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从木头到复合材料飞机制造材料大变革

来源:鸡西建材网 时间:2022年04月29日

从木头到复合材料 飞机制造材料大变革

何为飞机资料

飞机资料的范围较广,分为机体资料(包含布局资料和非布局资料)、发动机资料和涂料。而此中最首要的是机体布局资料和发动机资料。普通来讲,非布局资料包含:透明资料,舱内举措措施和装潢资料,液压、空调等零碎用的附件和管道资料,天线罩和电磁资料,轮胎资料等。非布局资料用量少,但种类很是多,包含玻璃、塑料、纺织品、橡胶、铝合金、镁合金、铜合金和不锈钢等。

布局资料应具有尽能够高的比强度和比刚度,以减轻飞机的布局分量。布局分量的减轻,可以进步飞翔机能,进步经济效益或作战效能。同时,布局资料还应具有杰出的可加工性,便于制成所需的零件,而这又触及工艺成绩。

木布局飞机在上世纪30年代之前,一向很风行。就连波音公司的初创人威廉·波音,本来也是西雅图市的一个木料商。据维基百科引见,莱特兄弟研制的第一架有动力的飞机——“飞翔者1号”——利用的首要资料就是云杉木。在其利用的材猜中,木料占47%,钢占35%,布占18%。其螺旋桨也是木制的,并且整架飞机都没有设计坐位。

在航空制形生长的百余年汗青中,飞机资料的更新换代闪现出高速更迭与变换的状况。纵不雅人类航空生长史,资料和飞机一向是在相互鞭策下不竭得以生长和改进的。

木布布局的期间

上世纪初,天下上第一架载人飞机上天。发现者莱特兄弟利用的资料以木料为主,占比达47%,其次是钢(占35%)和布(占18%)。当然,这架飞机的飞翔时度只要16千米。初期的飞机只带着英勇的摸索者飞离空中。那时,设计师就是驾驶员。因为粗陋的机体布局很不成靠,浅显人不敢冒险从事飞翔。

初期飞机用木条、木三夹板做大年夜梁和骨架,用亚麻布做机翼的翼面,这就是所谓的飞机木布布局。而在木杆与层板之间,凡是常利用螺栓相拼接。机翼则蒙上涂抹过清漆的亚麻布,其间以缝纫体例与翼肋构架相连接,而清漆可以包管翼面的坚硬度、应有的几何外形和强度。如许的资料布局一向沿用到第一次天下大年夜战结束,只是飞机的气动外形和外部布局更趋公道和完美。

自上世纪20年代起,人们设计出半硬壳式机身和具有翼型空间的机翼,飞机机能大年夜幅进步,对飞机资料也提出了新的要求。在部分受力处,比如发动机架和整流罩等部位更多采取了金属零件,但翼面、舵面和后机身仍部分采取布质蒙皮,这就是所谓的飞机半金属布局。

金属资料鼓起

1906年,德国冶金学家发现了可以时效强化的硬铝,又称杜拉铝,使厥后制造全金属布局的飞机成为能够。上世纪20年代,有极个别飞机开端试用强度更高的硬铝合金,硬铝合金替代了本来制作飞机骨架和翼肋的木条,也少量替代了承力较大年夜的布质机翼蒙皮。但那时飞机上的非承力部件,仍然采取低本钱的木布布局。

那时,苏联等国也曾有设计师测验测验用“取之不尽”的钢材来制造飞机,乃至是小客机。钢的比严重年夜于铝,所以对“为节俭每克布局分量而妥协”的飞机设计师而言,这必定不是个好主张。重金属不属于航空器,它的利用将严重减弱飞机的飞翔机能或利用效能。终究,奇特的“钢铁飞机”被丢弃也是料想当中的任务。

1925年今后,很多国度逐步用钢管代替木料做机身骨架,用铝板做蒙皮,制造出全金属布局飞机。全金属布局飞机加大年夜了布局强度,改良了气动外形,进步了飞机机能。到上世纪40年代,全金属布局飞机的时速已超越600千米。

但是,将硬铝板材做到极端的也大年夜有人在。作为那时的航空进步前辈国,德国和美国在上世纪30年代前期都测验测验利用一种被压成细波纹状的薄铝板做飞机概略的蒙皮。如许的外形可以额外加大年夜其纵向强度。天下上第一架“为客机而设计的客机”容克F13和其他一系列容克、福克、福特品牌的客机或运输机都乐成采取过这类外部资料。需求特别指出的是,直到目前,硬铝仍然是全球飞机的首要用材。

到上世纪40年代初期,很多国度因为战争启事,有色金属特别是航空用铝库存量垂危,一些工厂又做起“木头飞机”的复古梦。作为最乐成的例子,英国皇家空军的“蚊”式战争轰炸机是那时最负盛名的机型。“木头飞机”大年夜量利用胶水黏合布局件,不但坚毅耐用,作战效能也不错。

进入上世纪50年代今后,人类跨入了超音速期间。飞机资料特别重视耐高温目标,人类开端寻责备新的高强度耐热资料。因而,呈现了航空公用的既坚毅又耐热的钛合金和不锈钢。此中,钛合金的研制乐成和利用对处理机翼蒙皮的热障成绩起了严重年夜感化。但需求指出的是,它们特别不轻易加工,同时因为比严重年夜,凡是只用在特别部位、外部骨架和起落架支柱等部位。作为特例,这些特别钢材也曾大年夜范围利用在极个别的特种飞机上。比如,上世纪60年代呈现了能在3万米空中停止3倍音速飞翔的全钛布局间谍飞机SR-71。

复合资料应运而生

跟着资料迷信的进步,自上世纪70年代起,新一代航空资料——复合资料——应运而生。它相当于一种掺进加强纤维的“塑料”,比如将玻璃丝纤维掺杂在环氧树脂内。复合资料具有比强度高、刚度高、质量轻的特点,并具有抗颓废、减振、耐高温、可设计等一系列长处。它可使飞机在保持原强度的前提下减轻分量,或在一样的分量下,强度更高。复合资料所创作发现的经济效益和军事效益可想而知。最极端的一例是,在上世纪80年代呈现了天下上第一架“全塑料”飞机AVTEK400。

自玻璃纤维与无机树脂复合的第一代复合资料“玻璃钢”问世以来,陶瓷纤维和硼纤维加强的复合资料接踵研制乐成,机能不竭获得改进,使复合资料范畴闪现出一派朝气。但是,在大年夜多数场合,复合资料仍然没法完全替代传统的铝系金属资料,大年夜多还是只用在非首要承力部件上,如舵面蒙皮、设备口盖、小飞机的机身和机翼蒙皮等。

别的,飞机的机载雷达普通采取玻璃纤维加强塑料做成头锥,将它罩住以便能透过电磁波。驾驶舱的座舱盖和风挡玻璃则采取丙烯酸酯透明塑料(无机玻璃),而飞机主起落架必须采取打击韧性好的超高强度布局钢。

跟着航白手艺的进步,新一代复合资料问世,此中的佼佼者就是碳纤维复合资料。它的特点有:高强度(是钢铁的5倍),超卓的耐热性(可以耐受2000摄氏度以上的高温),超卓的抗热打击性,低热收缩系数,热容量小(节能),比重小(是钢的1/5),优良的抗腐蚀与辐射机能。上世纪70年代今后,有愈来愈多的飞机采取以硼纤维或碳纤维加强的新型复合资料。铝、钛、钢和复合资料,已成为现代飞机的根基布局资料。

进入21世纪,进步前辈飞机已愈来愈喜爱碳纤维复合资料,乃至将其在飞机布局总重中所占的比例作为衡量一个国度飞机制造手艺的硬目标,并向用于机翼乃至前机身等主承力部件的标的目标生长。

航白手艺的进步与生长,对航空资料的生长起着努力的鞭策感化。与此同时,资料迷信与工程生长、新型资料的呈现、制造工艺与理化测试手艺的进步,又为航空新产品的设计与制造供应了首要的物质与手艺根本,从而对航空财产的生长起着有效的鞭策感化。

从资料学的角度看,波音787飞机是制造业汗青上一次革命性的超越。波音787飞机在机身和首要布局上大年夜面积利用了复合资料,不但减轻了飞机分量,还减轻了航空公司的维修承担。波音公司的数据显示,复合资料占到波音787飞机布局分量的50%(体积的80%),铝占20%,钛占15%,钢占10%,其他资料占5%。

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