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一代材料,一代飞机(上) 来源:科研处 作者: 科研处

从世界上第一架飞机“飞行者一号”到如今的歼20战斗机和C919客机,不难发现,飞机的外型、构造和材料都发生了翻天覆地的变化。“一代材料,一代飞机”,是这一百多年世界航空发展史的真实写照,也是对飞机与航空材料相互依存、相互促进紧密关系的真实写照。

 

材料是实现先进飞机高性能、轻量化、高可靠、长寿命、低成本等的重要技术保障,而且飞机具有用途多、使用环境多样、服役环境苛刻等特点,这些都对先进飞机使用的材料与制造技术提出很高要求。基于飞机材料的重要性,世界航空强国对飞机材料的发展都予以高度重视。

 

目前,飞机主要使用什么材料,使用材料发生了什么样的变化,这些你都了解吗?


       第一段1903-1919年木,布结构



“飞行者一号”是人类历史上第一架能够自由飞行,并且完全可以操纵的动力飞机,使用材料以木材为主,木材占比达47%,其次是钢(占35%)和布(占18%)。从上图不难看出,”飞行者一号“采用木材、木三夹板来做飞机骨架和大梁,采用亚麻布做机翼翼面,这就是所谓的飞机木布结构。


       木质飞机质量轻,加工简易,成本低廉。早期的飞机发动机功率小、飞行速度低,因而机翼翼面承受的载荷也小,木质材料的强度即可满足需求。但是木质材料的缺点也很明显:强度小、刚度低、易燃、易腐蚀、吸湿性强。
 

 
       “飞行者一号“采用的木材为北美云杉木,在世界上所有的树种中,具有最高的强度重量比,以及良好的弹性变形能力和减震性能,能够承受突加载荷,因此常用于制造飞机和船舶的船桅杆、吊杆、横杆和结构龙骨等。
 

 
       在木杆与层板之间,通常用螺栓相拼接。机翼则蒙上涂抹过清漆的亚麻布,其间以缝纫方式与翼肋构架相连接,而清漆可以保证翼面的坚挺度、应有的几何形状和强度。这样的材料结构一直沿用到第一次世界大战结束,只是飞机的气动外形和内部结构更趋合理和完善。

 
       发动机采用铝铸缸体,这是世界史上第一次使用铝铸件代替传统汽油机的铁铸体,使得发动机整体重量大幅减轻,能够胜任航空发动机的角色。

       第二段
1920-1949年铝,钢结构


       由于木材结构脆弱、安全性差,经过不断的试验与研究,科学家们设计出了提高飞机性能的半硬壳式机身和具备翼型空间的机翼,也对飞机材料提出了新的要求。在局部受力处,比如发动机架和整流罩等部位更多采用了金属零件,但翼面、舵面和后机身部位仍使用布料,只是布料由亚麻布换成了布质蒙皮。这个时期的飞机被称为半金属结构飞机。
 
       随后,自1914年第一次世界大战爆发,随着飞机在军事上的运用日益广泛,航空制造技术得到了快速发展,对飞机的速度、机动性以及载荷要求的提高,使得木质材料渐渐无法满足要求,质轻高强的铝合金逐渐得到应用。

       1906年,德国冶金学家Alfred Wilm发明了可以时效强化的硬铝,又称杜拉铝,使后来制造全金属结构的飞机成为可能。

       杜拉铝是铝、铜、镁、锰等合金,又称硬铝,属于可热处理强化铝合金。经过热处理、时效处理的杜拉铝明显变“硬”了,其强度提高了7倍,具有较高的力学性能,适于制造飞机的构件,如蒙皮、壁板、桁条、翼肋等。

       但由于使用铝合金的成本较高,飞机上的非承力部件依然采用低成本的木布结构。


       JunkersF.13是世界上第一架全金属客机,其飞机框架、横梁、翼肋,全采用金属,外面则用铝质波纹板金属蒙皮材质来制作整个飞机机体,其波纹顺着气流方向,既能减少空气流阻力,又能克服金属的热胀冷缩问题,加大了结构强度,改善了气动外形,提高了飞机性能。

       由于全金属结构飞机在整体结构强度、气动外形与飞机性能上都得到了有效提高,因此过去木材结构与半金属结构的设计逐渐被舍弃。到上世纪40年代,利用全金属材料制造的飞机在时速上已经可以达到并超过600公里,速度远远快于木材及半金属结构制造的飞机。

       容克Ju52(Junkers Ju52)是二战德军最著名的运输机。机身同样使用波纹铝蒙皮,以减小阻力并承担一部分结构载荷。
 
       由于钢材的成本较硬铝合金低,苏联等国也曾尝试使用钢材来制造飞机或小客机,但钢的比重大于铝,使飞机的结构重量增加,因此钢的使用影响飞机的飞行性能或使用性能。飞机上关键承力构件如机翼主梁、起落架、承力螺栓等一般采用高强度、超高强度钢。
       上世纪四十年代初期,不少国家由于战争原因,有色金属特别是航空用铝库存量告急,许多国家又开始尝试使用“木头飞机”以解决金属飞机存量不足的问题。其中以英国皇家空军的蚊式战斗轰炸机最富盛名。

       蚊式战斗机采用木质胶合结构,机身为两层杉木夹板中间夹轻质巴尔沙木构成的硬壳结构,巴尔沙木质轻,易加工,不变形,使木质结构重量进一步减少。



 文章来源:航空知识