飞机“皮肤”大揭秘(下)

闫楚良

上期杂志中，我们带大家认识了比一元硬币还要薄的飞机“皮肤”——蒙皮。其制造材料经历了从帆布到铝合金，再到钛合金或复合材料的发展历程，本期就让我们一起认识助力飞机减重的复合材料吧！

能取长补短的复合材料

降低重量是现在飞行器设计的重要目标之一，也是飞行器原材料的首选标准。早在上个世纪，复合材料就因质量轻等特质走进飞机设计师的视野，成为制造飞机蒙皮、骨架的首选。

复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，组成的具有新性能的材料。得益于不同材料在性能上的取长补短，复合材料比合金或单一材质的材料性能更好。

20世纪六七十年代，美国和欧洲开始了以碳纤维为代表的复合材料的研究，目的是验证复合材料应用到飞机后，能否实现大幅减重和降低成本的预期目标。后来事实证明，复合材料确实做到了以上两点，并成为实现飞行器寿命长、可靠性高、研制成本低的重要技术途径。

延伸阅读  

      复合材料为什么质量轻？

复合材料通常由基体和增强体构成。基体材料分为金属和非金属两大类，增强材料主要有碳纤维、石棉纤维、玻璃纤维等。

因为在选材时就以减重为目的，非金属基体和增强体通常都选择密度较低的树脂、纤维材料等，所以复合材料从源头就比金属、合金等材料轻得多。

      什么是碳纤维？

碳纤维是一种丝状碳素材料，含碳量在90%以上，强度比钢铁高但密度比铝小，具有轻质、高强度、高弹性模量、耐高低温、耐腐蚀、耐疲劳等优异特性。

其重要用途之一是作为增强材料与基体复合制造先进的复合材料。因有密度小的特点，所以碳纤维相比其他材料，在相同体积下会有相对较小的质量，这对飞机减重来说是一大优势。

大火的明星材料

自20世纪70年代被大量开发并应用于航空航天领域以来，复合材料极大地促进了飞行器的轻量化、高性能化和结构功能一体化，成为除铝之外最重要的航空航天材料。

最初，复合材料是为满足军用飞机的高机动性、超音速巡航和隐身等要求开发的。近年来，由于民用飞机结构轻量化的要求，它在民机领域的应用也呈增长趋势，成为新一代大飞机安全性、舒适性和环保性的重要指标。

军机领域，中国自从在歼- 8Ⅱ歼击机机身中首次使用碳纤维复合材料以来，新一代隐形战斗机歼-20的复合材料用量超20%，直-10和直-20直升机的复合材料用量也都在30%以上。

民机领域，中国自主研制的大型客机C919，除机翼、机身等主承力部段使用了铝合金等成熟材料，尾翼、后机身和襟缝翼上均使用了复合材料，用量达12.5%。

研发飞机时，如何在提升材料品质的同时为飞机减重，是提升飞机速度、降低研发成本的重要途径，也是工程师们面临的巨大考验。未来，人类也许会研制出比复合材料更优异的航空材料，这个重任等待着更多年轻人去完成。

延伸阅读

       飞机“结实”的3大指标

飞机要在天空高速飞行，首先得保证“结实”。简单来说，飞机的“结实”就是它对飞机载荷的承载能力。这个承载能力包含3个指标，即满足一定的强度（抵抗破坏的能力）、刚度（抵抗变形的能力）和稳定性（保持其原有平衡形态的能力）要求。大到机身、机翼，小到机翼中的蒙皮等构件，甚至一颗不起眼的螺丝钉，都要符合这3项指标。

飞机诞生后，为检验飞机的设计和制造能否满足“结实”的要求和保障飞行安全，人们对飞机采取了各种的强度、刚度验证方法，并制定了相关规范与试验标准等。这些规范和标准后来成为飞机设计、生产、试验和试飞鉴定必须遵循的重要依据。

飞机在空中改变飞行状态或受到不稳定气流影响时，其升力会发生很大变化，这需要机翼除了有非常好的结构强度来承受巨大载荷外，还要有足够的刚度保證自身不会过分变形