飞机小百科：民用飞机材料的前世与今生

　　在今年6月的巴黎航展上，波音公司一架即将交付越南航空的波音787-9飞机如战斗机一般大角度腾空跃起，令人印象深刻。事实上，这个机动动作对于民用飞机来说并无必要，但航展上的表演无疑展现了这款飞机优异的总体性能，这与它所采用的先进材料密切相关。

　　“一代飞机，一代材料”.自20世纪50年代初喷气客机问世以来，大约每隔10年就会出现一批具有不同技术特点的大型民机，这其中，材料的更新换代是主要技术特征之一。波音787飞机作为新型大型民用飞机的代表，复合材料和钛合金的用量均创历史新高。飞机表面可以看得见的部件，基本上都采用复合材料，用量占结构重量的比重达到了50%.而钛合金用量达到15%,创下大型民机钛合金应用比例的历史新高。复合材料和钛合金等新型材料的大量应用，使得波音787结构效率进一步提高，性能更加提升。

图：波音787-9飞机

　　作为航空制造业三大关键技术之一，航空材料的发展对航空技术起到强有力的支撑和保障作用；反过来，航空技术的发展需求又极大地促进和引领航空材料的发展。

　　种类繁多的金属材料

　　1903年，美国莱特兄弟发明了世界上第一架飞机，所使用的材料主要是木材和帆布。那时，因为简陋的机体结构很不可靠，普通人不敢冒险从事飞行，飞机设计师就是试飞员。1911年，铝合金研制成功，很快便取代了木材和帆布成为最主要的航空材料，并推动高性能全金属结构飞机“跨越式”发展。到第一次世界大战期间，全金属结构的飞机已很普遍了。

　　航空铝合金具有较高的比强度、比刚度，容易加工成型，有足够的使用经验，从而成为现代飞机的理想结构材料。这一在飞机上应用已有百余年历史的传统金属材料，在当前航空材料的使用中仍占据优势地位。

　　1949年美国DC-7运输机的发动机舱和隔热板上，第一次采用了钛合金。钛合金密度约为结构钢的60%,而强度接近结构钢，具有高比强和比刚的优点，且耐腐蚀性好，可以与复合材料直接连接而不易产生电化学腐蚀，具有优良的综合性能。正因为如此，钛合金在航空领域得到越来越广泛的应用。

　　20世纪60年代研制的波音747飞机钛合金用量约占结构重量的4%,其主起落架梁钛合金锻件，重约1290千克。而有空中巨无霸之称的空客A380飞机钛合金用量已达10%,波音787飞机更是达到15%.

图：波音747飞机

　　20世纪60年代美国开发的300M超高强度钢，抗拉强度达1860MPa,其抗疲劳性能、断裂韧性和裂纹扩展速率能够满足飞机起落架设计的各项指标，具有在承受极高载荷条件下保持高寿命和高可靠性的性能，从而成为起落架的首选材料。波音777的主起落架是迄今为止民用飞机使用过的最大起落架，它的主支柱采用的就是300M钢整体锻件。

　　此外，还有一类金属材料在21世纪重新被人们应用在飞机制造中，即镁合金。早在1934年德国就开始将镁合金应用到飞机机翼蒙皮上。作为最轻的金属结构材料，镁合金具有密度小、比强高、可承受较大冲击载荷的特点。但由于镁合金易燃和不耐热的缺点，其在航空领域的应用逐渐下降。不过在21世纪，新型镁合金再一次进入人们的视野，逐渐开始在民用飞机隔框、座椅、油箱等部位得到应用。埃塞克斯飞机公司制造的镁合金油箱，与铝合金油箱相比，每升容积可减重约0.15千克，整架飞机最大减重可达454千克。

　　逐渐成熟的复合材料

　　航空非金属材料主要包括碳纤维环氧树脂复合材料和蜂窝夹层复合材料等。当今最先进的空客A380、波音787和空客A350 XWB飞机，有别于以往同类飞机的一个重要标志就是机体结构大量采用复合材料。

　　复合材料在民用飞机结构上的应用大致可以分为四个阶段：第一阶段是受力很小的前缘、口盖、整流罩、扰流板等构件；第二阶段是升降舵、方向舵、襟副翼等受力较小的部件；第三阶段是垂尾、平尾等受力较大的部件；第四阶段即机翼、机身等主要受力部件。

图：空客A380飞机

　　不可否认的是，民用飞机的机体结构已经出现了复合材料化的趋势，复合材料的大量应用已成为衡量新一代民机先进性的重要标志，也是争夺新一轮国际民机市场份额的关键因素之一。

　　未来是什么样子的

　　下一代的民用飞机将会是什么样？目前波音与空客公司似乎已经给出了答案：X-48B翼身融合体飞机和空客的透明飞机。而翼身融合体飞机的非圆形增压舱新颖结构和透明壳体将对未来航空材料技术带来新的挑战。

　　为此，在飞机设计时，更加需要综合金属材料和复合材料的优势，扬长避短，物尽其用，这样才能最大地发挥材料的性能，真正实现飞机结构的安全、高效，达到减少重量、降低制造和运营成本的目的。