文/肖元一代材料，一代飛機(jī)從世界上第一架飛機(jī)“飛行者一號”到如今的殲20戰(zhàn)斗機(jī)和C919客機(jī)，不難發(fā)現(xiàn)，飛機(jī)的外型、構(gòu)造和材料都發(fā)生了翻天覆地的變化。“一代材料，一代飛機(jī)”，是這一百多年世界航空發(fā)展史的真實(shí)寫照，也是對飛機(jī)與航空材料相互依存、相互促進(jìn)緊密關(guān)系的真實(shí)寫照。 材料是實(shí)現(xiàn)先進(jìn)飛機(jī)高性能、輕量化、高可靠、長壽命、低成本等的重要技術(shù)保障，而且飛機(jī)具有用途多、使用環(huán)境多樣、服役環(huán)境苛刻等特點(diǎn)，這些都對先進(jìn)飛機(jī)使用的材料與制造技術(shù)提出很高要求。基于飛機(jī)材料的重要性，世界航空強(qiáng)國對飛機(jī)材料的發(fā)展都予以高度重視。 目前，飛機(jī)主要使用什么材料，使用材料發(fā)生了什么樣的變化，這些你都了解嗎？ 第 1 階段 1903-1919年 木，布結(jié)構(gòu)
“飛行者一號“（圖源：搜狐網(wǎng)） “飛行者一號”是人類歷史上第一架能夠自由飛行，并且完全可以操縱的動力飛機(jī)，使用材料以木材為主，木材占比達(dá)47%，其次是鋼(占35%)和布(占18%)。從上圖不難看出，”飛行者一號“采用木材、木三夾板來做飛機(jī)骨架和大梁，采用亞麻布做機(jī)翼翼面，這就是所謂的飛機(jī)木布結(jié)構(gòu)。
木質(zhì)飛機(jī)質(zhì)量輕，加工簡易，成本低廉。早期的飛機(jī)發(fā)動機(jī)功率小、飛行速度低，因而機(jī)翼翼面承受的載荷也小，木質(zhì)材料的強(qiáng)度即可滿足需求。但是木質(zhì)材料的缺點(diǎn)也很明顯：強(qiáng)度小、剛度低、易燃、易腐蝕、吸濕性強(qiáng)。 “飛行者一號“采用的木材為北美云杉木，在世界上所有的樹種中，具有最高的強(qiáng)度重量比，以及良好的彈性變形能力和減震性能，能夠承受突加載荷，因此常用于制造飛機(jī)和船舶的船桅桿、吊桿、橫桿和結(jié)構(gòu)龍骨等。
“飛行者一號“三視圖（圖源：網(wǎng)絡(luò)） 在木桿與層板之間，通常用螺栓相拼接。機(jī)翼則蒙上涂抹過清漆的亞麻布，其間以縫紉方式與翼肋構(gòu)架相連接，而清漆可以保證翼面的堅挺度、應(yīng)有的幾何形狀和強(qiáng)度。這樣的材料結(jié)構(gòu)一直沿用到第一次世界大戰(zhàn)結(jié)束，只是飛機(jī)的氣動外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)更趨合理和完善。
“飛行者一號“發(fā)動機(jī)（圖源：網(wǎng)絡(luò)） 發(fā)動機(jī)采用鋁鑄缸體，這是世界史上第一次使用鋁鑄件代替?zhèn)鹘y(tǒng)汽油機(jī)的鐵鑄體，使得發(fā)動機(jī)整體重量大幅減輕，能夠勝任航空發(fā)動機(jī)的角色。 還沒完！ 休息5秒鐘 《航空知識》2021全年訂閱開啟！ 《航空知識》2021年度訂閱 火爆預(yù)售中！
訂購鏈接附評論 第 2 階段 1920-1949年 鋁，鋼結(jié)構(gòu) 由于木材結(jié)構(gòu)脆弱、安全性差，經(jīng)過不斷的試驗與研究，科學(xué)家們設(shè)計出了提高飛機(jī)性能的半硬殼式機(jī)身和具備翼型空間的機(jī)翼，也對飛機(jī)材料提出了新的要求。在局部受力處，比如發(fā)動機(jī)架和整流罩等部位更多采用了金屬零件，但翼面、舵面和后機(jī)身部位仍使用布料，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)。 隨后，自1914年第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)，隨著飛機(jī)在軍事上的運(yùn)用日益廣泛，航空制造技術(shù)得到了快速發(fā)展，對飛機(jī)的速度、機(jī)動性以及載荷要求的提高，使得木質(zhì)材料漸漸無法滿足要求，質(zhì)輕高強(qiáng)的鋁合金逐漸得到應(yīng)用。
1906年，德國冶金學(xué)家Alfred Wilm發(fā)明了可以時效強(qiáng)化的硬鋁，又稱杜拉鋁，使后來制造全金屬結(jié)構(gòu)的飛機(jī)成為可能。 杜拉鋁是鋁、銅、鎂、錳等合金，又稱硬鋁，屬于可熱處理強(qiáng)化鋁合金。經(jīng)過熱處理、時效處理的杜拉鋁明顯變“硬”了，其強(qiáng)度提高了7倍，具有較高的力學(xué)性能，適于制造飛機(jī)的構(gòu)件，如蒙皮、壁板、桁條、翼肋等。 但由于使用鋁合金的成本較高，飛機(jī)上的非承力部件依然采用低成本的木布結(jié)構(gòu)。
JunkersF.13(圖源：網(wǎng)絡(luò)） JunkersF.13是世界上第一架全金屬客機(jī)，其飛機(jī)框架、橫梁、翼肋，全采用金屬，外面則用鋁質(zhì)波紋板金屬蒙皮材質(zhì)來制作整個飛機(jī)機(jī)體，其波紋順著氣流方向，既能減少空氣流阻力，又能克服金屬的熱脹冷縮問題，加大了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，改善了氣動外形，提高了飛機(jī)性能。 由于全金屬結(jié)構(gòu)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)快于木材及半金屬結(jié)構(gòu)制造的飛機(jī)。
Junkers Ju52運(yùn)輸機(jī)（圖源：搜狐網(wǎng)） 容克Ju52（Junkers Ju52）是二戰(zhàn)德軍最著名的運(yùn)輸機(jī)。機(jī)身同樣使用波紋鋁蒙皮，以減小阻力并承擔(dān)一部分結(jié)構(gòu)載荷。 由于鋼材的成本較硬鋁合金低，蘇聯(lián)等國也曾嘗試使用鋼材來制造飛機(jī)或小客機(jī)，但鋼的比重大于鋁，使飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量增加，因此鋼的使用影響飛機(jī)的飛行性能或使用性能。飛機(jī)上關(guān)鍵承力構(gòu)件如機(jī)翼主梁、起落架、承力螺栓等一般采用高強(qiáng)度、超高強(qiáng)度鋼。 小 插 曲
蚊式戰(zhàn)斗機(jī)（圖源：搜狐網(wǎng)） 上世紀(jì)四十年代初期，不少國家由于戰(zhàn)爭原因，有色金屬特別是航空用鋁庫存量告急，許多國家又開始嘗試使用“木頭飛機(jī)”以解決金屬飛機(jī)存量不足的問題。其中以英國皇家空軍的蚊式戰(zhàn)斗轟炸機(jī)最富盛名。 蚊式戰(zhàn)斗機(jī)采用木質(zhì)膠合結(jié)構(gòu)，機(jī)身為兩層杉木夾板中間夾輕質(zhì)巴爾沙木構(gòu)成的硬殼結(jié)構(gòu)，巴爾沙木質(zhì)輕，易加工，不變形，使木質(zhì)結(jié)構(gòu)重量進(jìn)一步減少。 今天的科普就到這了，接下來飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料將以什么材料為主呢？各位不妨猜猜看~
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