MC-21是近年來俄羅斯設計的一款新型客機，俄羅斯航空製造業希望能借此飛機與波音-737和空客A-320客機爭奪民用航空市場。
MC-21.大的創新點在於其被稱為“黑”翼的複合材料機翼，這副機翼對於實現該機“高效、低阻、高升力”的**性能至關重要。為了製造出全新的“黑”翼，俄羅斯成立了“航空複材公司”。該公司為“黑”翼開發出了全新的真空灌注VARTM工藝（Vacuuminfusion VARTM），使MC-21機翼的中央翼盒、翼梁、蒙皮和縱梁等采用複合材料製造成為可能，也使該機的總體複材使用占比達到了40%。以下來具體分析一下該項技術特點。
一、MC-21飛機..采用VARTM技術製造飛機上的大型複合材料承力結構件
1.1 複合材料熱壓罐工藝與非熱壓罐工藝
眾所周知，複合材料以其高強度、高剛性、耐熱性、以及對溫度變化不敏感和長壽命等優點正在大規模的用於飛機製造、兵器、艦船以及民用行業。目前在飛機製造業中複合材料構件的主流製造方法是熱壓罐成形，該方法需要預浸膠碳布，獲得半成品之後再在熱壓罐中成形零件。目前民用客機中波音B787和空客A350XWB全複合材料機翼均采用該工藝成形。這種方法的.大不足之處在於設備成本高、成形時間長、半成品的存放時間短等。比如預浸料的存放按照標準低溫下-19℃--17℃的存放時間是12個月，20±2℃下是20天，生產車間的存放時間就隻有10天。
另外一種方法是非熱壓罐成形工藝，這種方法的實質在於侵膠和成形同時進行，可縮短生產時間、減低能源消耗以及生產勞動量，所以這項工藝成本要低一些。真空樹脂灌注VARTM（Vacuum infusion VARTM）屬於其中的一種。此項技術中樹脂在真空壓力下注射到幹絲中成形，因此可極大減少結構件的生產前準備工作，使用簡易工裝降低成本。不過這項工藝的主要缺點在於加工過程不能重複進行。
2006年以前，美國航空製造業並不建議使用VARTM技術製造飛機上的一些關鍵零件。不過在這之後VARTM技術也在不斷改進，在此基礎上又發展出了一些新技術。如德國公司PremiumAerotec采用真空輔助成型（VAP）製造波音787的壓力隔框；波音Aerostructures公司使用壓力可控樹脂滲透成型技術（CAPRI）生產垂直安定麵、機翼、尾翼、副翼、襟翼等；加拿大的龐巴迪公司使用液體樹脂灌注成形技術（LRI）製造C係列飛機的機翼；英國GKN公司2016年展示的複合材料中央翼采用了VARTM技術。
1.2 MC-21複合材料“黑”翼的製造過程
一般來說，窄體飛機的機翼和尾翼占飛機總重量的45%。因此，MC-21飛機在設計之初就確定要使用複合材料，降低結構重量以及生產勞動量，爭取在世界航空市場上擁有一席之地。俄羅斯“複材公司”避開主流的熱壓罐技術，而選擇非熱壓罐的VARTM技術，不僅僅是看中了VARTM技術的低成本，還有VARTM技術的整體集成功能。
MC-21在複合材料工藝上采取了國際合作生產模式。公司首先與奧地利的鑽石公司和FISCHER**複合材料公司合作，製造了40米長的翼盒，進行了翼盒與中央翼的連接試驗，通過了俄羅斯中央空氣動力研究所的強度試驗。試驗數據證實了設計參數能**飛行安全以及大型一體化結構能降低裝配勞動力、減少零件以及鉚釘的數量等。
另外，在材料和設備上也是選擇了國際上技術.**的公司合作。如Hexcel公司的碳纖維、Coriolis複材公司的機器人自動鋪絲頭、西班牙MTorres公司的龍門式鋪絲設備以及法國Stevik公司的TIAC灌注中心等。
Coriolis複材公司的幹碳纖維機器人鋪絲頭
MTorres公司的幹碳纖維龍門式自動鋪絲機
複合材料機翼的鋪放非常複雜，因為機翼要經受不同的外部載荷，如擠壓、拉伸、扭轉等，因此複合材料的鋪放要經得住來自不同方向的載荷強度，多層碳纖維要從不同角度鋪放在一起。西班牙MTorres公司在這方麵非常有經驗。航空複合材料公司與MTorres公司一起做了材料、零件和樣件的大量試驗。選用的Hexcel碳纖維不僅要適合於中央翼壁板的鋪層，還需要符合MTorres 設備的自動化鋪放要求，雖然Hexcel碳材料的自動化鋪放速度可達到50kg/h，不過在MC-21上為了確保萬無一失鋪放速度有所降低。另外幹纖維與預浸料不一樣，幹纖維在自動化鋪層過程中很容易錯位，為了解決這個問題MTorres使用了一層薄薄的熱塑性絲，作用如膠一樣把纖維固定住，但為了防止過度粘接，在鋪放頭上還安裝了排熱係統。
MTorres公司帶排熱係統的幹纖維龍門式機器人自動鋪放係統
灌注設備使用的是TIAC設備，該設備是集噴注、加熱以及軟件控製的一體化設備，可監測和控製灌注的樹脂溫度和數量、填充速度、真空袋以及預成型件的完整性等，真空度的控製精度不超過1毫巴。成形時間根據零件的尺寸和複雜程度在5-30個小時左右，固化溫度180℃±2℃，.高溫度270℃ 左右。
法國公司的TIAC自動化灌注中心
翼盒工藝過程：
1. 工裝準備和輔助材料鋪層
2. 碳纖維幹絲鋪層並在工裝裏預成形
3. 真空袋裝配
4. 幹預製坯注膠成形
5. 脫模和零件清理
6. 無損檢測
7. 機械加工和形狀檢測
8. 塗色和裝配
所有的工作都要在淨化間進行。翼梁預成形之後放到陽模裏，蒙皮放在陰模，整個工裝放在真空袋裏抽真空，真空袋四周鋪設多條管道，其中一些管道用於抽真空，另一些管道用來注膠。
真空灌注VARTM工藝示意圖
真空灌注工藝中長桁和壁板要單獨鋪絲預成形，不過注膠和固化可在專用的工裝裏一起一次成形。熱壓罐工藝這個過程需要分兩次：首先固化長桁，然後再和蒙皮一起固化，因此熱壓罐工藝比VARTM工藝生產時間要長5%，能源耗費高30%以上,並且VARTM一次注膠的特點可用來製造一體化的整體零件，替代膠-鉚結構。
成形中的翼梁 成形中的中央翼壁板
零件固化之後接下來進行超聲波無損檢測，使用Technatom機器人檢測係統進行零件的可靠性檢測。然後就是五坐標銑床進行機械加工。
帶加強筋的機翼上壁板機械加工
二、MC-21複材“黑”翼的優點
2.1 大展弦比、薄翼型的複材機翼更加節省能源
MC-21機翼展弦比達到了11.5。大展弦比、薄翼型的複材機翼使得MC-21與同類型飛機相比，具有更高的空氣動力效率。在0.78馬赫速度下，空動率要比波音737高5.1%，比空客A320高6%；能耗與傳統的鋁合金相比降低了8%。傳統鋁合金機翼的中程幹線飛機在全生命周期（2萬個小時左右）要燒掉14萬噸的燃油，而每架MC-21在同樣的飛行時間內可節省燃油1.1萬噸。
MC-21複材右翼
2.2 重量更輕
複合材料與鋁合金相比本身具有單位重量較輕的性能。理論上用複合材料代替金屬可減重15%。不過據俄羅斯..看來，波音787以及空客350XWB的複材機翼都沒達到.初的減重目標。主要是因為波音787以及空客350XWB設計時留出了太多的結構強度餘量。一般鋁合金結構的強度餘量不超過1.5，但複材結構餘量達到了5，甚至7。MC-21在設計時吸取了前輩的教訓，因此重量也更輕一些。
2.3 經濟性高
真空灌注技術可以.大程度地實現自動化，並且能製造整體結構，因此非熱壓罐工藝代替熱壓罐不僅簡化了生產過程，還節省了時間，降低了生產成本。
三、總結
3.1 熱壓罐工藝和非熱壓罐工藝是目前複材製造技術齊頭並進的兩條技術路線
雖然MC-21飛機用非熱壓罐工藝製造出了飛機的大型承力部件，但目前就斷言非熱壓罐工藝就要代替熱壓罐工藝還為時過早。MC-21目前仍在飛行試驗中，很多設計數據也還未得到證實。另外熱壓罐工藝也在不斷改進，自動化以及經濟性是其主要發展方向。
3.2 高科技產品的國際合作生產模式越來越受到挑戰
MC-21飛機就是一個很好的例子。近年來在美國的高壓製裁下MC-21飛機不得不加快國產化的步伐。2020年5月，俄聯邦政府工業和貿易部與伊爾庫特公司簽訂總額120億盧布的合同，開展MS-21複合材料和發動機進口替代研究試驗。按合同伊爾庫特公司應在2020年底完成翼梁、中央翼盒、方向舵、尾翼等複材部件的國產化製造，並使用國產PD-14發動機替換進口樣機，2021年完成國產化的MC-21試驗樣機製造，並開展試驗認證工作。
MC-21飛機開了個好頭，但結局如何將拭目以待。MC-21也為我國的高科技製造企敲響了警鍾，在如今的政治環境下隻有那些把核心技術牢牢掌握在自己手裏的國家，才能.終獲勝。
文章來源：http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-244-9524.html
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