波音发布 787 梦想客机首个复合材料机身段

2003 年，波音公司（美国伊利诺伊州芝加哥）宣布开发后来成为 787 型商用客机的计划时，备受瞩目的一点是：该机型将成为首款采用碳纤维复合材料制造机身、机翼、尾翼等主要结构的飞机，而非此前数十年的铝合金标准。同样引人注目的是，波音决定将这些主要结构的制造外包给全球供应商网络，各供应商制造完整分段总成，最终在位于美国华盛顿州埃弗里特的波音总装线拼装。这份供应商名单如今广为人知，包括日本的三菱重工和川崎重工（东京）、意大利的 Alenia Aeronautica（那不勒斯），以及美国最著名的 Spirit AeroSystems。

Spirit 获选制造 787 的整个前机身——即 41 号段，包含驾驶舱、驾驶舱挡风玻璃、两扇门、九个乘客窗及所有航电、驾驶舱座椅和布线。41 号段直径 6.2 米、长 12.8 米，堪称飞机机身段中最复杂的一段。

Spirit 的深厚底蕴

Spirit 入选并不令人意外。其历史可追溯至 1927 年，航空先驱 Lloyd Stearman 将 Stearman Aviation 从加州迁至威奇托。两年后，波音（当时称 United Aircraft and Transport Corp.）收购了 Stearman。波音威奇托工厂随后制造了美国历史上多款标志性军用飞机，包括 B-29“超级堡垒”、B-47“同温层喷气机”和 B-52“同温层堡垒”。

2005 年，波音全面启动 787 制造开发时，威奇托园区已出售并更名为 Spirit AeroSystems。Spirit 高级总监 Eric Hein 称，公司现拥有美国（堪萨斯、俄克拉荷马、北卡罗来纳）、苏格兰、法国和马来西亚的多个基地，拥有全球最大商用飞机制造能力。除 787 外，Spirit 还为波音 737、747、767、777；空客 A320、A350（同样大量采用复合材料）和 A380；庞巴迪 CSeries；三菱 MRJ；西科斯基 CH-53K（直升机）；贝尔 V-280（倾转旋翼机）制造主要结构（多为金属）。Hein 透露，Spirit 2017 年营收 70 亿美元，订单积压达 460 亿美元。

威奇托基地始终是 Spirit 运营核心。园区占地 600 英亩，150 栋建筑，10,700 名员工，宛如一座制造城市，卡车、汽车和摆渡车穿梭其间。

787 前机身制造集中在园区边缘的一栋超大厂房内，这里完成所有复合材料制造、内部结构安装和系统集成，成品随后运往埃弗里特总装。

整体式机身桶

Spirit 采用整体式结构制造 787 机身段，将自动铺丝/铺带工艺与共固化弦条相结合，形成单件机身桶。（值得注意的是，空客后来设计的 A350 XWB 采用碳纤维复合材料面板拼装机身，而非整体结构；Spirit 在北卡罗来纳州金斯顿制造 A350 机身面板，在法国组装。）

787 主要结构用复合材料来自日本东丽，为 Torayca 3900 系列碳纤维增强韧化预浸料，采用中模量 T800S 纤维。预浸料以单向带、窄带（用于自动铺丝/铺带）和织物形式供应。

787 机身设计规定两大基础复合材料制造工序：弦条裁切成型和机身蒙皮铺丝。关键在于将弦条与铺丝蒙皮结合实现共固化。因此 Spirit 和波音高度重视首道工序：弦条制造。

这条高度自动化产线配备美国 GFM（弗吉尼亚州切萨皮克）裁切台，将 Torayca 3900 系列预浸料裁切成铺层。铺层转移至成套台，在 LAP Laser（肯塔基州埃兰格）投影引导下人工堆叠，准备成型。Sanchez 称，该弦条制造线体现了 Spirit 为 41 号段开发的大量知识产权，是工厂运营的关键环节。

预成型弦条转移至相邻的 41 号段模具，后者将成为后续所有复合材料制造工序的核心。模具由碳纤维/双马来酰亚胺（BMI）复合材料制成，共六段，每段沿长向横向分割。模具表面加工有沿长度方向的槽，预成型弦条平底朝外放入槽内。

所有弦条就位后，操作员用东丽复合材料（美国华盛顿州塔科马）制造的交织金属丝织物（IWWF）全包覆模具，为整个 787 机身提供防雷击保护。随后覆盖塑料袋膜，固定 IWWF 和弦条，模具经人工引导车轮送至下一站——自动铺丝（AFP），袋膜拆除进行铺丝。

自动铺丝（AFP）工艺

AFP 系统堪称 787 采用复合材料的标志性工艺。AFP 在 787 计划启动前已应用多年，并非新技术。787 的新突破在于应用规模——极少有 AFP 制造的复合结构接近哪怕一个 787 机身段的尺寸。

Spirit 威奇托建立 787 生产线时，使用 Ingersoll Machine Tools（伊利诺伊州罗克福德）供应的 32 筒架机器。2000 年代初，波音与自动化专家 Electroimpact（华盛顿州穆基尔teo）合作开发新型 AFP 机器，采用模块化可互换头，每个头储存特定操作所需的碳纤维线轴，可根据带宽需求快速更换。

Spirit 保留原 Ingersoll 机器作为备用，主力采用两台 Electroimpact 机器制造 41 号段蒙皮。每台配备 16 筒架头（0.25 和 0.50 英寸/6.35 和 12.7 毫米宽线群），协同向水平安装并旋转的模具铺放线群，铺放路径多为短而严格规定的路线。在明亮车间灯光下，模具上已铺放的多角度线群清晰可见。

Sanchez 未透露两台机器完成一个机身蒙皮铺丝的具体耗时，仅称“非常快”。AFP 操作由三名操作员管理：一名在俯瞰模具的控制室，两名手持手电筒在模具下方和旁边巡检，查找预浸料表面的间隙、重叠、不平、褶皱和异物碎屑（FOD）。缺陷必须在固化前处理/修复。

后处理精加工

经再次全包覆袋膜后，41 号段进入高压釜。Spirit 威奇托运营两台巨型 Thermal Equipment Corp.（TEC，加利福尼亚州兰乔多明格斯）高压釜。机身段过夜固化，随后去袋，六段模具分段拆解，从机身宽端抽出。

随后 41 号段经过数天、多工位流转走向完成：MTorres（西班牙 Torres de Elorz）Torresmill 五轴龙门铣钻机钻削机身框架及内部结构、门窗和前起落架舱孔；脉冲回波无损检测（NDI）、喷漆准备、喷漆、窗玻璃安装、门安装及所有内部结构/系统安装。首先安装环形框架（金属和复合），连接弦条和机身蒙皮。整个过程中，41 号段视作业需求龙骨朝上或朝下加工。

参观期间约见 30 个工位，每个工位均有一个处于不同装配状态的 41 号段，每段离厂即可直接在埃弗里特波音总装线集成。波音当前月产 12 架 787，承诺 2019 年达月产 14 架——对宽体客机而言极高产率。

Sanchez 指出，Spirit 已钻研 41 号段制造近十年（含开发和量产），早期潜在问题早已解决，达成月产 14 架套不成问题。

新一代研发

参观离开 41 号段制造厂房，前往相邻建筑会见 Spirit 高级研究总监 Pierre Harter。Harter 曾任职于已倒闭的 Adam Aircraft（科罗拉多州丹佛）和庞巴迪（加拿大蒙特利尔），毕业于威奇托州立大学，带领参观看似普通的多走廊多门楼宇，实为 Spirit 复合材料研发中心。

尽管 Spirit 的 41 号段生产线极其先进，但不可否认其采用的复合材料制造技术在十年前尚属新技术。航空航天认证的现实（成本和时间）及制造约束迫使 Spirit 等供应商早早定型工艺并沿用整个项目周期，升级设备材料的空间有限。

Harter 的任务是评估新兴复合材料和技术，判断哪些将用于下一代飞机。随着 787 和空客 A350 量产，整个商用航空供应链都在为下一个重大商用项目储备知识和专长。

业界普遍预期下一个正式立项将是波音的单通道双发新中型飞机（NMA，或称 797），有效替代 757，预计 2025 年左右上市。虽必用复合材料，但用量、部位、类型尚未可知。Harter 团队正全方位评估：“我们在研究多个项目——非高压釜、快速 RTM、热塑性塑料、创新工装、在线检测、纤维转向。我们要为 OEM 需求做好准备。”

Spirit 威奇托复合材料实验室的核心是一台 16 筒架（0.125、0.25、0.5 英寸线群）Electroimpact AFP 机器，用于在线自动化检测权衡研究及多种原型制作。自动化检测系统旨在消除前文见到的技术员持手电筒人工查找重叠、间隙、褶皱和 FOD 的耗时繁琐工作。

Spirit 正评估 Aligned Vision（马萨诸塞州切尔姆斯福德）的 LASERVISION 系统，这迫使 Spirit 重新界定何为真实缺陷，“重新思考如何表征缺陷”。Harter 称该系统有望于年底投入生产线。

除 AFP 系统外，Spirit 还有多个不同技术成熟度（TRL）的项目：

• 形状记忆聚合物工具（TRL 6），
• 用 Hexcel（康涅狄格州斯坦福）HiTape（干纤维）经 RTM 制造的翼梁段（TRL 6），
• 嵌入传感器的输液翼梁，高压釜或烘箱固化（TRL 4），
• 转向 AFP 与热成型制造的框架（TRL 6），
• 威奇托州立大学 Cincinnati Inc.（俄亥俄州哈里森）BAAM 机器制造的 3D 打印工装。

其他研究领域包括缝合预制件、机器人 AFP/ATL、AFP 头创新。后者源于 2016 年底 Spirit 的挑战：两年内将 AFP 铺放速率翻倍。Harter 团队发现，“机器人工艺优化后，会遇到头部/机器技术极限”，即 AFP 速度瓶颈变为纤维线群分配效率。Spirit 正与 Electroimpact 和材料供应商合作开发提高总吞吐量的技术。

最后参观材料与部件测试区。Spirit 拥有强大测试能力：15 台 MTS Systems Corp.（明尼苏达州伊登普雷里）力学试验机（11-50 kip）、环境试验箱、应变计能力、计量系统和高架空间供全尺寸部件测试——参观期间机翼结构和推力反向器正在承受应力测试。

告别 Spirit AeroSystems 庞大的威奇托园区，凭借其卓越的复合材料能力，不禁遐想未来十年这家航空巨头的前景。在全球航空航天界，其能力组合可以说举世无双。Spirit AeroSystems 似乎已为未来做好万全准备。