淺談飛機材料的百年變遷

摘要：隨著科學技術與航空制造業的不斷發展，飛機在制造過程中也經歷著材料的變遷，由于材料的不同，對飛機的性能、功能等產生的影響是不同的。“一代材料，一代飛機”是世界航空制造業發展的真實寫照。本文從飛機材料入手，探討百年來飛機材料的變遷與飛機性能的突破。

關鍵詞：飛機材料 飛機制造 百年變遷

在當代，隨著飛機制造工藝的發展，當前的飛機制作材料這一概念范圍較廣，主要是飛機不同位置的材料性質不同。如機體材料、發動機材料和非結構材料組成。而在最終飛機這一概念的出現時，飛機材料的概念較為單一，往往采用單一的材料來制造飛機外形、飛機的動力結構。在百年間飛機材料的演變歷經了好幾個時代，飛機材料對于飛機的外形發展、速度以及安全性等各個方面都具有重要的影響作用。因而展開對飛機材料的分類以及其百年來的材料變遷所帶來的其他方面的變化，對飛機發展史較為淺顯的介紹。

一、飛機材料的分類

飛機材料在應用上分為三類材料，一是機體材料，二是發動機材料，三是飛機涂料。在這之中最，機體材料又分為結構材料與非結構材料。結構材料是具有較高比強度與比剛度的飛機主要結構部分的材料，結構材料改進的目的是不斷減輕飛機的結構重量，提高飛機飛行性能，同時降低運營成本。并且結構材料的可加工性強，能夠加工制作成飛機所需的其他重要零部件，應用范圍較廣；非結構材料在飛機材料中運用的比例較小，材料用量也較小，但應用范圍廣，涉及的品種很多，包括鋁合金、鎂合金、不銹鋼、橡膠、玻璃、紡織品等，可以形成輪胎用材料、裝飾用材料、電磁材料等。

二、飛機材料的百年變遷史

（一）木布結構時代

世界上第一架載人飛機發明于上世紀初，其發明者為萊特兄弟。當時的飛機使用的材料主要還是以木材為主，木材占據飛機整體用料的47%。木材的限制使得第一架飛機的飛行時速很低，并且安全性較差，很少有人愿意接觸飛行。當時的飛機主要是木布結構組成，機翼的翼面是用亞麻布做成的，飛機的基本骨架都是由木頭做成的，在木板間用螺栓作為拼接工具，保持結構穩定。機翼上的亞麻布為了能夠保持一定的形狀與強度，通常用清漆進行涂抹，這種簡單的材料與構造在當時也受到推廣，第一次世界大戰中使用的飛機僅在這種程度上加強了飛機的外形與內部結構的設計合理性。在木布結構的時代，飛機仍舊可以用于載人飛行，其主要的材料未產生較大的變化，而是通過改變飛機的氣動外形以及內部結構的方式讓飛機的性能更為優越一點，即能夠在第一次世界大戰中使用。

（二）半金屬結構時代

由于木材的強度不高，在不斷的試驗與研究后，科學家們設計出了提高飛機性能的半硬殼式機身，同時在機翼的設計上也有所改善，使得機翼具有一定的翼型空間，這種設計產生于上世界20年代，在這個時期，人們對飛機材料的使用提出了新要求。在發動機與整流罩等部位加入了更多金屬元素，以金屬零件代替原有零件類型。將飛機的局部受力處，如發動機架的材料和飛機外部中的整流罩等部位采用了金屬零件，實現對飛機的翼形空間的設計和新材料的運用。但該時期對于翼面與機身仍舊是使用布料覆蓋，只是布料由亞麻布換成了布質蒙皮。這個時期的飛機被稱為半金屬結構飛機，直到1906年，德國科學家發明了杜拉鋁，杜拉鋁的存在使得后續在飛機制造中得以將半金屬替換為全金屬。

緊接著杜拉鋁金屬材料的出現后，該階段的飛機材料使用設計雖然實現了部分木條的替代以及采用了全金屬材料制造的形式。但是總體來說，飛機材料的半金屬結構仍舊存在，許多飛機在制造過程中只是使用強度更高的硬鋁合金代替飛機的部分木條，類似代替骨架與翼肋部分。也有一些飛機在制造過程中用硬鋁合金代替具有較大承力作用的布質機翼蒙皮。在這個階段中，使用硬鋁合金的成本較高，所以對于一些非承力部分，依舊采用成本較低的木布結構。鋼材的成本較硬鋁合金低，因此也有一些制造者選擇使用鋼材進行飛機制造材料的替換。實際上，在半金屬結構時代，對于每一個飛機設計師而言，降低飛機重量是最重要的事情，但鋼的比重大于鋁，所以即使具有一定成本優勢，鋼的使用也不會在設計制造中受到很大重視。在半金屬材料時代，由于新的金屬材料在成本以及金屬自身的性能等因素的影響下，在全金屬材料的情況下，無法保證飛機的動力，這是其采用半金屬材料的最根本的原因。

（三）金屬材料時代

在1925年以后，木材在飛機中的使用率逐漸被減小，越來越多國家使用鋼管代替木材成為機身骨架的主要材料，布質蒙皮也被替換為了鋁板，這個時期已經能夠制造出全金屬結構的飛機了。由于全金屬結構的飛機在整體結構強度、氣動外形與飛機性能上都得到了有效的提高，因此過去木材結構與半金屬結構的設計逐漸被舍棄。到上世紀40年代，利用全金屬材料制造的飛機在時速上已經可以達到并超過600公里，速度遠遠快于木材結構與半金屬結構制造的飛機。可以說，金屬材料時代中，金屬的質量以及性能都能夠滿足飛機材料應用的各方面的需求情況。如保證飛行的所遭受的空氣阻力，能夠保證飛機的結構強度等等，但是在這個金屬材料時代，將設計做到最完美是每一位飛機制造者的追求，作為當時航空業較先進的代表國家，德國與美國在上世紀30年代后不斷嘗試將飛機機翼蒙皮替換成薄鋁板的材料，這類薄鋁板在形狀上被壓成細波紋狀，這種形狀能夠加大其縱向強度。當時世界上許多客機都采用這種外部材料進行試驗，并獲得成功，直到目前飛機材料設計中仍然在使用硬鋁作為主要材料。

飛機材料廣泛應用金屬材料的時期，正好也是許多國家不斷爆發戰爭的時期，飛機作為航空武器在制造上耗費大量金屬材料，許多國家的有色金屬紛紛告急，在這個階段有些國家有重新做起了“木頭飛機”，并且由于技術手段的先進，木頭飛機的性能較原本的有所提高，不僅堅固性得到增加，并且在作戰過程中作為轟炸機時也取得了較好的作戰效果。

進入上世紀50年代以后，人類踏出了超音速時代，對于飛機的要求更高，在飛機材料的使用上更加注重耐高溫指標，這個階段中，高強度耐熱的材料的使用成為飛機制造的關鍵。為了滿足這種要求，科學家們設計出了既堅固又耐熱的鈦合金和不銹鋼。但由于鈦合金加工難，比重大，在當時只能用于一些特殊部位，類似內部骨架與起落架支柱等部位。

（四）復合材料時代

在上世紀70年代，新一代的航空材料應運而生，復合材料作為新一代航空材料，具有強度高、剛度高、質量輕的特點，并且能夠耐高溫、減震。它的出現使得飛機的重量有效的得到減輕，并且強度也在不斷提高，其在當時產生的經濟效益與軍事效益是十分巨大的。復合材料指用高性能玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、金屬和陶瓷材料等相組成的固體材料。另外在飛機材料的運用中復合材料并非是整架飛機的制作設計，而是在后續中，不斷根據飛機結構或是其他的性能的需求，展開飛機發動機材料以及非結構材料的優化發展。如在后續的研究中，復合材料逐漸成為研究重點，在碳纖維復合材料出現后，飛機的強度、耐熱性、抗沖擊能力在原有基礎上又上升很多個等級，越來越多的飛機開始使用新型復合材料進行制造。在21世紀的前10年，高性能復合材料飛機應用的兩個劃時代意義的里程碑當數A380飛機和"夢幻飛機"波音787飛機，它們都使飛機的性能達到一個新高度。以飛機的機翼為例，其主要采用的是蜂窩型的復合材料，質量較輕且抗壓性較高，而飛機在高空飛行過程中，所承受壓空氣阻力能夠很好的被機翼所采用的復合材料所化解掉；而隨著飛機的高度的上升，在高空飛行過程中，機身增壓座艙承受的內壓力較大，因而采用的是硬鋁作蒙皮材料，從而提高機身的荷載力和耐疲勞性；而對于飛機的機載雷達而言，其主要是放置在機身頭部的位置，其需要能夠對外接收電磁波，因而不可以采用具有阻礙電磁波的復合材料，而是采用玻璃纖維增強塑料復合材料，如有機玻璃，保證續航的安全性。可以說，在復合材料時代下，隨著相關工藝的發展，各種復合材料應運而生，其能夠不斷的滿足飛機的各個部位的不同材料運用的實際需求情況，保證飛機的安全性和穩定性。

進入21世紀以后，復合材料已經廣泛應用于飛機制造業中，特別是碳纖維復合材料的使用，受到許多國家的青睞，甚至將其在飛機結構中所使用的比例作為衡量一個國家飛機制造技術的指標。目前飛機材料已經成為我國國家戰略性新興產業規劃中的新材料產業的組成部分，由此可知，在未來飛機材料將會呈現出精益求精的發展趨勢，而各種性能更高的新興材料將會根據不同機型的飛機需求而產生。

三、結語

飛機材料的變遷可以總結為木布結構時代-半金屬結構時代-金屬結構時代-復合材料時代，在這四個時代中，隨著航空材料的使用不斷變化，航空技術的進步與發展的不斷加快。可以說，材料科學的進步對于飛機性能的提高起著重要作用，其不僅影響著航空新產品的設計與制造，還對航空事業的發展起著重要的推動作用。

參考文獻：

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（作者簡介：賴沅祺，山東省淄博市第七中學，高中在讀。）