原创 从技术研发到适航认证，飞机复合材料结构面临哪些挑战？

飞机复合材料结构在现代航空领域中具有重要地位，随着电动垂直起降（eVTOL）飞机的兴起，其应用愈发广泛。然而，这一领域在发展过程中既面临着诸多机遇，也遭遇了不少挑战。

一、复合材料在 eVTOL 上的应用

（一）eVTOL 的组成与成本构成

eVTOL 主要由机体子系统、导航通讯与飞控子系统、动力子系统和能源子系统构成。在成本分配方面，推进系统约占 40%，结构和内饰占 25%，航电和飞控系统占 20%，能源系统占 10%，其余装配件占 5%。碳纤维复合材料因其低密度高强度的特性，成为 eVTOL 的最佳选择，其可设计性提高了结构效率，实现了轻量化设计，进而提升了能源利用效率和飞行效率，增加了航程。

（二）碳纤维复合材料的优势

1. 轻量化与高效能：碳纤维复材的低密度高强度使 eVTOL 结构更轻，从而提高飞行效率，减少运维成本，其耐用性和低维护要求降低了长期运营成本。
2. 稳定性与安全性：高轻度和模量保证了 eVTOL 结构的稳定性和安全性。
3. 环境适应性：碳纤维不受酸、碱环境影响，化学稳定性好；热稳定性使 eVTOL 在连续工作温度下具有长寿命；电导率低，避免了结构问题和安全隐患。
4. 生产周期短：碳纤维复材的生产周期比传统材料更快，有助于缩短 eVTOL 的生产周期和市场投放时间。

（三）设计研发的复杂性

eVTOL 的复合材料飞机结构研发设计和测试涉及空气动力学、结构力学、材料学、计算机等多学科的综合应用，包括方案设计、计算仿真、材料试验、部件试验等复杂实验过程。

二、eVTOL 适航认证

（一）各国空中交通监管体系

不同国家的空中交通监管体系存在差异。中国由民航局、人民解放军空军、当地政府分别负责适航审定、空域审批和交通运输管理；美国联邦航空局全权负责相关环节；欧洲则由欧洲航空安全局负责适航认证，空中交通管理由各国的空中航行服务提供商、EASA、欧洲空中航行安全组织网络管理机构共同负责。

（二）适航规定有待完善

目前中美欧尚未形成专用于 eVTOL 适航审定的系统性规定。欧洲航空安全局针对 eVTOL 飞机制定了新的适航规章，美国联邦航空局正在建立适航认证框架，中国民用航空局对 eVTOL 的适航审定采取一事一议的方式。我国目前尚无针对 eVTOL 监管专项立法，涉无人机监管的法律依据主要为民航局颁发的规范性文件。

（三）eVTOL 相关适航取证规定

以中国为例，eVTOL 型号需先取得型号合格证（TC），再申请生产许可证（PC）才可批量生产，投入运营还需申请航空运营证（AC）。TC 申请周期较长、耗费较大，PC 可在 TC 申请过程中或取得 TC 后提交，在持有 PC 的情况下申请 AC 相对简便。

（ 四 ）行业配套不足的挑战

1. 空中交通管理复杂：城市低空空中交通管理因空域资源边界模糊、建筑物和地形地貌差异大、电磁环境复杂等因素而十分复杂，需建立统一的数字管理系统。
2. 地面基础设施不完善：垂直起降机场的规划与布局不成熟，缺乏系统化解决方案，尽管已有一些设计方案，但尚未有成熟落地的整体方案。
3. 适航及监管规定空缺：适航认证和监管法规标准欠缺，各国对无人驾驶自动飞行载客 eVTOL 的适航审定谨慎，需加强国际合作建立全新监管体系。

三、eVTOL 复合材料结构发展方向

（一）需求与目标

eVTOL 飞机结构对结构效率及轻量化要求迫切，要获得公众认可需具备高安全性、可靠性和方便低成本的维修性，走向市场则需低成本、批量化生产。

（二）结构设计的重要性

结构设计贯穿 eVTOL 的全过程，与适航密切相关，且影响飞机结构成本和运营维护成本。

（三）材料选择与制造工艺

1. 材料是根本：低成本的预浸料（如烘箱、热压罐工艺）、单向布或织物、树脂（如液体成型），以及低成本的热塑性预浸料（模压成型）等是发展方向。但现有预浸料烘箱工艺做厚零件不成熟，大丝束预浸料工艺性有待提高；热塑性树脂系统因可回收性和成本效益在未来可能更具吸引力，但目前部分材料性能与成本存在矛盾，需开展相关研究。
2. 设计是关键

• 总体设计：包括气动设计、总体布置等，涉及多个阶段和工作内容，如联合概念定义、初步设计、详细设计等，各阶段有不同的任务和目标，涉及多个供应商和团队的协作。
• 结构设计：面临材料数据库不健全、不同无人机结构差异等问题，需确定设计要求，进行结构件智能设计、设计校验、可制造性分析、实验结果分析和设计审核等工作，包括强度、刚度、疲劳、寿命、可靠性、颤振等方面的分析与优化。
• 工艺设计：涵盖多种成型工艺，如手糊成型、喷射成型、RTM 技术等，但大尺寸整体壁板固化、大梁烘箱固化、大尺寸部件液体成型、模压工艺等方面存在问题。
• 工装设计：包括成型工装和装配，采用低成本成型工装（如代木、玻璃钢模具），实现自动化铺放（自动铺丝、自动铺放、自动料片抓取与铺放）、自动检测和脉动式节拍装配生产线。
• 试验验证：需要设计复杂完备的测试方案，对软件分析结果进行试验验证，包括颤振机身、强度、载荷、结构振动、疲劳等方面的测试，涉及机身、机翼、尾翼、电池舱、起落架等部件。

（四）复材部件类型与案例

eVTOL 复材部件类型多样，如机身壁板、机翼蒙皮等，不同部件在结构形式和承载能力上有所不同。以 F - 22、F - 35、阿帕奇、A400M、空客 A380 等为例，展示了复合材料在航空领域的成功应用案例，体现了复合材料在减重、成本降低、结构优化等方面的优势。

（五）发展趋势

1. 设计制造一体化：实现完备的材料体系、面向适航的结构优化、强度仿真和工艺仿真。
2. 降低制造成本：应用低成本模具、大丝束预浸料，采用 OAA 工艺、模压工艺、一体化成型工艺（RTM、真空导入等），并运用自动化设备。
3. 提升整机装备制造能力：包括成型模具设计与制造、装配工装设计制造调试以及整机装配与调试，借鉴汽车制造思路，提高飞机制造的自动化程度。

四、安泰复材的技术创新

安泰复材在 eVTOL 领域积极开展技术创新，涉及多旋翼无人机 / 垂直起降大型无人机（如德国的 Lilium、美国的 JOBY 和 ARCHER 等）、大型无人机 / 复合翼、倾转旋翼 eVTOL（如中国的 TP500、启明星 50、VERTAX 复合翼 Evtol - M1、Tcab Tech 倾转旋翼 Evtol - E20 等）。其关键技术包括大尺寸管梁成型技术、一体化设计及整体成型复合材料尾梁、复合材料油箱设计及制造、零件制造和装配一体化集成技术等，拥有多项独有专利技术，为 eVTOL 的发展提供了有力支持。

五、总结与展望

飞机复合材料结构在 eVTOL 领域机遇与挑战并存。复合材料的应用为 eVTOL 带来了性能提升，但适航认证和行业配套等方面的挑战亟待解决。安泰复材等企业的技术创新为行业发展注入动力，未来需持续加大科技创新力度，推动 eVTOL 低成本高安全性的商业化应用进程。