技术成熟度评估在航空材料开发中的应用

2024-09-27

技术成熟度评估在航空材料开发中的应用（精选2篇）

1.技术成熟度评估在航空材料开发中的应用篇一

复合材料在航空领域中的应用

先进复合材料具有高比强、高比模、耐疲劳、多功能、各向异性和可设计性、材料与结构的同一性等优异性能，自上世纪60年代年问世以来，先进复合材料很快获得广泛应用，成为航空航天四大材料之一。下面就让我们对先进复合材料的应用情况和其优异性能做一简要介绍。

1．应用先进复合材料可以显著提高战斗机作战性能

为满足新一代战斗机对高机动性、超音速巡航及隐身的要求，进入90年代后，西方的战斗机无一例外的大量采用复合材料结构，用量一般都在25％以上，有的甚至达到35％，结构减重效率达30％。应用部位几乎遍布飞机的机体，包括垂直尾翼、水平尾翼、机身蒙皮以及机翼的壁板和蒙皮等。如美国第四代战斗机F-22复合材料用量已达到24%，而EF2000更高达43％，EF2000除鸭翼外，机身、机翼、腹鳍、方向舵都采用复合材料，结构的“湿润”表面的70％为复合材料，阵风也是如此，70％的“湿润”表面为复合材料，约947kg之重。F-35的复合材料几乎覆盖了整个飞机外表面。

2．应用先进复合材料可以明显增大军用运输机有效载重量

C-17是上世纪先进大型军用运输机的典型代表，C-17是1986年设计的，限于当时的水平，复合材料主要用于次要结构，如雷达罩、整流罩、操纵面、口盖、翼梢小翼蒙皮等，复合材料重约7258k，占该机结构重量8.1%。树脂基复合材料从非承力结构发展到次承力构件。在复合材料中碳纤维增强复合材料约占结构重量6%，玻璃纤维塑料、Kevlar纤维增强材料占2%。而欧洲EADS正在研究的A400M属于新一代大型军用运输机，在材料应用技术上有了一个新的飞跃，主要表现为先进复合材料占结构重量的35%~40%。与C-17不同的是，在A400M上，碳纤维复合材料用于一些主承力结构，而C-17的复合材料结构重量比仅为8%，且主要用于操纵面及次要结构。A400M的机身仍由传统的铝合金制成，但却开创了采用碳纤维复合材料制造大型运输机机翼的先河，机翼长达19米，令业界颇为瞩目。

3．应用先进复合材料是高超声速飞行器能否上天的关键因素

高超声速技术主要指研制高超声速（Ma>5）飞行器所需的相关技术。近中期将采用的材料将包括陶瓷纤维增强的金属基复合材料、陶瓷及碳碳复合材料以及轻质隔热材料。此外，发动机及机身将需要导热率高的材料，如碳碳复合材料。更远的将来，将需要先进型的材料，如铍基复合材料之类的超轻材料以及纤维增强陶瓷之类超高温材料。

以NASA开发的第二代可重复使用航天飞机为例，油箱内衬为复合材料。在推进系统中将采用陶瓷基复合材料发射斜轨、金属基复合材料机匣以及树脂基复合材料涵道。此外还将采用复合材料电子设备舱。第三代可重复使用航天飞机将为一智能结构，具有自适应热防护系统及智能化无损检测装置，自愈合的飞机结构及表面。发动机材料将可能使用经冷却的复合材料、金属基复合材料加力燃烧室壳体、超高温复合材料。结构材料将包括超高温树脂基复合材料、低成本耐腐蚀热防护系统复合材料液氧油箱。

美国高超声速飞行器X-43是由超燃冲压发动机作动力装置的验证机。其油箱/机身由石墨/环氧框架及蒙皮组成。蒙皮外再覆以热防护系统。飞机上翼面热防护层为可剪裁的先进绝缘毡，下翼面为内多层屏蔽绝缘物。后者是正处于开发中的防热材料，由C/SiC外面板，中介陶瓷屏以及先进聚酰亚胺泡沫内衬。中介陶瓷屏覆以贵金属以降低其热辐射。机翼及垂尾由钛基复合材料制成，并有一个由二硼化锆制成的前缘。

4．应用先进复合材料能大幅增加无人战斗机载油量

国外目前研制的无人机以复合材料和传统铝合金的混合结构为主。如“捕食者”“全球鹰”等均是如此。其中“全球鹰”的机翼和尾翼由石墨/环氧复合材料制造，而机身仍采用传统铝合金，复合材料占结构重量的65%。

无人战斗机是未来航空武器的一个重点发展方向。为满足采购政策、隐身性能、机动性、生存力对材料的特殊需求，为尽可能地降低结构重量、提高燃油装载量，无人战斗机结构的一个显著特点就是大量应用复合材料。以波音公司的X-45A为例，除机身的龙骨、梁和隔框采用高速切削铝合金外，其余的机体结构都是由复合材料制成。诺斯罗普格鲁门公司的X-47A的机体除一些接头采用铝合金外，整个机体几乎全部采用了复合材料。

5．应用先进复合材料可以极大提升民用飞机市场竞争力

民用飞机方面，复合材料的使用对于增大客舱湿度进而改善乘客的舒适度、降低油耗、易于实现结构/舱内材料的一体化、减少零部件数量、简化系统安装及缩短总装时间等方面潜力巨大。波音、空客两家大型民用客机制造商均将其视为实现新飞机机体减重及降低直接运营成本的有效途径。如在新一代波音787飞机上，复合材料用量将达到50%，创大型客机复合材料的应用记录。欧洲空中客车公司在新近研制的A380型宽体客机的机翼和机身结构上均采用了先进复合材料，用量已占结构重量的25%，其中碳纤维增强复合材料占22%，另采用了3%玻璃纤维增强的铝合金层板复合材料Glare。在机翼前缘等处还采用了聚苯硫醚热塑性复合材料。该公司目前正在研制的新一代客机A350，复合材料的应用比例也将达到39%。

6．应用先进复合材料在减重的同时很好地改善了直升机抗坠毁性

直升机采用复合材料不仅可减重，而且对于改善直升机抗坠毁性能意义重大，因而复合材料在直升机结构中应用更广、用量更大，不仅机身结构，而且由桨叶和桨毂组成的升力系统、传动系统也大量采用树脂基复合材料。H360、S-75、BK-117和V-22等直升机均大量采用了复合材料，如顷转旋翼飞机V-22用复合材料近3000公斤，占结构总重的45％左右，法德合作研制的“虎”式武装直升机，复合材料用量更高达77％。

7．先进复合材料在航空发动机上也得到成功应用

航空发动机使用碳纤维增强树脂基复合材料取代金属材料可以有效减轻发动机重量，降低燃料消耗，增加航程。有资料报导，发动机减轻1磅重量，从而使飞机可减轻10～20磅重量。从70年代初，复合材料就成为TF39、F103特别是GE36UDF发动机研制计划的一部分，在这些发动机上积累了经验之后，在GE90的风扇叶片上成功使用了高性能韧化环氧复合材料。此外，在F119风扇机匣、遄达发动机的风扇机匣包容环及反推力装置上也广泛采用了树脂基复合材料。

近期开发的波音787的动力装置GEnx的风扇机匣及风扇叶片，将由碳纤维/环氧树脂基复合材料制成。除减重外，复合材料还表现出良好的韧性及耐蚀性。

至于陶瓷基复合材料等超高温复合材料，目前已在M88、F119等发动机尾喷管等静止件上获得应用。

随着飞行器向高空、高速、无人化、智能化、低成本化方向发展，复合材料的地位会越来越重要。国外预计，在下一代飞机上，复合材料将扮演主角，目前采用全复合材料飞行器的计划正处于酝酿之中。

2.技术成熟度评估在航空材料开发中的应用篇二

以往TRL方法多用于实物研发, 而以技术提升为目标的软性预先研究项目则多以专家评审等方式评判, 并没有量化的考核方式。因此, 迫切需要一种新的、与自身复杂特点相适应的管理模式。在这种背景下, 将技术成熟度模型引入预先研究项目管理研究中, 以实现对技术的“量化”管理, 具有十分重要的现实意义。

技术成熟度的发展及现状

1. 技术成熟度的发展

技术成熟度来自英文TechnologReadinessLevels (TRL) , 起初是美国航空航天局 (NASA) 在上世纪70年代中期提出并发展起来的, 主要是用于分阶段描述一项技术从萌芽状态, 到成功应用于系统的发展历程。1989年, 萨丁将TRL划分为7级。1995年, NASA专家曼金斯将TRL划分为9级。上世纪90年代, 美国大量的武器和航天项目研制过程中出现了经费严重超支、工期延误、指标降低、甚至中途下马的现象。1999年, 美国总审计署发布了一份影响深远的报告, 建议美国国防部采用NASA的TRL。2003年, 美国国防部发布了《国防部技术成熟度评估指南》, 此后的2005年、2009年、2011年又陆续发布改进版。2004年, 美国国防部将技术成熟度评估写入《国防部采办指南》。

目前, TRL已被美欧等发达国家和机构广泛采用, 例如, 美国国防部、NASA、美国总审计署、美国能源部、美国国土部、欧空局、英国国防部、北大西洋公约组织、波音公司等。目前, 国际标准化组织 (ISO) 正在制定技术成熟度国际标准。

经过多年的发展, 以美国为代表的军事发达国家, 已经建立了一套较为完备的技术成熟度评估组织管理体系。该体系采用层次化结构, 通过决策层、管理层、实施层、保障层各部门与机构间的分工合作, 为开展技术成熟度评估提供了有力的组织保障。

2.技术成熟度在我国的发展现状

进入21世纪以来, 我国部分科研院所也在开展TRL应用研究, 受到总装备部、国防科工局、航天、航空等部门重视。目前, 已发布了国军标《装备技术成熟度等级划分及定义》, 并开始在部分军工型号研制中试点应用。但我国的TRL应用研究, 无论是评价方法还是应用, 都还处于初期阶段, 而对以技术提升为目标的软性预先研究项目, 尚未开展应用TRL评估的管理方法。

国军标技术成熟度的划分标准, 如表1所示。

技术成熟度评估方法在预先研究项目管理中的应用

预先研究作为型号发展的预先技术储备, 对项目工程研制起着关键性的作用。我国目前的预先研究支撑渠道主要包括:863、973、自然科学基金、支撑技术、共性技术、演示验证等几大领域。

传统的预先研究课题申报, 多是从专业角度考虑所申报项目与支持方的契合度, 并未有量化的考核手段, 往往存在所申报的项目与支持方不匹配, 导致申报成功率低。而应用技术成熟度, 预估技术的现状和目标状态, 分析研究各类预先研究项目所支持的技术成熟度范围, 以量化的方式“对标工作、对症下药”, 是提高预先研究项目立项成功率的有效手段。同时, 预先研究项目的传统评估方法多为专家评审形式, 评价含糊而且容易受部门利益或个人偏见的影响, 缺乏规范而客观的评价标准, 难以有效地支撑决策。技术成熟度等级的划分和量化评估很好地解决了以上弊端。

将国家层面的部分预研研究支持渠道, 按所支持的起始技术成熟度、结题技术成熟度、所属领域、特点、经费、申报时间、实施周期、申报难度、实施难度、影响力等进行梳理, 如表2所示。

1.应用技术成熟度评估的预先研究项目管理流程

应用技术成熟度评估的预先研究项目管理, 主要包括以下这些任务:

(1) 待提升技术识别, 即辨识同时具备高重要性和高风险性的技术。

(2) 对关键技术进行初始TRL评估。可采用基于检查单和基于工程数据采集两种TRL评估方法。

(3) 对关键技术进行目标TRL评估。

(4) 根据初始TRL、目标TRL和技术特点, 匹配表2中的支持渠道, 确定所要申报的项目领域, 并根据要求完成申报。

(5) 预先研究项目立项后, 分解研究内容及进度计划, 确定某些关键考核节点 (如开题、年度评估、中期评估等) 技术所应达到的TRL。可采用基于检查单和基于工程数据采集两种TRL评估方法, 确保验收时技术达到目标TRL。

2. 技术成熟度评估在某973预先研究项目中的应用

以下, 以某973项目为例, 简单介绍TRL评估在预先研究项目中的应用。其中, 关键技术识别:某产品研制中期望依靠缩比试验获得产品特性参数, 但缩比准则、模拟条件要求等对试验结果有很大影响。因此, 将“缩比试验方法及模拟技术”识别为关键技术。

(1) 关键技术初始TRL评估。已提出缩比试验方法及模拟技术概念和其应用设想, 初始TRL为2。

(2) 关键技术的目标TRL评估。期望开展理论分析、仿真、计算及试验, 验证考核缩比试验方法及模拟技术。目标TRL为4。