飛機是用什么材料制成的？（上）

希弦

一百多年前飛機初上藍天之時，還屬于手工作坊的產物，而那一批航空先驅們，既是飛機的設計者，也多是飛機的制造者和試飛者。在這些“航空匠人”的手中，歷經一次次修修改改、一次次起起落落，飛機也從最初的蹣跚起飛、貼地飛行幾十米，到“像鳥兒一樣飛翔”，飛得更遠、更高、更快。

不論是從自行車鋪起家的萊特兄弟（圖中即為他們的“飛行者一號”與試飛場地邊的工坊），還是全美摩托車賽冠軍的格倫·寇蒂斯（Glenn·Curtiss），他們的動手能力都很強，都有自己的作坊，設計制造出的飛機也都是他們自己來“以身犯險”試飛

人類在對飛行的最初認識中，不論是從觀察鳥類飛翔的仿生學角度，還是從當時稍顯粗糙的吹風洞、空氣動力學理論，就“飛機要造得輕”這一點早已達成共識。而用來造飛機的材料之所以選擇了木材，一方面是因為木材作為天然材料，一直以來是人類文明史中無可替代的存在;另一方面在于木材選得好的話，就能把飛機造得又輕又有一定強度，同時還有易于加工的優點。

并不是所有木頭都能用來造飛機

以今日視角來看，用天然的木材來造飛機已成為過去一百多年來航空史上一個延續至今的傳統。從航空先驅們的手工作坊時代，到一戰初露崢嶸的軍用飛機，再到二戰“蚊”式輕型轟炸機所代表的“木制的傳奇”，這種延續使戰后的“木飛機”成為了一種航空復古風尚，在廣大飛行愛好者中占據著獨特的地位，或是購買套件組裝，或是按照圖紙自己來施工建造。

說到“木飛機”，在今天的我們的籠統印象里是木材、帆布和鋼絲（金屬件）的組合，但細觀之，在“木材”這一塊上又是極為講究和嚴苛的。航空級木材必須具備多方面優點，比如木紋平直，無節痕，強度大、質量輕，心材邊材勻稱，不吸水，易膠合等，所以只有限定的幾個樹種能被選用建造飛機。

一百年前的這般場景，今天的我們很難將其與一座飛機制造工廠聯系到一起

以萊特兄弟完成“第一飛”的“飛行者”來看，用材最多的是北美云杉。機身、兩翼間撐桿和其它結構部件的所用木材都是這種直紋、無結，且木材的每英寸寬度都大于14 年輪的北美云杉;飛機上的一些拉桿、升降舵、控制臂等對強度有著一定要求的部件，則由白蠟木制成;機上的一些滑輪則是就地取材，以黃楊木做的旱冰鞋鞋輪來代之。另外，“飛行者”上還用蠟麻線來捆綁固定飛機框架，還有鋼棒、鋼帶和控制線纜等為數不多的金屬件。

時至今日，云杉依舊是公認的建造飛機的天然理想材料之一，它有著絕佳的強度/ 重量比。雖然在美國聯邦航空管理局（FAA）的官方通告中也推薦了西部鐵杉，它的強度比北美云杉要高14%，可以部分取代“老牌”的云杉，只是它比云杉重。如今不論是云杉還是鐵杉，尋找、砍伐這些特定品類的木材越來越困難。本世紀以來航空級木材的價格不斷飛漲，這成為近年來“極客”飛機愛好者再造“木飛機”時遇到的大難題，有的只能退而求其次選擇“膠合板”了。

造一副木質螺旋槳有多不容易？

翻看近一個世紀前的我國近代航空工業史料，當時對造飛機的木材選擇有因地制宜的綜合考量，并記錄下了這些國產木材可堪一用：云杉，飛機結構材;核桃木，螺旋槳材;樺樹，層板及螺旋槳材;槭樹、丁木，層板材;泡桐，飛機填充及整形材。另外，不論是從文獻記載還是史實情況來看，我國還有用竹子做飛機材料的創舉，如用竹子做了上萬個飛機的外掛副油箱，文獻記錄的這種強度大且合用的竹子是慈竹和楠竹。

對于一些飛行愛好者來說，買現成的套件來組裝飛機就顯得不夠“極客”了，所以今天我們還能看到圖中這般的——退休工程師在自家車庫里按照圖紙全程自己動手制造。既然是“極客”了，那么造飛機的木料必然是“高端”的云杉了，只是云杉的價格早已金貴，畢竟它也是造吉他等樂器的好材料

左圖，1963年新中國航空工業的第一批木質螺旋槳裝上了初教-6（當時名為“紅專502”），但木質螺旋槳的短板注定了金屬槳葉是發展趨勢。右圖，1964年新中國的第一副金屬槳葉，“奮發”530金屬螺旋槳

“云杉鵝”作為最大的木制飛機，計劃能夠運載約68噸（15萬磅）貨物或750名全副武裝的士兵或2輛30噸的M4“謝爾曼”坦克。支撐起這般雄心的是它巨大的體量（憑借97.82米的翼展，其占據翼展最大的飛機榜首達70余年），從機頂人員與“云杉鵝”的對比即可管窺一斑。而置身建造中的“云杉鵝”的機體內，一個個巨大的樺木膠合板機身框，一圈圈讓人眩暈

新中國成立后的航空工業也曾經歷過苦苦尋找可用航空級木材的過程。雖然這時的木材，已經不是用來造飛機的主要材料了，但其一個重要的應用是螺旋槳飛機的槳葉和直升機的旋翼槳葉，如初教-6教練機的螺旋槳和直-5直升機的旋翼槳葉。從史料上來看，當時的航空工業部門與林業部門通力合作，從全國大江南北的近百個樹種中篩選出了黑龍江產的魚鱗松和四川產的云杉來做槳葉的木材。

后來的生產證明，從原木加工出成材，再到最終加工制造出一副槳葉，云杉的出材率要明顯優于魚鱗松，但即便如此，每年我國還是要為造槳葉砍伐掉幾萬立方米的珍貴木材。因為取材自深山老林，原材料供應運輸困難、價格昂貴，生產的工藝復雜，周期又長，出產的第一副初教-6 的木質槳葉出廠價格為3.8 萬元，木材成本就占到了1.8 萬元。這般困境直到我國的金屬槳葉技術突破后才得以全面解決。

二戰中的膠合板飛機

二戰中的1942年，美國戰爭部急需將物資和人員運到英國，但盟軍的大西洋海上運輸線屢遭德國納粹“水下狼群”的襲擊，損失慘重。正是在這樣的需求背景下催生了霍華德·休斯（Howard Hughes）H-4“云杉鵝”，這架人類有史以來建造的最大的水上飛機。

雖以“云杉鵝”命名，它的制造用的卻是樺木膠合板，而非云杉，選擇木材來造則是出于節省戰略物資（比如金屬鋁）的考慮。

用在飛機上的“膠合板”，自然也與我們日常家具中常見的膠合板有很大不同。在“云杉鵝”上所用的樺木膠合板，制造工藝叫“杜拉莫德”（Duramold），是將樺木用酚醛樹脂浸漬后，在模具中加熱到138℃并在高壓下，層壓在一起。同樣出于省下戰略金屬物資的考慮，二戰時期空降作戰中大量使用的滑翔機也多以膠合板來建造。二戰中用膠合板打造的名機還有英國人的德·哈維蘭DH98“蚊”式轟炸機。該機上的膠合板是用樺木與厄瓜多爾輕木制成的“三明治”式，還少量使用了冷杉和云杉等木材。另外，二戰蘇軍中多達33500多架的波-2多用途雙翼機，在制造中也大量采用了松木等木材。

二戰時期，蘇軍裝備的波-2同樣是架“木飛機”。裝備了波-2的第588 夜間轟炸機團，是支全員女性的作戰單位，是德軍眼中的“女夜巫”。二戰期間，該團飛行了2.3萬架次，向德軍投下了3000噸炸彈和26000枚燃燒彈，有23名飛行員榮獲“蘇聯英雄”稱號

雖然“蚊”式輕型轟炸機的產量超過了7700架，但最終能在博物館中安享晚年、乃至還能重返藍天的“蚊”式已屬寥寥，這多半與其木質、膠合板的機體結構有一定關系。近些年來一些航空愛好者俱樂部、博物館等機構都有重建“蚊”式的項目

從海外的一些航材商店來看，最常用的航空級膠合板所選用的木材通常是楊木、椴木、桃花心木和樺木等，對于所銷售的膠合板，都標明符合MIL-P-6070規定的規格等級。這項上世紀60年代美國空軍制定的“軍標”明確了航空級膠合板的各項性能規格、質量標準等，其中的一個關注點是膠合板的“不開膠”，如先將膠合板在沸水中浸泡三小時再進行剪切試驗，以檢查膠層的粘合質量是否符合規格。

一些螺旋槳的生產也有使用不同尺寸的板材用膠水來拼合的，而后再切銑，打磨成型

從膠合板在軍用飛機上的應用來看，“不開膠”的確是一個重要的性能。二戰時期“蚊”式轟炸機在印度部署時就曾有過幾次“機翼結構失效”事件，雖然事后的調查結果認為，是由于季風雨季造成機身收縮引發的，但也有觀點認為是機身膠合板上所使用的酪蛋白基膠水在高溫、悶熱潮濕環境下發生了變質。同樣，在炎熱沙漠、過于干燥的環境下，也會在一定程度上造成膠合板的膠接處開裂等情況。

木材的天然問題與防水防腐措施

木材是自然界最原始的材料。如果能將木材保存在最小的濕度和避開陽光的良好環境下，木材的壽命可以和其它材料一樣長久有效。木材較于金屬，看似不會氧化生銹或腐蝕，但作為有機物，它也是大自然食物鏈的一部分，如果不能將木材的水分含量保持在理想的范圍內，它同樣會“腐爛”，真菌或細菌這類微生物會在木材上生長并侵入木材組織，分解破壞木材。比如由褐腐真菌、軟腐真菌、白腐真菌等木腐真菌所引發的木材“干腐病”，在我們日常生活（如實木家具、公園中的枯樹）中就能看到。

所以，用來建造飛機的木材，從砍伐下原木鋸成適當尺寸的木料后，就要進行充分風干或烘干以調理木材的水分含量（在10%至17%之間）。同時，這些木材部件還都要刷上清漆，以在一定程度上隔絕水分，防止微生物的侵蝕，而有些漆面還有意使用有毒的來殺菌。不僅如此，在裝備使用階段，對大量使用了木材和織物的飛機的維護保養同樣要多加用心。

造飛機要請裁縫

航空先驅喬治·凱利（George Cayley）和奧托·李林塔爾（Otto Lilienthal）早在他們的載人滑翔機的設計中就使用了棉布來做蒙皮，覆蓋在結構框架上。在萊特兄弟的“飛行者”號、前期飛行測試中的各型滑翔機上都使用了名為“西方驕傲”的棉布（平紋細布，當時用于女性的內衣面料）來做飛行器的蒙皮。除了棉質的，當時飛機機翼、方向舵和機身上的蒙皮所用織物通常還有絲綢和亞麻布，甚至還有用紙來做蒙皮的。

美國國家檔案館的影片《1917～1918年軍用飛機制造》完整地介紹了建造一架飛機的全流程，其中包括了木材的加工環節：深山老林中的采伐原木、運輸，初步分切木料，木料的質量檢測，將木料送進干燥爐中進行為期10天的干燥處理

一戰時飛機的機體結構普遍是木質框架加金屬拉線（上圖），雙翼機的上下兩翼間也是既有木質的撐桿又有金屬拉線（下圖），目的都是用來固定強化結構。上圖中的女工在給木質框架刷防護漆

既然蒙皮是織物，所以萊特兄弟在1909年正式開廠、開始批量生產飛機時就聘用了多名全職裁縫來縫制蒙皮。當時也已使用粘合劑來將織物蒙皮直接粘貼在機身框架、翼肋上，不過飛行較快的機型、弧度較小的機體區域還是需要縫制，以確保織物蒙皮緊貼在飛機結構上，特別是在受到螺旋槳氣流沖洗的區域，針腳還要更密一些。這樣的縫制蒙皮工序也一直延續到了一戰時期。

“蚊”式堪稱木質飛機的發展頂峰。采用木材制造飛機，讓英國境內的一些家居廠、大量的木匠加入了戰機的生產。上兩圖中的“蚊”式機體部件生產車間也的確有幾分像木匠工坊。左下圖中可見機體在生產時分成了左右兩部分，兩邊的機載設備安裝同步進行，從而提高了生產效率。右下圖中“蚊”式的木質機體外還覆上了一層平紋棉織物蒙皮，并涂有多層涂料

萊特家族捐贈給美國國家航空航天博物館的“飛行者”號的機翼蒙皮。這塊不一般的“棉布”在下半面的內側有11 個翼肋口袋（蒙皮與翼肋的固定處），圖中還能看到蒙皮邊緣細密的針腳

為了節省工時、提高生產效率，一些飛機的大型織物蒙皮也有簡化成通過孔眼來與機身結構捆綁或直接釘到一起的工藝，省去了人工的一針針縫制環節，額外的一個好處是戰場上飛機蒙皮受損后更換相對便捷了些。在今天美國聯邦航空管理局FAA的官方文檔中，就織物蒙皮的粘合劑這一項的推薦是間苯二酚膠，稱之是經過認證的最長久、最可靠的粘合劑。

從萊特兄弟的工廠開始（左上），到一戰時期歐美各國的飛機工廠中，都少不了縫制飛機蒙皮的女工身影

作為飛機蒙皮，僅僅是棉麻綢類的織物還是不夠的。為了保證蒙皮的緊密性、韌性、堅挺度，更耐用、更防水、抗撕裂與“不兜風”（降低空氣阻力）等，蒙皮表面還會覆蓋橡膠或塑料，或者是用會硬化的涂料來刷在織物表面，以增強蒙皮的總體結構強度，再精細的還會刷上包含鋁粉的涂料以保護蒙皮織物免受紫外線的傷害。

一戰時飛機制造工廠內給飛機蒙皮的刷漆涂裝過程，一般是先給翼肋處刷膠，貼上強化布條，再給整個翼面刷上涂料，之后是涂上機徽

為戰機涂上了機徽，也就基本宣告飛機蒙皮這一工序環節的完成。而戰機上的機徽，有時候又會成為戰場上另一方的勛章

不過，一戰的空戰情況已經顯示，這些木質機身結構+ 織物蒙皮（包括使用的硝化纖維素涂料）的雙翼飛機實屬“易燃物”，也由此在當時形成的一種戰場文化便是，看著敵機被擊落后，地面士兵們趕在飛機燃燒焚毀前，將涂在敵機織物蒙皮上的機徽完好切下來，以作為戰利品。

在飛行年代的開端，出于可用、重量輕和制造經驗等多方面因素的考慮，大多數的早期飛機都設計成了木質機體和織物蒙皮的“木布結構”。到了1915 年，就在萊特兄弟完成了人類歷史上首次航空器受控且持續的載人動力飛行后僅12 年 ，“全金屬飛機能飛起來嗎？”一時成為航空界討論的熱門話題，并有人用再一個“首次”給出了明確答案。（未完待續）