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飞机是用什么材料做成的:“黑色材料”成就“绿色航空”

更新日期:2018/9/10来源:上海航宇科普中心

一百多年前莱特兄弟的首次载人动力飞行被业内认同为近代飞机的起源,“飞行者一号”可谓是一架全木制飞机,主要以桁架结构为主,当时的机身为框架结构,无法用于任务装载。二战以后民用航空发展迅速,飞机的结构材料快速革新进步,从木制结构向金属结构演变,飞机结构也更加复杂,功能更加健全,逐步进入载客飞行的成熟阶段。

进入新世纪,民用航空追求节能、环保、舒适的要求推动飞机结构材料的改进,高性能复合材料成为工程界的时尚宠儿,正在民用航空结构中扮演越来越重要的角色。今天我们来爆一爆民用飞机在花花绿绿的外衣下的真材实料。

1903年1217日,“飞行者一号”在美国北卡罗来纳州完成人类历史上首次动力飞行,“飞行者”飞机的结构很简单,两副木制机翼框架外侧包覆粗棉布,木制桁架结构机身,飞机没有驾驶舱和乘用空间,飞行员需要俯卧在机翼上方的空间进行操作。由于木制材料的力学特性局限,为了保证飞机的刚度,机翼之间布置了很多支柱和张线。

这段时期是人类探索飞机设计的黄金时段,许许多多的工程师研制了各式各样、千奇百怪的飞机,但该阶段木制结构是主要材料,包括螺旋桨。这是由于早期飞机飞行速度很慢,大都不超过100公里每小时,木制结构覆盖粗棉布的构型能够有效承载飞行载荷,而且当时条件下木材的加工技术成熟,维修便捷。虽然当时铝材等金属材料供应已经比较成熟,但木材结构单位重量较轻,得到广泛应用。

民用飞机的发展与材料技术的进步相伴随。在第一次世界大战之前,民用飞行或者商业飞行旅行还没有成熟。战后,航空运输行业得到发展,航空邮政业务发展迅速。飞机的飞行性能进一步提高,随着飞行速度的不断增快,木结构无法满足设计承载需求,金属结构登上舞台成为主力军。

1933年波音首飞的B-247可以称为第一架“现代化”民航飞机,翻开了民用航空的新篇章。飞机采用全金属结构,当时主要以电镀铝作为蒙皮结构,设计有相对封闭的客舱、可收放式起落架,虽然该飞机仅可搭载10名乘客,但是初步具备一切民航飞机的特点。同时期,道格拉斯公司的DC-3飞机,也以铝蒙皮、翼梁、翼肋、隔框、长桁等相互铆接构成铝合金半硬壳结构,该类型结构成为民用航空后来的设计鼻祖,后续至今,民用飞机都在此基础上不断改进。

民用飞机发展早期,飞机材料主要以铝合金、钢合金等金属材料为主,这期间,由于超音速飞机的出现,随着飞机飞行速度的增加,飞行载荷的增加,飞机设计对材料性能提出新的要求,在高温领域钛合金材料得到应用和发展。超音速飞机“协和“飞机在超音速飞行时,飞机表面加热效应显著,飞机头部结构局部温度可达127℃,机身后段也可超过90℃。所以协和飞机主体材质为硬铝材料,但在升降副翼、发动机短舱等处大量使用钛合金和不锈钢。

随着市场对飞机效率的更高要求,减轻飞机结构重量、降低飞机运营成本是飞机设计工程师的共同追求,复合材料经过数年的使用验证逐步成为民用飞机的主力军。先进复合材料的比强度(单位重量的强度)、比刚度都比传统金属高,依照一般经验,在强度相同的条件下,采用复合材料较铝合金可节省约20%-30%的重量。另外,复合材料耐热耐腐蚀性能好,抗疲劳性能优异,疲劳寿命比传统的铝合金好几倍,非金属材料也可以让雷达波穿透,适用于机鼻雷达罩等设备结构。

新研发的先进民用飞机中,复合材料用量显著增长,主要应用复合材料的部位包括整流罩、平尾、垂尾、平尾翼盒、机翼、中前机身等。空客公司飞机从A320A330开始在尾翼结构、翼面活动面、发动机短舱整理罩,翼身整流罩、起落架舱门等部件开始使用复合材料,到了A380复合材料用量约20%-25%A350的复合材料用量超过50%,总体用量与金属材料平分秋色,超越了铝合金材料成为民用飞机用量最多的材料,可以说民用飞机正式进入了复合材料时代,成为名副其实的“塑料飞机”。

铝合金材料是航空材料中最为广泛使用的材料之一,具有较好的力学性能和工艺特性,具有高强度、质量轻、韧性好等特点,是民用飞机结构材料家族中最为重要的成员之一。统计结果表明,空客A380-800飞机铝合金材料占比约为61%A350-900XWB的铝合金材料占比约为20%,波音787-8的铝合金材料占比也大约达到20%。经过长期的应用研发,铝合金材料发展出高强铝合金、耐热铝合金和耐腐铝合金系列,涵盖了飞机结构的绝大多数应用范围。

高强度铝合金主要应用于飞机机体结构部件,包括机身/机翼蒙皮、机身/机翼长桁、机翼/尾翼翼肋、机翼/尾翼翼梁、机身隔框、机身地板纵/横梁、龙骨梁、座椅滑轨等主结构,还包括众多连接件、支架等结构。耐热铝合金主要应用于飞机高温区域结构,例如发动机舱、空调系统结构等。耐腐铝合金主要应用于飞机厨房、卫生间及环控系统结构。

虽然,复合材料等新兴材料不断兴起,正在挑战金属材料的地位,但是铝合金材料自身也在不断改进,始终占据着民用飞机结构非常重要的地位。例如新型铝锂合金材料,正在成为当今航空件材料界的耀眼新星,铝锂合金是一种含锂元素的多元铝合金。由于锂是最轻的金属元素,铝合金中每增加1%的锂元素,合金材料的密度就可减少3%,模量提高5%。铝锂合金具有质量轻、模量高和强度高的优点外,还具有优良的抗疲劳性能和良好的低温韧性,正在成为航空材料界的研究热点,我国大型客机C919飞机的机身蒙皮结构材料采用新型的铝锂合金材料,达到世界前沿水平。

超高强度合金钢顾名思义绝对强度指标高,其抗疲劳性能、断裂韧性和裂纹扩展速率整体指标优良,专门用在飞机结构中对于尺度和强度要求极为苛刻的部件,例如飞机起落架和机构滑轨等。飞机起落架要求在承受极高载荷条件下保持高寿命和高可靠性,超高强度合金钢成为首选材料。目前民用飞机使用过的最大起落架波音777的主起落架的主支柱采用的就是超高强度钢整体锻件。

钛合金材料于1949年第一次出现在美国DC-7运输机的发动机舱和隔热板结构上。钛合金材料的密度约为钢材的60%,但是强度与钢材料接近,强度比和刚度比优于钢材,且抗腐蚀性好,与复合材料不易产生电化学腐蚀,综合性能优良。在飞机高载荷高温度区域,广泛采用钛合金材料结构。

新型金属材料的面世或许会改变航空材料的格局,波音公司在2015年展示了其最新研究的一种微晶格镍磷合金,是一种壁厚100纳米的中空结构,比碳纤维材料要轻近10倍,且非常坚硬,具备超强吸能能力,超轻型金属材料是未来的重要研究方向。

复合材料是由两种或两种以上不同性能、形态的材料,通过复合工艺组合而成的新型材料。复合材料在继承原有材料的主要特征的基础上,也能够通过复合效应克服单一材料缺陷,提升整体性能。复合材料在民用飞机的应用历经了几个阶段的发展,逐步从次承力结构,发展到机体主承力结构,机翼作为飞机结构中最为重要的结构部件之一。目前市面最新的空客A350和波音787飞机都采用了全复合材料壁板。

复合材料种类繁多,在飞机上应用的除了大家熟知的纤维树脂基复合材料外,还有蜂窝夹层复合材料等。人类从六边形蜂巢得到启发发明了蜂窝夹芯类复合材料结构,蜂窝材料具备上佳的抗压、抗弯特性,由于自身中空的特点,结构重量轻,相比较实心材料其比强度和比刚度遥遥领先。

目前,全世界主要飞机公司生产的机翼、尾翼、方向舵、机身蒙皮、飞机地板等构件都是采用蜂窝芯复合材料结构。蜂窝材料除了具备优良的力学特性外,同时具备减震、隔音方面的显著优点。

商用大涵道比发动机结构上越来越多地采用复合材料结构,尤其是风扇叶片、机匣结构及短舱等部件。与传统钛合金材料叶片结构相比,复合材料风扇叶片有重量更轻、效率更高、噪声更低等特点,GE公司为波音777新款飞机装配的GE9X新型发动机采用了复合材料风扇机匣和复合材料风扇叶片,降噪效果显著。

金属材料从来都是机械结构的重要组成,在特殊使用条件下,高性能特种金属材料的地位仍然难以撼动,同时,金属材料自身也在进行着性能与工艺的不断革新,例如正在如火如荼地进行着的3D打印技术正在推动着复杂构型金属件制备工艺的进步;而且新型的高性能合金材料、高分子材料及纳米材料也在不断取得新进展。

复合材料的应用在机械性能方面已经得到较为广泛的认可,未来除了在材料力学性能方面更进一步地改进外,或许会在制造装配、回收利用和分析仿真方面针对复合材料进行深层次的研究,研发自动化程度更高、可靠性更高、可回收利用性更好的材料体系,进一步完善复合材料的应用产业链。(周磊)

来源:大飞机报