地效飛行器在波浪中起降的過程位于氣水交界面上，受到高航速和波浪的雙重作用，這就對地效飛機的材料選擇提出了較高的要求，既要具有良好的抗沖擊性、抗海水腐蝕性以及足夠的強度、剛度、抗疲勞性能，又要盡量減輕結構重量。鋁合金材料作為飛機設計的傳統材料，在強度、剛度、抗沖擊性方面性能優異，但是其抗海水腐蝕性能差，而地效飛機的服役環境以海洋為主，海水的腐蝕極大增加了飛機的維護成本，降低了結構壽命。先進的復合材料由于比強度比剛度高、可設計性強、抗疲勞斷裂性能好、耐腐蝕、結構尺寸穩定性好等一系列優點，其在飛機上的應用量已成為當今衡量飛機先進性的重要指標。地效飛機應用復合材料不僅可解決飛機的海水腐蝕問題，同時由于復合材料可剪裁設計和便于大面積整體成型的獨特優點，可減輕結構重量，減少機械連接及整機的裝配任務量，在一定程度上降低了工裝成本。

    國外復合材料應用現狀

    當今世界上存在著一種飛機結構復合材料化的趨勢，飛機設計要求為減重每1克重量而奮斗，比重僅為1.6g/cm3的先進復合材料，能夠給飛機結構帶來20%~30%的減重，這是其他手段無法企及的。此外復合材料還具有可設計性強、疲勞性能好、耐腐蝕、便于整體成型等一系列的優點。國外飛機結構設計中復合材料應用技術已十分成熟。

    大型客機方面，以波音公司的B787為例，其復合材料用量占結構重量的50%以上，包括機翼、機身、垂尾、平尾、發房、地板梁及部分艙門、整流罩等。在設計過程中采用了多項復合材料關鍵技術，包括新材料體系的研發、先進的結構形式、低成本的制造工藝等，使飛機結構重量大大減輕，運行成本也大幅下降，座公里數比其他同類飛機低10%，燃油消耗比其他同類飛機低20％，檢修時間由500小時提高到1000小時，檢修率相對降低30％。

    軍機方面， 復合材料在軍機上的應用范圍遠高于民機。以F-22為例，其復合材料的總用量占結構重量的25%，以雙馬樹脂為主的熱固性復合材料占24%，熱塑性復合材料占1%。在制造過程中采用RTM技術制造的復合材料件達400件，占復合材料結構重量的25%，采用該技術后比原設計節省開支達2.5億美元。美國F-35的垂尾采用整體成型技術，制成了單件最大、最復雜的RTM成形航空結構件，制件長3.65m，重約90kg，減少緊固件1000多個，降低成本60% 。

    地效飛機方面，由韓國設計的20座級的地效飛機，其機翼、水平尾翼、操縱面均采用復合材料，為梁-蒙皮-泡沫夾層結構，材料選用碳纖維增強環氧樹脂復合材料，泡沫為聚氨酯泡沫。機翼的重量僅為371.4kg，比目標重量輕了11.6kg。水平尾翼的重量為150kg，比目標重量輕了30kg。

    復合材料在軍機及民機上應用的成熟技術，對于地效飛機同樣適用，這些型號的經驗積累為復合材料應用于地效飛機打下了堅實的基礎。

    國內復合材料應用現狀

    我國飛機結構上對復合材料的應用追隨著國際上先進國家的腳步，發展的歷程基本相同。軍民用飛機的各類舵面上選擇復合材料結構已經很普遍。國內最早在殲8飛機的垂尾上應用復合材料，在苛刻的飛行條件下飛行使用近20年，地面檢查無任何問題。在運7系列支線飛機的腹鰭、方向舵等次結構上應用了先進復合材料。到了90年代中期設計、研制成功了運7復合材料垂尾，并取得了適航證。中國自行研制的殲8Ⅱ帶整體油箱的復合材料機翼自1995 年裝機飛行12 年來亦毫無問題，至今仍在服役。殲10作為三代戰機的代表，垂尾及內外側副翼等都采用復合材料。復合材料的大量使用以及采用先進的機動外形和高性能發動機，使我國戰機作戰能力有了極大的提升。ARJ21在客艙地板、貨艙天花板、側壁板、前后短板以及方向舵都采用了復合材料設計，其復合材料用量占結構重量的2%。目前，復合材料的適航驗證工作即將完成。運12F的升降舵、方向舵、副翼、翼尖、翼身整流罩等部件都采用了復合材料設計，操縱面的調整片也都選用碳纖維面板和全高度蜂窩夾層結構設計，目前運行狀態良好。

    地效飛機應用復合材料好處

    地效飛機服役環境以海洋為主，復合材料的應用會帶來鋁合金材料無法比擬的優異性能，主要表現在以下幾個方面：

    減重效益　復合材料為各向異性材料，單層性能具有明顯的方向性，因此復合材料層合板剛度和強度性能可“剪裁”，即通過調整每個單層的鋪設角、鋪層比、鋪層順序來獲得所需的強度和剛度性能，恰似量體裁衣，這種特殊的剪裁性能使復合材料相對于鋁合金材料明顯的減輕結構重量，提高飛機有效載荷。研究表明，飛機結構應用復合材料相對于鋁合金材料可減重20%~30%。

    提高抗腐蝕能力　復合材料具有優異的抗腐蝕性能，比強度、比剛度大，在地效飛機上應用復合材料可有效避免腐蝕問題。

    降低工裝成本　傳統的鋁合金結構往往采用分離式制造方法，多個零件單獨加工后再通過緊固件裝配成組件，期間還有可能會用到大量的連接角材，既浪費了重量又增加了裝配成本。以長桁加筋壁板為例，若采用復合材料制造，基本蒙皮和長桁可通過共固化或共膠接的形式做成整體壁板，整個過程不會用到一個緊固件，既降低了重量又節約了成本。

    此外，復合材料還可以通過鋪層設計和組件化整體設計實現在一個結構內包括不同材料、性能差異的分組件，甚至包括金屬、陶瓷件等，減少了零件數量，簡化了裝配程序，降低了工裝成本。

    地效飛機復合材料關鍵技術

    海洋環境濕熱影響　在濕熱環境下，樹脂基體會吸收水分，導致復合材料構件力學和物理性能下降。地效飛機服役環境以海洋為主，考慮海面濕氣及海水對復合材料浸泡侵蝕的影響，應用于地效飛機的復合材料在材料選擇階段，要考慮最高使用溫度和長時間高溫下材料飽和吸濕，在設計驗證階段，要著重驗證濕/熱條件下復合材料的壓縮性能。

    提高材料的抗沖擊性　地效飛機在水面起降的過程中，海浪對飛機結構有很強的沖擊力，要求材料具有良好的抗沖擊性。目前國內外就提高復合材料抗沖擊性做了大量研究，主要包括以下幾點：

    增韌樹脂基體　樹脂基復合材料抗低速沖擊能力在很大程度上取決于樹脂的韌性。習慣上，以復合材料沖擊后壓縮強度CAI值劃分樹脂基體的韌性等級。沖擊能量67J/cm沖擊后，CAI值大于195MPa為韌性樹脂基體。

    提高纖維模量　為滿足新一代高性能飛機的減重要求，航空工業對碳纖維提出了韌性要求，即將纖維拉伸強度和拉伸模量提高30%~40%，使纖維斷裂伸長率提高20%，并要求與韌性樹脂基體組合提高抗損傷能力。

    三維增強體　通過編、縫、織等在厚度方向引入纖維的3D復合材料可有效抑制復合材料的損傷增長，已廣泛地用于提高復合材料抗層間斷裂能力和沖擊損傷容限。

    先進的樹脂和纖維在大型飛機主承力結構上的應用說明改進的復合材料的抗沖擊性可以與金屬材料媲美，地效飛機上應用先進復合材料能夠滿足海浪沖擊的要求。

    縱觀目前復合材料以及復合材料的成型技術發展狀況，實現復合材料在地效飛機上的應用必須從以下幾條入手：

    材料體系設計　在材料選擇時，主要在濕熱環境和沖擊環境下綜合考慮樹脂、纖維、樹脂和纖維的界面三個方面的性能。樹脂主要考慮最高使用溫度、飽和吸濕量及樹脂的韌性。纖維主要考慮纖維的強度、模量及抗腐蝕能力。同時，要著重考慮纖維和界面的粘附能力。

    抗沖擊的復合材料結構設計技術　復合材料結構用于地效飛機可以帶來抗腐蝕、結構強度高、剛度大和重量輕的好處。同時也引入了復合材料的一個缺點，就是抗面外沖擊能力弱的特點。通過研究不同的結構形式、增強纖維的種類、樹脂的類型、鋪層方式、纖維含量及鋪層數量相關內容，提高復合材料結構的抗沖擊性。

    數字化設計技術　通過數字樣機可以實現全機各零部件的優化設計，設計階段即可以對制造過程仿真，精確分析復合材料零部件公差，合理分配，確保一次制造出合格的制件。