淺談飛機(jī)材料的百年變遷

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)與航空制造業(yè)的不斷發(fā)展，飛機(jī)在制造過程中也經(jīng)歷著材料的變遷，由于材料的不同，對飛機(jī)的性能、功能等產(chǎn)生的影響是不同的?！耙淮牧?，一代飛機(jī)”是世界航空制造業(yè)發(fā)展的真實寫照。本文從飛機(jī)材料入手，探討百年來飛機(jī)材料的變遷與飛機(jī)性能的突破。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)材料 飛機(jī)制造 百年變遷

在當(dāng)代，隨著飛機(jī)制造工藝的發(fā)展，當(dāng)前的飛機(jī)制作材料這一概念范圍較廣，主要是飛機(jī)不同位置的材料性質(zhì)不同。如機(jī)體材料、發(fā)動機(jī)材料和非結(jié)構(gòu)材料組成。而在最終飛機(jī)這一概念的出現(xiàn)時，飛機(jī)材料的概念較為單一，往往采用單一的材料來制造飛機(jī)外形、飛機(jī)的動力結(jié)構(gòu)。在百年間飛機(jī)材料的演變歷經(jīng)了好幾個時代，飛機(jī)材料對于飛機(jī)的外形發(fā)展、速度以及安全性等各個方面都具有重要的影響作用。因而展開對飛機(jī)材料的分類以及其百年來的材料變遷所帶來的其他方面的變化，對飛機(jī)發(fā)展史較為淺顯的介紹。

一、飛機(jī)材料的分類

飛機(jī)材料在應(yīng)用上分為三類材料，一是機(jī)體材料，二是發(fā)動機(jī)材料，三是飛機(jī)涂料。在這之中最，機(jī)體材料又分為結(jié)構(gòu)材料與非結(jié)構(gòu)材料。結(jié)構(gòu)材料是具有較高比強(qiáng)度與比剛度的飛機(jī)主要結(jié)構(gòu)部分的材料，結(jié)構(gòu)材料改進(jìn)的目的是不斷減輕飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量，提高飛機(jī)飛行性能，同時降低運營成本。并且結(jié)構(gòu)材料的可加工性強(qiáng)，能夠加工制作成飛機(jī)所需的其他重要零部件，應(yīng)用范圍較廣；非結(jié)構(gòu)材料在飛機(jī)材料中運用的比例較小，材料用量也較小，但應(yīng)用范圍廣，涉及的品種很多，包括鋁合金、鎂合金、不銹鋼、橡膠、玻璃、紡織品等，可以形成輪胎用材料、裝飾用材料、電磁材料等。

二、飛機(jī)材料的百年變遷史

（一）木布結(jié)構(gòu)時代

世界上第一架載人飛機(jī)發(fā)明于上世紀(jì)初，其發(fā)明者為萊特兄弟。當(dāng)時的飛機(jī)使用的材料主要還是以木材為主，木材占據(jù)飛機(jī)整體用料的47%。木材的限制使得第一架飛機(jī)的飛行時速很低，并且安全性較差，很少有人愿意接觸飛行。當(dāng)時的飛機(jī)主要是木布結(jié)構(gòu)組成，機(jī)翼的翼面是用亞麻布做成的，飛機(jī)的基本骨架都是由木頭做成的，在木板間用螺栓作為拼接工具，保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。機(jī)翼上的亞麻布為了能夠保持一定的形狀與強(qiáng)度，通常用清漆進(jìn)行涂抹，這種簡單的材料與構(gòu)造在當(dāng)時也受到推廣，第一次世界大戰(zhàn)中使用的飛機(jī)僅在這種程度上加強(qiáng)了飛機(jī)的外形與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計合理性。在木布結(jié)構(gòu)的時代，飛機(jī)仍舊可以用于載人飛行，其主要的材料未產(chǎn)生較大的變化，而是通過改變飛機(jī)的氣動外形以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的方式讓飛機(jī)的性能更為優(yōu)越一點，即能夠在第一次世界大戰(zhàn)中使用。

（二）半金屬結(jié)構(gòu)時代

由于木材的強(qiáng)度不高，在不斷的試驗與研究后，科學(xué)家們設(shè)計出了提高飛機(jī)性能的半硬殼式機(jī)身，同時在機(jī)翼的設(shè)計上也有所改善，使得機(jī)翼具有一定的翼型空間，這種設(shè)計產(chǎn)生于上世界20年代，在這個時期，人們對飛機(jī)材料的使用提出了新要求。在發(fā)動機(jī)與整流罩等部位加入了更多金屬元素，以金屬零件代替原有零件類型。將飛機(jī)的局部受力處，如發(fā)動機(jī)架的材料和飛機(jī)外部中的整流罩等部位采用了金屬零件，實現(xiàn)對飛機(jī)的翼形空間的設(shè)計和新材料的運用。但該時期對于翼面與機(jī)身仍舊是使用布料覆蓋，只是布料由亞麻布換成了布質(zhì)蒙皮。這個時期的飛機(jī)被稱為半金屬結(jié)構(gòu)飛機(jī)，直到1906年，德國科學(xué)家發(fā)明了杜拉鋁，杜拉鋁的存在使得后續(xù)在飛機(jī)制造中得以將半金屬替換為全金屬。

緊接著杜拉鋁金屬材料的出現(xiàn)后，該階段的飛機(jī)材料使用設(shè)計雖然實現(xiàn)了部分木條的替代以及采用了全金屬材料制造的形式。但是總體來說，飛機(jī)材料的半金屬結(jié)構(gòu)仍舊存在，許多飛機(jī)在制造過程中只是使用強(qiáng)度更高的硬鋁合金代替飛機(jī)的部分木條，類似代替骨架與翼肋部分。也有一些飛機(jī)在制造過程中用硬鋁合金代替具有較大承力作用的布質(zhì)機(jī)翼蒙皮。在這個階段中，使用硬鋁合金的成本較高，所以對于一些非承力部分，依舊采用成本較低的木布結(jié)構(gòu)。鋼材的成本較硬鋁合金低，因此也有一些制造者選擇使用鋼材進(jìn)行飛機(jī)制造材料的替換。實際上，在半金屬結(jié)構(gòu)時代，對于每一個飛機(jī)設(shè)計師而言，降低飛機(jī)重量是最重要的事情，但鋼的比重大于鋁，所以即使具有一定成本優(yōu)勢，鋼的使用也不會在設(shè)計制造中受到很大重視。在半金屬材料時代，由于新的金屬材料在成本以及金屬自身的性能等因素的影響下，在全金屬材料的情況下，無法保證飛機(jī)的動力，這是其采用半金屬材料的最根本的原因。

（三）金屬材料時代

在1925年以后，木材在飛機(jī)中的使用率逐漸被減小，越來越多國家使用鋼管代替木材成為機(jī)身骨架的主要材料，布質(zhì)蒙皮也被替換為了鋁板，這個時期已經(jīng)能夠制造出全金屬結(jié)構(gòu)的飛機(jī)了。由于全金屬結(jié)構(gòu)的飛機(jī)在整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、氣動外形與飛機(jī)性能上都得到了有效的提高，因此過去木材結(jié)構(gòu)與半金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計逐漸被舍棄。到上世紀(jì)40年代，利用全金屬材料制造的飛機(jī)在時速上已經(jīng)可以達(dá)到并超過600公里，速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于木材結(jié)構(gòu)與半金屬結(jié)構(gòu)制造的飛機(jī)?？梢哉f，金屬材料時代中，金屬的質(zhì)量以及性能都能夠滿足飛機(jī)材料應(yīng)用的各方面的需求情況。如保證飛行的所遭受的空氣阻力，能夠保證飛機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等等，但是在這個金屬材料時代，將設(shè)計做到最完美是每一位飛機(jī)制造者的追求，作為當(dāng)時航空業(yè)較先進(jìn)的代表國家，德國與美國在上世紀(jì)30年代后不斷嘗試將飛機(jī)機(jī)翼蒙皮替換成薄鋁板的材料，這類薄鋁板在形狀上被壓成細(xì)波紋狀，這種形狀能夠加大其縱向強(qiáng)度。當(dāng)時世界上許多客機(jī)都采用這種外部材料進(jìn)行試驗，并獲得成功，直到目前飛機(jī)材料設(shè)計中仍然在使用硬鋁作為主要材料。

飛機(jī)材料廣泛應(yīng)用金屬材料的時期，正好也是許多國家不斷爆發(fā)戰(zhàn)爭的時期，飛機(jī)作為航空武器在制造上耗費大量金屬材料，許多國家的有色金屬紛紛告急，在這個階段有些國家有重新做起了“木頭飛機(jī)”，并且由于技術(shù)手段的先進(jìn)，木頭飛機(jī)的性能較原本的有所提高，不僅堅固性得到增加，并且在作戰(zhàn)過程中作為轟炸機(jī)時也取得了較好的作戰(zhàn)效果。

進(jìn)入上世紀(jì)50年代以后，人類踏出了超音速時代，對于飛機(jī)的要求更高，在飛機(jī)材料的使用上更加注重耐高溫指標(biāo)，這個階段中，高強(qiáng)度耐熱的材料的使用成為飛機(jī)制造的關(guān)鍵。為了滿足這種要求，科學(xué)家們設(shè)計出了既堅固又耐熱的鈦合金和不銹鋼。但由于鈦合金加工難，比重大，在當(dāng)時只能用于一些特殊部位，類似內(nèi)部骨架與起落架支柱等部位。

（四）復(fù)合材料時代

在上世紀(jì)70年代，新一代的航空材料應(yīng)運而生，復(fù)合材料作為新一代航空材料，具有強(qiáng)度高、剛度高、質(zhì)量輕的特點，并且能夠耐高溫、減震。它的出現(xiàn)使得飛機(jī)的重量有效的得到減輕，并且強(qiáng)度也在不斷提高，其在當(dāng)時產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益與軍事效益是十分巨大的。復(fù)合材料指用高性能玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、金屬和陶瓷材料等相組成的固體材料。另外在飛機(jī)材料的運用中復(fù)合材料并非是整架飛機(jī)的制作設(shè)計，而是在后續(xù)中，不斷根據(jù)飛機(jī)結(jié)構(gòu)或是其他的性能的需求，展開飛機(jī)發(fā)動機(jī)材料以及非結(jié)構(gòu)材料的優(yōu)化發(fā)展。如在后續(xù)的研究中，復(fù)合材料逐漸成為研究重點，在碳纖維復(fù)合材料出現(xiàn)后，飛機(jī)的強(qiáng)度、耐熱性、抗沖擊能力在原有基礎(chǔ)上又上升很多個等級，越來越多的飛機(jī)開始使用新型復(fù)合材料進(jìn)行制造。在21世紀(jì)的前10年，高性能復(fù)合材料飛機(jī)應(yīng)用的兩個劃時代意義的里程碑當(dāng)數(shù)A380飛機(jī)和"夢幻飛機(jī)"波音787飛機(jī)，它們都使飛機(jī)的性能達(dá)到一個新高度。以飛機(jī)的機(jī)翼為例，其主要采用的是蜂窩型的復(fù)合材料，質(zhì)量較輕且抗壓性較高，而飛機(jī)在高空飛行過程中，所承受壓空氣阻力能夠很好的被機(jī)翼所采用的復(fù)合材料所化解掉；而隨著飛機(jī)的高度的上升，在高空飛行過程中，機(jī)身增壓座艙承受的內(nèi)壓力較大，因而采用的是硬鋁作蒙皮材料，從而提高機(jī)身的荷載力和耐疲勞性；而對于飛機(jī)的機(jī)載雷達(dá)而言，其主要是放置在機(jī)身頭部的位置，其需要能夠?qū)ν饨邮针姶挪ǎ蚨豢梢圆捎镁哂凶璧K電磁波的復(fù)合材料，而是采用玻璃纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料，如有機(jī)玻璃，保證續(xù)航的安全性?？梢哉f，在復(fù)合材料時代下，隨著相關(guān)工藝的發(fā)展，各種復(fù)合材料應(yīng)運而生，其能夠不斷的滿足飛機(jī)的各個部位的不同材料運用的實際需求情況，保證飛機(jī)的安全性和穩(wěn)定性。

進(jìn)入21世紀(jì)以后，復(fù)合材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于飛機(jī)制造業(yè)中，特別是碳纖維復(fù)合材料的使用，受到許多國家的青睞，甚至將其在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中所使用的比例作為衡量一個國家飛機(jī)制造技術(shù)的指標(biāo)。目前飛機(jī)材料已經(jīng)成為我國國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)規(guī)劃中的新材料產(chǎn)業(yè)的組成部分，由此可知，在未來飛機(jī)材料將會呈現(xiàn)出精益求精的發(fā)展趨勢，而各種性能更高的新興材料將會根據(jù)不同機(jī)型的飛機(jī)需求而產(chǎn)生。

三、結(jié)語

飛機(jī)材料的變遷可以總結(jié)為木布結(jié)構(gòu)時代-半金屬結(jié)構(gòu)時代-金屬結(jié)構(gòu)時代-復(fù)合材料時代，在這四個時代中，隨著航空材料的使用不斷變化，航空技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展的不斷加快。可以說，材料科學(xué)的進(jìn)步對于飛機(jī)性能的提高起著重要作用，其不僅影響著航空新產(chǎn)品的設(shè)計與制造，還對航空事業(yè)的發(fā)展起著重要的推動作用。

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（作者簡介：賴沅祺，山東省淄博市第七中學(xué)，高中在讀。）