在過去一個多世紀的時間里，飛機材料經(jīng)歷了從木材、鋼鐵、鋁材、鈦到碳纖維復合材料的進化。機體在強度、重量、耐腐蝕性等方面都發(fā)生了巨大的改變。

    “金屬飛機能上天嗎？”1915年，萊特兄弟第一次完成動力飛行12年后，航空專家們開始討論這個熱門話題。

    當時，人們只能用木材、鋼線和帆布來制造飛機，這樣才能讓飛機足夠輕。完全用金屬制造飛機的想法看起來在技術上和成本上仍然不可行。

    但有很多人持不同看法。德國航空先驅(qū)雨果·榮克斯（Hugo Junkers）認為航空的未來不僅在于空戰(zhàn)和飛行競賽，還在于能夠運輸貨物和乘客的大型運輸機，這就需要對飛機制造方式進行重大改變。他設計并制造了世界上第一種全金屬飛機——J 1，該機同時也成為世界上第一種單翼機。因為采用鋼材制造，J 1被昵稱為“錫驢”或“鈑金驢”。 

    J 1作為一架技術驗證機從未進入批量生產(chǎn)，但榮克斯大膽的想象使航空工業(yè)從此走上一條材料進化之路，使飛機更強、更輕、更快、更高效。

    20世紀20-30年代：向金屬過渡

    榮克斯發(fā)現(xiàn)鋼制的J 1堅韌耐用，但因過重而難以操縱。于是他把注意力轉(zhuǎn)向了鋁，這種金屬在20世紀初普遍應用于制造領域。鋁的重量輕、強度高，比重僅是鋼材的三分之一，成為制造飛機的理想選擇。

    他采用鋁合金制造出世界上首批民用客機，代表作有F 13和G 24。亨利·福特（Henry Ford）注意到了榮克斯的成就，于是大量借鑒了他的制造技術（由于借鑒程度過大，以至于榮克斯起訴了福特），在1925年推出福特三發(fā)機。這些飛機迎來了長途客運航空時代，但直到20世紀30年代初，人們才能以較低的成本制造全金屬飛機。

  
    資料圖：鋁合金制造的首批民用客機G 24。

    其中最重要的機型是1935年出現(xiàn)的道格拉斯DC-3。這型飛機速度快、可靠性高、易于維護、乘坐舒適，至今仍有數(shù)百架在服役，證明了全金屬飛機有多耐用。

    戰(zhàn)后：新金屬材料的出現(xiàn)

    隨著高速噴氣飛機如火如荼地發(fā)展，航空航天工程師開始尋找比鋼材和鋁材更優(yōu)秀的金屬材料。由于鈦的強度-密度比以及具有耐腐蝕、耐疲勞、耐高溫的特點，使其成為一種具有吸引力的材料。但鈦是稀缺金屬，非常昂貴。

    在20世紀50年代后期，航空工業(yè)開始在發(fā)動機和暴露于高溫的機身部位安裝鈦合金小零件，如尾噴管整流罩和機翼前緣。但有限的鈦儲量和高昂的生產(chǎn)成本限制了人們對這種金屬的進一步應用。

    20世紀70-80年代：碳纖維的騰飛

    飛機上使用的第一種輕質(zhì)復合材料是玻璃纖維增強塑料，簡稱“玻纖”。

    這種材料最早在20世紀40年代被用于制造整流罩、機鼻和駕駛艙。后來在60-70年代被用于制造直升機的旋翼葉片，如Bo 105和BK 117，以及“小羚羊”SA 340。

    1975年，AS350“松鼠”直升機安裝了使用玻璃纖維復合材料制造的主旋翼頭，這種高度一體化的設計大大降低了零件數(shù)量。但玻纖的低剛度導致其只能被有限應用在運輸機的承載主結(jié)構(gòu)中。

    
    資料圖：AS350松鼠直升機安裝了使用玻璃纖維復合材料制造的主旋翼頭。

    最后，碳纖維增強塑料成為一種真正革命性的航空材料，不僅強度重量比高于金屬，而且不易疲勞和腐蝕。

    空客通過給A310換裝碳纖維垂尾證明自己是業(yè)內(nèi)碳纖維材料應用先驅(qū)之一，減重幅度超過250公斤，這是碳纖維復合材料在噴氣式客機上的開創(chuàng)性應用。

    20世紀90年代-今天：復合材料的廣泛應用

    此后，碳纖維復合材料變得越來越普遍，而且隨著制造技術的進步，人們能夠制造出更大和更復雜的部件。

    由于直升機的發(fā)動機必須能產(chǎn)生提升起機體全部重量的升力，所以復材在直升機領域的利用率非常高：空客“虎”式直升機的機身結(jié)構(gòu)有80%使用復合材料制造，在2007年推出的NH90上，復材占比更是達到90%。

    虎式直升機有80%的機體由復合材料制造。

    在固定翼飛機方面，空客A380有近四分之一的結(jié)構(gòu)由復合材料制造。

    空客在2013年推出的A400M軍用運輸機有著巨大的碳纖維機翼，為后續(xù)的A350客機奠定了基礎。

    但金屬仍未過時，空客A350仍安裝了鋼制和鈦制零件，并且有近20%的結(jié)構(gòu)采用鋁鋰合金制造。這種先進合金摻入了世界上最輕的金屬——鋰以降低鋁合金的重量，同時提高其強度、韌性、耐腐蝕性和成型特性。

 
    A350客機的復材占比超過50%，耗油率降低了25%。

    未來技術：4D打印和“數(shù)字材料”的研究

    制造更快、更輕和燃油效率更高的飛機的愿望驅(qū)動著航空工業(yè)不斷研究和開發(fā)下一代材料。在2015年下半年，空客宣布了一種新型仿生學結(jié)構(gòu)客艙隔板（Bionic Partition），比現(xiàn)有設計輕45%。這種結(jié)構(gòu)是用一種被稱為scalmalloy的新型超強、輕質(zhì)合金材料使用直接金屬激光燒結(jié)成型技術3D打印而成的。

    雖然如今在空客的飛機上3D打印的金屬零部件已不鮮見，但是這還是首次將金屬3D打印部件用于飛機機艙的設計。與現(xiàn)有的隔離結(jié)構(gòu)相比，這種新型的仿生隔離結(jié)構(gòu)有幾個不同的部件組成，不僅強度更高，而且將其總量減輕了55磅。根據(jù)開發(fā)人員的計劃，它將用于分隔客艙后部的廚房區(qū)域。空客預計會在2016年初對這些仿生隔離結(jié)構(gòu)進行測試，如果通過的話，它們會從明年開始被安裝在新制造的空客A320飛機上。

    除此之外，空客公司還開展了4D打印和“數(shù)字材料”的研究，這些材料在遇到水、運動或溫度變化施加的外力時會自行改變形狀，取代飛機上笨重的機械控制系統(tǒng)?？湛鸵呀?jīng)開始測試在進氣口上采用該技術，或許有一天，這種材料能成為構(gòu)成整個座艙的基礎。

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責任編輯：劉洋

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