浅谈飞机材料的百年变迁

摘要：随着科学技术与航空制造业的不断发展，飞机在制造过程中也经历着材料的变迁，由于材料的不同，对飞机的性能、功能等产生的影响是不同的。“一代材料，一代飞机”是世界航空制造业发展的真实写照。本文从飞机材料入手，探讨百年来飞机材料的变迁与飞机性能的突破。

关键词：飞机材料 飞机制造 百年变迁

在当代，随着飞机制造工艺的发展，当前的飞机制作材料这一概念范围较广，主要是飞机不同位置的材料性质不同。如机体材料、发动机材料和非结构材料组成。而在最终飞机这一概念的出现时，飞机材料的概念较为单一，往往采用单一的材料来制造飞机外形、飞机的动力结构。在百年间飞机材料的演变历经了好几个时代，飞机材料对于飞机的外形发展、速度以及安全性等各个方面都具有重要的影响作用。因而展开对飞机材料的分类以及其百年来的材料变迁所带来的其他方面的变化，对飞机发展史较为浅显的介绍。

一、飞机材料的分类

飞机材料在应用上分为三类材料，一是机体材料，二是发动机材料，三是飞机涂料。在这之中最，机体材料又分为结构材料与非结构材料。结构材料是具有较高比强度与比刚度的飞机主要结构部分的材料，结构材料改进的目的是不断减轻飞机的结构重量，提高飞机飞行性能，同时降低运营成本。并且结构材料的可加工性强，能够加工制作成飞机所需的其他重要零部件，应用范围较广；非结构材料在飞机材料中运用的比例较小，材料用量也较小，但应用范围广，涉及的品种很多，包括铝合金、镁合金、不锈钢、橡胶、玻璃、纺织品等，可以形成轮胎用材料、装饰用材料、电磁材料等。

二、飞机材料的百年变迁史

（一）木布结构时代

世界上第一架载人飞机发明于上世纪初，其发明者为莱特兄弟。当时的飞机使用的材料主要还是以木材为主，木材占据飞机整体用料的47%。木材的限制使得第一架飞机的飞行时速很低，并且安全性较差，很少有人愿意接触飞行。当时的飞机主要是木布结构组成，机翼的翼面是用亚麻布做成的，飞机的基本骨架都是由木头做成的，在木板间用螺栓作为拼接工具，保持结构稳定。机翼上的亚麻布为了能够保持一定的形状与强度，通常用清漆进行涂抹，这种简单的材料与构造在当时也受到推广，第一次世界大战中使用的飞机仅在这种程度上加强了飞机的外形与内部结构的设计合理性。在木布结构的时代，飞机仍旧可以用于载人飞行，其主要的材料未产生较大的变化，而是通过改变飞机的气动外形以及内部结构的方式让飞机的性能更为优越一点，即能够在第一次世界大战中使用。

（二）半金属结构时代

由于木材的强度不高，在不断的试验与研究后，科学家们设计出了提高飞机性能的半硬壳式机身，同时在机翼的设计上也有所改善，使得机翼具有一定的翼型空间，这种设计产生于上世界20年代，在这个时期，人们对飞机材料的使用提出了新要求。在发动机与整流罩等部位加入了更多金属元素，以金属零件代替原有零件类型。将飞机的局部受力处，如发动机架的材料和飞机外部中的整流罩等部位采用了金属零件，实现对飞机的翼形空间的设计和新材料的运用。但该时期对于翼面与机身仍旧是使用布料覆盖，只是布料由亚麻布换成了布质蒙皮。这个时期的飞机被称为半金属结构飞机，直到1906年，德国科学家发明了杜拉铝，杜拉铝的存在使得后续在飞机制造中得以将半金属替换为全金属。

紧接着杜拉铝金属材料的出现后，该阶段的飞机材料使用设计虽然实现了部分木条的替代以及采用了全金属材料制造的形式。但是总体来说，飞机材料的半金属结构仍旧存在，许多飞机在制造过程中只是使用强度更高的硬铝合金代替飞机的部分木条，类似代替骨架与翼肋部分。也有一些飞机在制造过程中用硬铝合金代替具有较大承力作用的布质机翼蒙皮。在这个阶段中，使用硬铝合金的成本较高，所以对于一些非承力部分，依旧采用成本较低的木布结构。钢材的成本较硬铝合金低，因此也有一些制造者选择使用钢材进行飞机制造材料的替换。实际上，在半金属结构时代，对于每一个飞机设计师而言，降低飞机重量是最重要的事情，但钢的比重大于铝，所以即使具有一定成本优势，钢的使用也不会在设计制造中受到很大重视。在半金属材料时代，由于新的金属材料在成本以及金属自身的性能等因素的影响下，在全金属材料的情况下，无法保证飞机的动力，这是其采用半金属材料的最根本的原因。

（三）金属材料时代

在1925年以后，木材在飞机中的使用率逐渐被减小，越来越多国家使用钢管代替木材成为机身骨架的主要材料，布质蒙皮也被替换为了铝板，这个时期已经能够制造出全金属结构的飞机了。由于全金屬结构的飞机在整体结构强度、气动外形与飞机性能上都得到了有效的提高，因此过去木材结构与半金属结构的设计逐渐被舍弃。到上世纪40年代，利用全金属材料制造的飞机在时速上已经可以达到并超过600公里，速度远远快于木材结构与半金属结构制造的飞机。可以说，金属材料时代中，金属的质量以及性能都能够满足飞机材料应用的各方面的需求情况。如保证飞行的所遭受的空气阻力，能够保证飞机的结构强度等等，但是在这个金属材料时代，将设计做到最完美是每一位飞机制造者的追求，作为当时航空业较先进的代表国家，德国与美国在上世纪30年代后不断尝试将飞机机翼蒙皮替换成薄铝板的材料，这类薄铝板在形状上被压成细波纹状，这种形状能够加大其纵向强度。当时世界上许多客机都采用这种外部材料进行试验，并获得成功，直到目前飞机材料设计中仍然在使用硬铝作为主要材料。

飞机材料广泛应用金属材料的时期，正好也是许多国家不断爆发战争的时期，飞机作为航空武器在制造上耗费大量金属材料，许多国家的有色金属纷纷告急，在这个阶段有些国家有重新做起了“木头飞机”，并且由于技术手段的先进，木头飞机的性能较原本的有所提高，不仅坚固性得到增加，并且在作战过程中作为轰炸机时也取得了较好的作战效果。

进入上世纪50年代以后，人类踏出了超音速时代，对于飞机的要求更高，在飞机材料的使用上更加注重耐高温指标，这个阶段中，高强度耐热的材料的使用成为飞机制造的关键。为了满足这种要求，科学家们设计出了既坚固又耐热的钛合金和不锈钢。但由于钛合金加工难，比重大，在当时只能用于一些特殊部位，类似内部骨架与起落架支柱等部位。

（四）复合材料时代

在上世纪70年代，新一代的航空材料应运而生，复合材料作为新一代航空材料，具有强度高、刚度高、质量轻的特点，并且能够耐高温、减震。它的出现使得飞机的重量有效的得到减轻，并且强度也在不断提高，其在当时产生的经济效益与军事效益是十分巨大的。复合材料指用高性能玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、金属和陶瓷材料等相组成的固体材料。另外在飞机材料的运用中复合材料并非是整架飞机的制作设计，而是在后续中，不断根据飞机结构或是其他的性能的需求，展开飞机发动机材料以及非结构材料的优化发展。如在后续的研究中，复合材料逐渐成为研究重点，在碳纤维复合材料出现后，飞机的强度、耐热性、抗冲击能力在原有基础上又上升很多个等级，越来越多的飞机开始使用新型复合材料进行制造。在21世纪的前10年，高性能复合材料飞机应用的两个划时代意义的里程碑当数A380飞机和"梦幻飞机"波音787飞机，它们都使飞机的性能达到一个新高度。以飞机的机翼为例，其主要采用的是蜂窝型的复合材料，质量较轻且抗压性较高，而飞机在高空飞行过程中，所承受压空气阻力能够很好的被机翼所采用的复合材料所化解掉；而随着飞机的高度的上升，在高空飞行过程中，机身增压座舱承受的内压力较大，因而采用的是硬铝作蒙皮材料，从而提高机身的荷载力和耐疲劳性；而对于飞机的机载雷达而言，其主要是放置在机身头部的位置，其需要能够对外接收电磁波，因而不可以采用具有阻碍电磁波的复合材料，而是采用玻璃纤维增强塑料复合材料，如有机玻璃，保证续航的安全性。可以说，在复合材料时代下，随着相关工艺的发展，各种复合材料应运而生，其能够不断的满足飞机的各个部位的不同材料运用的实际需求情况，保证飞机的安全性和稳定性。

进入21世纪以后，复合材料已经广泛应用于飞机制造业中，特别是碳纤维复合材料的使用，受到许多国家的青睐，甚至将其在飞机结构中所使用的比例作为衡量一个国家飞机制造技术的指标。目前飞机材料已经成为我国国家战略性新兴产业规划中的新材料产业的组成部分，由此可知，在未来飞机材料将会呈现出精益求精的发展趋势，而各种性能更高的新兴材料将会根据不同机型的飞机需求而产生。

三、結语

飞机材料的变迁可以总结为木布结构时代-半金属结构时代-金属结构时代-复合材料时代，在这四个时代中，随着航空材料的使用不断变化，航空技术的进步与发展的不断加快。可以说，材料科学的进步对于飞机性能的提高起着重要作用，其不仅影响着航空新产品的设计与制造，还对航空事业的发展起着重要的推动作用。

参考文献：

[1]逄守良.飞机壁板复合材料的工艺研究与加工探讨[J].中国新技术新产品，2018，（09）：42-43.

[2]战捷.航空材料制造技术在直升机上的应用[J].中国战略新兴产业，2017，（04）：190-192.

（作者简介：赖沅祺，山东省淄博市第七中学，高中在读。）