料技術的大量應用與大膽創新制造模式是否矛盾則需要正確審視，畢竟先進技術的風險在經歷了多次轉包后會陡然增加，民用和軍用航空業的咨詢公司—蒂爾集團的副總裁理查德.阿布拉菲亞就說，“幾十年來，波音公司利用外包商制造飛機的方式一直運行良好，所以在制造波音787時，波音公司對他們也信任有加。這在傳統的飛機設計上可能奏效，但在面對新技術和復合材料的應用時，這將是一場災難。”更可怕的是，波音還將這種外包模式進一步進行了變革。

4 結束語波音787飛機在復合材料的使用上是一個飛躍，而波音公司開創性的使用已經在航空材料發展史上寫下了濃墨重彩的一筆。無論是在新材料體系的開發，各種成型工藝的使用，再到復合材料制件的加工裝配和維修，可以說，每一個環節都閃耀著波音在復合材料使用方面的光輝。但是，飛機制造是一個龐大的系統工程，任何超越性的技術以及管理理念的實現都必須承擔相應的風險，這其實就要求設計者必須在先進技術和先進管理方式的使用中作出自己的折中選擇。

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