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      從木頭到復合材料 飛機制造材料大變革

      時間:2016-05-16 13:57:58 點擊: 【字體:

      何為飛機材料
       
          飛機材料的范圍較廣,分為機體材料(包括結構材料和非結構材料)、發動機材料和涂料。而其中最主要的是機體結構材料和發動機材料。一般來說,非結構材料包括:透明材料,艙內設施和裝飾材料,液壓、空調等系統用的附件和管道材料,天線罩和電磁材料,輪胎材料等。非結構材料用量少,但品種非常多,包含玻璃、塑料、紡織品、橡膠、鋁合金、鎂合金、銅合金和不銹鋼等。
       
          結構材料應具有盡量高的比強度和比剛度,以減輕飛機的結構重量。結構重量的減輕,可以提高飛行性能,提高經濟效益或作戰效能。同時,結構材料還應具有良好的可加工性,便于制成所需的零件,而這又涉及工藝問題。
       
      從木頭到復合材料 飛機制造材料大變革

       

      飛行者1號:云杉木打造的飛機
       
      木結構飛機在上世紀30年代之前,一直很流行。就連波音公司的創始人威廉·波音,原本也是西雅圖市的一個木材商。據維基百科介紹,萊特兄弟研制的第一架有動力的飛機——“飛行者1號”——使用的主要材料就是云杉木。在其使用的材料中,木材占47%,鋼占35%,布占18%。其螺旋槳也是木制的,而且整架飛機都沒有設計座位。
       
      在航空制造發展的百余年歷史中,飛機材料的更新換代呈現出高速更迭與變換的狀態??v觀人類航空發展史,材料和飛機一直是在相互推動下不斷得以發展和改進的。
       
      木布結構的時代

          上世紀初,世界上第一架載人飛機上天。發明者萊特兄弟使用的材料以木材為主,占比達47%,其次是鋼(占35%)和布(占18%)。當然,這架飛機的飛行時度只有16公里。早期的飛機只帶著勇敢的探索者飛離地面。那時,設計師就是駕駛員。因為簡陋的機體結構很不可靠,普通人不敢冒險從事飛行。 

       

      20世紀初的飛機廣泛采用了木布結構
       
          早期飛機用木條、木三夾板做大梁和骨架,用亞麻布做機翼的翼面,這就是所謂的飛機木布結構。而在木桿與層板之間,通常用螺栓相拼接。機翼則蒙上涂抹過清漆的亞麻布,其間以縫紉方式與翼肋構架相連接,而清漆可以保證翼面的堅挺度、應有的幾何形狀和強度。這樣的材料結構一直沿用到第一次世界大戰結束,只是飛機的氣動外形和內部結構更趨合理和完善。

       

      二戰時期的“蚊”式戰斗轟炸機是全木飛機
       
          自上世紀20年代起,人們設計出半硬殼式機身和具備翼型空間的機翼,飛機性能大幅提高,對飛機材料也提出了新的要求。在局部受力處,比如發動機架和整流罩等部位更多采用了金屬零件,但翼面、舵面和后機身仍部分采用布質蒙皮,這就是所謂的飛機半金屬結構。
       
      金屬材料興起
       
          1906年,德國冶金學家發明了可以時效強化的硬鋁,又稱杜拉鋁,使后來制造全金屬結構的飛機成為可能。上世紀20年代,有極個別飛機開始試用強度更高的硬鋁合金,硬鋁合金替代了原先制作飛機骨架和翼肋的木條,也少量替代了承力較大的布質機翼蒙皮。但當時飛機上的非承力部件,依然采用低成本的木布結構。
       
          當時,蘇聯等國也曾有設計師嘗試用“取之不盡”的鋼材來制造飛機,甚至是小客機。鋼的比重大于鋁,所以對于“為節約每一克結構重量而奮斗”的飛機設計師而言,這肯定不是個好主意。重金屬不屬于航空器,它的使用將嚴重削弱飛機的飛行性能或使用效能。最終,怪異的“鋼鐵飛機”被拋棄也是意料之中的事情。
       
          1925年以后,許多國家逐漸用鋼管代替木材做機身骨架,用鋁板做蒙皮,制造出全金屬結構飛機。全金屬結構飛機加大了結構強度,改善了氣動外形,提高了飛機性能。到上世紀40年代,全金屬結構飛機的時速已經超過600公里。

          然而,將硬鋁板材做到極端的也大有人在。作為當時的航空先進國,德國和美國在上世紀30年代后期都嘗試使用一種被壓成細波紋狀的薄鋁板做飛機表面的蒙皮。這樣的形狀可以額外加大其縱向強度。世界上第一架“為客機而設計的客機”容克F13和其他一系列容克、???、福特品牌的客機或運輸機都成功采用過這種外部材料。需要特別指出的是,直到目前,硬鋁仍然是全球飛機的主要用材。

       

      容克F13 全球首架全金屬客機
       
          到上世紀40年代初期,不少國家由于戰爭原因,有色金屬特別是航空用鋁庫存量告急,一些工廠又做起“木頭飛機”的復古夢。作為最成功的例子,英國皇家空軍的“蚊”式戰斗轟炸機是當時最負盛名的機型?!澳绢^飛機”大量使用膠水黏合結構件,不僅堅固耐用,作戰效能也不錯。
       
      進入上世紀50年代以后,人類跨入了超音速時代。飛機材料特別注重耐高溫指標,人類開始尋求全新的高強度耐熱材料。于是,出現了航空專用的既堅固又耐熱的鈦合金和不銹鋼。其中,鈦合金的研制成功和應用對解決機翼蒙皮的熱障問題起了重大作用。但需要指出的是,它們特別不易加工,同時因為比重大,通常只用在特殊部位、內部骨架和起落架支柱等部位。
       
          作為特例,這些特殊鋼材也曾大范圍使用在極個別的特種飛機上。比如,上世紀60年代出現了能在3萬米高空進行3倍音速飛行的全鈦結構間諜飛機SR-71。

       

      全鈦結構間諜飛機SR-71
       
      復合材料應運而生
       
          隨著材料科學的進步,自上世紀70年代起,新一代航空材料——復合材料——應運而生。它相當于一種摻進加強纖維的“塑料”,比如將玻璃絲纖維摻和在環氧樹脂內。復合材料具有比強度高、剛度高、質量輕的特點,并具有抗疲勞、減振、耐高溫、可設計等一系列優點。它可以使飛機在維持原強度的前提下減輕重量,或在同樣的重量下,強度更高。復合材料所創造的經濟效益和軍事效益可想而知。最極端的一例是,在上世紀80年代出現了世界上第一架“全塑料”飛機AVTEK400。

       

      第一架全塑料飛機──Avtek400
       
      自玻璃纖維與有機樹脂復合的第一代復合材料“玻璃鋼”問世以來,陶瓷纖維和硼纖維增強的復合材料相繼研制成功,性能不斷得到改進,使復合材料領域呈現出一派生機。然而,在大多數場合,復合材料依然無法完全替代傳統的鋁系金屬材料,大多還是只用在非主要承力部件上,如舵面蒙皮、設備口蓋、小飛機的機身和機翼蒙皮等。
       
      此外,飛機的機載雷達一般采用玻璃纖維增強塑料做成頭錐,將它罩住以便能透過電磁波。駕駛艙的座艙蓋和風擋玻璃則采用丙烯酸酯透明塑料(有機玻璃),而飛機主起落架必須采用沖擊韌性好的超高強度結構鋼。
       
      隨著航空技術的進步,新一代復合材料問世,其中的佼佼者就是碳纖維復合材料。它的特點有:高強度(是鋼鐵的5倍),出色的耐熱性(可以耐受2000攝氏度以上的高溫),出色的抗熱沖擊性,低熱膨脹系數,熱容量?。ü澞埽?,比重?。ㄊ卿摰?/5),優秀的抗腐蝕與輻射性能。上世紀70年代以后,有越來越多的飛機采用以硼纖維或碳纖維增強的新型復合材料。鋁、鈦、鋼和復合材料,已成為現代飛機的基本結構材料。
       
          進入21世紀,先進飛機已經越來越青睞碳纖維復合材料,甚至將其在飛機結構總重中所占的比例作為衡量一個國家飛機制造技術的硬指標,并向用于機翼甚至前機身等主承力部件的方向發展。
       
      航空技術的進步與發展,對航空材料的發展起著積極的推動作用。與此同時,材料科學與工程發展、新型材料的出現、制造工藝與理化測試技術的進步,又為航空新產品的設計與制造提供了重要的物質與技術基礎,從而對航空產業的發展起著有效的推動作用。 

      波音787:復合材料革命的代表

      波音787復合材料的使用
       
          從材料學的角度看,波音787飛機是制造業歷史上一次革命性的跨越。波音787飛機在機身和主要結構上大面積使用了復合材料,不僅減輕了飛機重量,還減輕了航空公司的維修負擔。波音公司的數據顯示,復合材料占到波音787飛機結構重量的50%(體積的80%),鋁占20%,鈦占15%,鋼占10%,其他材料占5%。