双通道民机机身选用哪种方案
铝合金飞机机身都是由板件组合成机身筒形段。因此，空客A350机身用4块复合材料板，组合机身筒的方案，很容易被人接受。波音787是用预浸有树脂的碳纤维无捻纱带，缠绕成一个整体筒体。她较多地改变了传统飞机设计、制造概念。因此，一些人只看到机身结构变化大、制造设备都是高新技术的庞然大物。特别是一些技术人员认为太先进、太难了，一时还很难接受。
市场反映
波音787从2011年10月26日交付第一架飞机至2014年，要交付183架，确认订单达1048架有两条总装线，一条在西雅图的埃佛雷特，另一条在南卡罗莱拉州的查尔斯顿。目前每月生产10架飞机。2016年达到每月12架，2020年要达到每月14架。波音787研发成本（包括延期交付的赔偿）总计达320亿美元。要收回这个巨额成本，预计要到2020年售出1000架飞机。
空客A350目前还在取证试飞中，但从客户反映中出现了问题。与波音787-8最小型号竞争的A350-800订单，从2009年的180架退到了34架。其中一些客户改订较大的A350-900。客户需求的变动，有可能迫使空客公司放弃A350-800的生产。面对这种形式，空客又决定起用老飞机A330换新发动机的A330neo与波音787-8竞争。
与波音787强劲的市场需求相比，空客A350在市场上跌跌撞撞的表现，不得不让我们探索这两种飞机的设计思想、技术路线。
A350和B787都是属于复合材料的宽体客机，前者复合材料用量53%，后者用量50%。二者最大的差别是在机身使用复合材料技术上，走了截然不同的路径。
A350机身复合材料技术的来龙去脉
2004年以前，空客在民机上复合材料用量比波音大。上世纪 九十年代,以空客为主联合多家飞机制造公司、研究院、学校，开展对复合材料在民机工程上应用的研究。该项目名为，APRICOS – Advanced Primary Composite Structures。在这个总项目下面又针对机身又有两个分项目:
1. TANGO –Technology Application to the Near-Term Business Goals and Objectives of the Aerospace Industry
2. FUBACOMP – Full Barrel COMPosite
TANGO项目研究机身直径4米以上民用飞机；FUBACOMP项目研究机身直径2-2.5米商用飞机。
对于直径4米以上的飞机采用4 块复合材料板件组合成筒体。筒体带有4条纵向连接缝。这个研究方向确定后，随即开展了大量的工作。其中有1：1直径的筒体试验件。
这里关键的问题是，项目研究工作是在上世纪90年代开始的。从我看到的资料，无论从碳纤维、树脂、工装、模具、制造工艺都无法和现在相比。如，碳纤维是用东邦（TOHO Tenax）的HAT(相当于东丽的T300)。树脂是用977-2、5250-4、XE12等。在这样的材料、技术水平的状态下，是无法研发、制造复合材料整体筒。
2004年4月波音公司宣布启动787梦幻飞机。她是机身率先使用复合材料的民机。复合材料的飞机再装上先进、节油、低排放、低噪音的发动机，使得她大受市场的青睐。空客为了尽早与波音竞争，于2005年10月推出A350。A350是在她销售业绩很好的A330基础上做三项改进的新飞机。
这三项改进是：
- 采用先进的气动外形；
- 换装先进、新型发动机；
- 机体使用先进材料达60%。同时还决定，A350将完全取代A330（今年4月在巴黎航展上又宣布A330换新发动机继续生产）。
这里最关键的是先进材料达60%。其中复合材料40%，另外20%是铝-锂合金。机身用铝-锂合金，这就意味着空客到2005年10月机身仍然不准备使用复合材料。铝-锂合金的机身是竞争不过复合材料的机身的。民用飞机的增压客舱机身段是疲劳最严重的部件。传统铝合金机身，蒙皮和长桁采用铆钉连接。一个铆钉孔、一个铆钉窝，就是一个疲劳源。长期以来，人们为了延缓铆钉孔、窝的疲劳破坏，从一个小小的铆钉到制孔、锪窝，都做了大量的研究、改进工作。这些努力稍微改善了一点机身的疲劳性能，但是只有当复合材料应用在机身上时，机身的疲劳性能才得到了本质上的飞跃。
客户对铝-锂合金机身反映强烈，颇有微词。接着空客对A350的设计方案做了几次更改（有报道说是6次）。其中一次是，机身框用金属，外面用复合材料。其后一次是机身框也用复合材料，全机复合材料用量超过波音787达53%。但在驾驶舱顶部仍旧用一块铝-锂合金蒙皮。机身等直段筒体由4块复合材料板件组合而成。机头结构和金属飞机相同，由三个组件组成。三个组件共有5个板件（一个铝-锂合金板件、4个复合材料板。机身尾段（section19）整体筒。
波音民机复合材料
在787研制以前，波音在民机上使用复合材料的量远远少于空客的民机。在那段时间里，波音公司一直在探索民机使用复合材料技术。早在1984年就用碳纤维复合材料NARMCO T300/5208试制了5架份737-200的水平尾翼。并装机进行实际飞行试验。波音和NASA还设计、制造了全尺寸复合材料试验机翼，进行了大量实验。通过上述工作，波音公司并没有急于将这些成果用在她的民机上。波音公司还在期待有强度更高的碳纤维复合材料和更先进的制造工艺。
1990年波音推出了全数字化设计、制造的双通道飞机777，机体复合材料应用扩大到水平尾翼和垂直尾翼。777复合材料用量达结构重量的11%，是当时波音民机使用复合材料最多的一款民机。11%的用量虽然不算多，但它标志着波音公司落实了一种能够用于飞机主要受力结构、日本东丽公司（Toray）生产的复合材料 – T800H/3900-2。T800是一种中模量、高强度碳纤维；3900-2是一种添加有热塑性树脂增韧环氧树脂。与此同时,波音公司还为它建立了经过适航审定的材料标准 – BMS 8-276 Advanced composites - 35℉ (170℃)crue toughened – Epoxy preimprengated carbon fiber tapes and fabrics（BMS 8-276先进复合材料 - 350℉ (170℃) 固化 增韧 - 环氧预浸渍碳纤维带和织物）。
通过水平尾翼和垂直尾翼翼盒的制造，为复材机翼翼盒研制提供了成熟的制造工艺。这其中有，预浸树脂的碳纤维单向带UD(prepreg unidirectional tape)和使用自动铺单向带的设备-ATL(Automatic Tape Laying)，以及固化工艺、质量检测等。
波音公司在777先进复合材料技术的基础上，吸取了雷神公司研制“首相1号”复合材料机身缠绕技术，以及“B-2”的复材铺放技术，经过近10年的探索，决定787机身将采用复合材料整体圆筒，即OPB- one piece barrel。
2004年4月波音787项目正式启动，2005年8月25号堪萨斯州威奇托的Spirit AeroSystem工厂,借用雷神公司的自动纤维带铺放设备，试制出第一个整体复合材料机头试验件。
从2002年宣布7e7飞机开始，波音公司牵头、协调不同国家、不同企业为制造整体复合材料机身提供新材料、新设备。
日本东丽公司（Toray）改进了波音777使用的复合材料。为787提供性能更好的T800S/3900-2B。T800S是改变了T800H碳纤维上浆的浆料，使它能更好的与树脂结合，达到提高层间强度。3900-2B改变了在3900-2中添加热的热塑性树脂，它不仅提高了韧性，同时还降低了成本。特别是为制造机身提供了用“干法”浸渍3900-2B树脂的narrow slit tape。
美国一家造舰艇企业为制造机身研制出，用殷钢制造的大型分块联锁芯轴（模具）。
美国ElectroImpact公司为制造机头铺放碳纤维无捻纱带slit tape提供了自动纤维带铺放设备-AFP
美国ASC Process Systems公司为机头复合材料固化制造了，当时最大的热压罐。热压罐直径9.1ｍ ， 长21.3ｍ，罐内压力150 psig (10.2 Bar) 、温度450 ℉ (232℃)。
固化后的机身筒体用M. Torres DisenosIndustriales S.A.公司提供的激光画线、切割装置，加工门、窗开口。
开口后的机身筒体还需要用C扫描，做超声波检查内部固化质量。
制造好的复合材料机身筒体，进入一个别开生面新型装配夹具 – 装配车。在装配车中安装机身框、门框、窗框以及地板组件。
德国Brötje公司和美国ElectroImpact公司配合不同形式的装配车研制了专门的巨型钻孔、安装紧固件的自动化设备。
大部件在车间转移，大量使用了自动引导车（AGV）。
787她彻底改变了飞机制造车间的面貌。生产过程中不仅是自动的全新设备，而且设备大多是量身打造,有智能化的趋势。在美国一些媒体称787是航空工业的一次“革命-Revolution”。
研制中暴露的问题
从空客A350设计初期几次更改，特别是在机身选材上犹豫不决，反映出在使用中模量、高强度碳纤维/新型增韧环氧树脂复合材料，技术储备不够。复合材料做结构件最大优势是，产品集成设计、减少零件数量、减少连接。A350的机身从头到尾（section 11-12到section 19）共有19个板件和一个筒体（787机身是5个筒体和一个半圆弧板件）。特别是驾驶舱顶部，担心复合材料蒙皮不能承受鸟撞击强度要求，使用了一块铝-锂合金蒙皮。
机身虽然使用了美国赫氏公司（Hxcel）的新型增韧环氧树脂/中模量、高强度碳纤维复合材料HexPly®M21E /IMA ，但板件的制造工艺并不快捷、简单。中机身（section 15）三块最长的板件，是在美国北卡罗来纳州的金斯顿Spirit工厂制造的。成形凸模用殷钢制造，凸模表面有定位长桁的槽口。铺放蒙皮前，半固化的复合材料长桁已经在槽口中定位。蒙皮铺好后，连同模具一块进入热压罐中固化。其余板件是空客公司在德国、法国的工厂制造的。他们共同的特点是用传统的老工艺，成形的凸模不带定位长桁的槽口，蒙皮成形后转入殷钢的凹模，然后在蒙皮内表面定安放长桁，接着一块进入热压罐固化。固化后的板件从凹模中取出，板件翻身凸面朝上，继续进行下面的切割、修饰等工作。由于板件尺寸较大，因此在凸模转凹模、产品翻身过程中需要不同的专用工装夹具。这些工装夹具大多是复杂的庞然大物。
显然，在美国Spirit工厂和在德国、法国工厂，制造板件工艺方法差别很大。前者的工艺方法接近787整体筒的制造工艺。目前，对在德国、法国工厂制造板件，蒙皮和长桁是二次固化还是胶接，没有查到确切的依据。如果是胶接，那么在强度概念上与二次固化就有本质的不同。
目前使用的制造飞机受力结构件的先进复合材料，需要进入热压罐中，经过高温、高压固化。固化时间在10个小时左右。产品是连同模具一块进入热压罐。为制造A350机身板件，在承担板件的工厂大都新安装了热压罐。热压罐的直径分别在6.5-8米不等（波音787机身筒体固化用的热压罐，最大的直径是9.2米）。
制造板件的热压罐直径虽然比制造整体筒所用的直径小。但这里要引起特别注意的是，板件固化时一次只能固化一块板件。一个筒体由4块组成，就得开动4次热压罐。需要4×10个小时。而整体筒固化，只要进一次热压罐，10个小时。
A350机身纵向的4条连接缝，每条缝有4排紧固件。这与整体筒机身相比，不仅削弱了强度、增加了重量，而且这2万多个紧固件钻孔、锪窝、放铆钉、紧固件成形，都得手工操作。机头（11-12 section）5块板件连接，也要增加数量不少的紧固件。
787机身设计、选材、制造，大量采用了新材料、新技术、新工艺。虽然波音有充分的准备，研制中难免出现问题，但问题都不是颠覆性的，波音一个个都解决了。
项目一开始，有资料报道他做了10个直径1：1、长度不同的试验件（现看到图片的有5个）。最初机头试验件和传统金属机头长度一样。后来在正式生产的机头（section 41）增加了一段等直段，使长度达12.8米，并带有9个旅客窗户。这一段是787机身分段中最长的一段。
787机身段的分离面选在旅客窗的中心线上（过去波音、空客铝合金机身此分离面均选在框轴线上，A350仍然选在框轴线上）。在一个试验件上，明显看到分离面上的半个窗户缺口。但是，在正式生产的787机身分离面上，取消了此窗户。此飞机设计技术是原麦道公司民机上一直使用的。从强度、制造工艺考虑都是优于分离面选在框轴线上。特别是机身对接时，非常适合自动化对接。波音787接受了此技术，并且有了改进 – 干脆取消此窗户。有报道，空客在跟踪波音787技术发展中已经注意到这个问题。
有图片资料报道，787第一架机身对接时，在美国Spirit制造的机头41段与在日本制造的机身前段43段，出现了较大的间隙和阶差。问题是如何产生的以及如何处理，没有看到报道。从这架飞机以后，再没有反映这个问题。
机身的另外一个特点是，机身中段较长。分离面远离载荷大的区域的模块化设计（A350也按此设计）。机身模块化设计起始于90年代初，当时的麦道公司将它首先应用于MD90-30中。
模块化设计不仅机身结构，她也包括在机身模块中安装系统件。最突出的是机头交付到埃佛雷特总装时，前起落架已经安装好了。模块化设计、制造，大大缩短了总装的周期。这也是波音飞机总装一大改进。
结论
双通道机身采用波音预浸有树脂的碳纤维无捻纱带，缠绕成一个整体筒体的方案是一个最佳的选择。波音预测此技术包括其后的一系列技术，将在今后4-50年内处于领先的地位。另外这里还隐涵着一个巨大的应用领域 – 航天和国防。最近，NASA与波音就是用这种方法研制出直径5.5米的复合材料液氢低温燃料箱。
如果选择4块板组合机身筒体，我们也得从头做起。几年功夫下来，就是成功了，未必一定能达到空客水平。要害是我们失去了研发制造复合材料液氢低温燃料箱的时间。
附件：空客A350与波音B787机身对比
重发旧文有感
十多年前议论双通道民机，与今日讨论双通道民机，环境、应用技术大不相同了！现在有了微信，关心商飞双通道C929的人们，可以用微信这个平台，畅所欲言地交流各自认知。现在应用技术又有了突飞猛进地进展。高温、高强度热塑复材，制造机身受力结构件的优越性，已经展现在人们的面前。C929机身的机身用它吗？用在哪里？这些问题都值得去讨论。
最近整理文件，此旧文中很多信息，现在在网上很难看到了。如空客紧随787，研发A350开始时，曾经有一方案—复材用量40%。经过6次更改，最后才确定53%的方案。发给诸位同仁保存。
杨超凡 2025.1.31
