飞机是用什么材料制成的?(中)

2021-07-13

兵器知识 2021年4期

25岁的查尔斯·林德伯格（Charles Lindbergh）在1927年完成了人类首次不着陆跨越大西洋飞行，所使用的飞机是从瑞安公司定制的“圣路易斯精神”号，其结构便是半金属结构：机身框架是钢管的，机翼部分依旧是木布结构

20世纪20年代，以“施耐德杯”为代表的一系列飞行竞速赛，推动着欧美各国在飞机设计上的创新和性能的不断突破。其中的一个明显变化是更富流线型的单翼飞机开始取代双翼机，成为发展的主流。当飞机向着速度的极限一次次冲刺，一次次挑战起飞重量时，这也对飞机材料提出了新的要求，飞机材料也开始从木质向强度更高的金属过渡。首先是在安装发动机的框架、整流罩等受力更大的机体部位上局部使用金属材料，但翼面、舵面和后机身等部分仍旧是传统的木布结构，这就是所谓的飞机半金属结构。

正所谓“一代材料，一代装备”，材料与飞机一直在相互推动、不断发展。但“材料”一词在“装备”前，正是凸显了二者关系中材料的重要性、先导性和基础性。所以，飞机迎来全金属时代的必要前提是冶金技术的提高、金属生产成本的下降。不过金属材料在飞机上的初期“探索性”应用，还是要靠一些人的洞察力与预见力。

当业界一些声音还在质疑“用更重的金属材料造飞机，飞机能飞上天吗？”之时，雨果·容克斯（Hugo Junkers）等“先锋”飞机设计师就预见了飞机不再是军队或飞行爱好者的专属，不是只用于战时的空战、飞行比赛，航空业将在不久迎来前景更为广阔、飞机大规模应用的航空运输时代。全新的应用场景下，飞机就需要用完全不同的材料来打造。是时候做出改变了。

改变，金属飞机上天

1915年12月12日这一天，关于“金属飞机能不能飞上天”的争论有了最终确定性答案。不过，制造这架钢制全金属飞机J1的容克斯公司（Junkers & Co.）在市场上更为人知的产品却是燃气炉灶、燃气热水器、燃气锅炉供暖等一系列燃气热力设备，毕竟J1飞机的设计师容克斯的另一重身份是亚琛工业大学的热力学教授，闯入航空业时他已是知天命之年。

J1的机翼强度测试时翼上站着15个人，容克斯位居最中间，身着白风衣的二位为公司的技术总工程师

这架J1的设计建造费用纯属容克斯本人从公司的盈余中自掏腰包，所以也不乏笑谈：是德国妇女们购买的一个个燃气热水器、燃气灶支撑起了世界第一架全金属飞机的上天

在双翼机统治天空的年代，全金属的容克斯J1称得上是“鹤立鸡群”的存在。它有着流畅的机翼轮廓、可承重的鈑金外壳，在空气动力学方面也表现出明显的性能优势。配备120马力发动机的J1在测试中飞出了170千米/小时的平均速度，成为当时最快的飞机。容克斯J1的钢制全金属，不仅包括机身结构和机翼翼肋等部分，还包括飞机蒙皮使用的0.1～0_2毫米厚的薄铁片，这给建造中的焊接作业带来了前所未有的工艺挑战。

不过，钢制的J1的最大问题是太“笨重”了，整机的最大起飞重量超过了1吨，有效载荷只有160千克左右，所以德国军方对其“起飞速度、机动性和有效载荷性能不足”的评价也不算偏颇。的确，这架全金属飞机的爬升性能存在不足，不如木布结构的老飞机。不过，对于这款革命性的J1，容克斯也没有批量生产的计划，只是将其定位为技术验证机。就像在试飞中J1暴露出的机翼翼梁与机身之间的连接性不足问题（曾在试飞中折断），对此容克斯在后续机型的设计上放弃了翼梁与机身的焊接连接，从而开创了“下单翼”的设计。

全金属飞机，从钢到铝合金

铝虽然是地壳中含量最丰富的金属元素，但它的冶炼，特别是低成本冶炼一直都是冶金业、化学界的大难题。直到19世纪末，随着电解法冶炼铝的工艺成熟，加上水力发电带来的廉价电力，最终实现了大规模工业制铝，才有了铝（铝合金）从曾经的“比银昂贵”，到工业生产、日常生活中的大范围应用，成为仅次于钢材的人类应用的第二大金属。

1906年，德国冶金学家阿尔弗雷德·威尔姆（Alfred Wilm）发现铝合金在一定温度下保持一定时间后，再放到室温环境后它的强度就会随着停放时间的延长而逐渐提高，这一现象就是“时效硬化”现象。阿尔弗雷德·威尔姆的这种可以时效硬化的铝合金专利（其中铜含量3.5%～5.5%，镁和锰含量小于1%）在被杜伦（Duren）金属厂购买后，便有了一个广为熟知的名字“杜拉铝”。杜拉铝和纯铝一样轻，是钢铁重量的三分之一，作为轻巧而结实的新材料刚一推出就被评为最佳飞艇材料，并在“齐柏林”等飞艇上大量使用。自此，这种牌号为2017、2014、2024等2×××系第一代铝合金，作为飞机机体的主要结构材料登上了历史舞台。

下单翼设计，也基本成为后来容克斯系列飞机的经典设计

飞机与铝的结缘，最早可以追溯到莱特兄弟“第一飞”的“飞行者”1号上所用的13马力汽油发动机。该发动机的缸体和轴承座是铝合金（92%铝和8%铜）铸造的，由此带来了9.072千克（20磅）的减重。不过这时的铝还属于昂贵的材料，要到10多年后才在飞机上大范围使用

在飞艇时代，当你走进高大的飞艇建造车间，站在地面仰视或从顶棚俯瞰，面对飞艇的尺寸之巨与密密麻麻交织的框梁，你一定会有眩晕之感。而这些飞艇“骨架”多由又轻又坚固的硬铝来打造

在J1之后，容克斯将注意力逐步转向了铝合金，开始在J3等机型上尝试使用杜拉铝。这种新型铝合金除了用来打造机身的“骨架”，也还用来做飞机的“皮肤”。像J1飞机上那种沉重的钢铁蒙皮换成了轻得多的杜拉铝蒙皮，蒙皮有波纹状，这是为了提升蒙皮的刚度，同时蒙皮上波纹的走向又顺着航向，以减小飞行阻力。1917年容克斯公司向德国空军交付的J.I（工厂编号14），成为世界上第一型批量生产且实战使用的全金属飞机。该机作为战场侦察和通信机，兼具一定对地攻击能力，尤为特别之处是它设计有铬镍钢装甲来包裹机体前部的发动机和乘员舱。

从战场表现来看，J.I虽然飞行速度较慢，但凭借扎实装甲的防护，机组人员可以放心大胆地低飞来执行任务。在战场的部署上，相对于木布结构飞机，全金属的J.I更皮实，可以露天停放。不过，有点笨重的J.I需要较长的野战跑道，着陆时操控难度也较大，该机的战损记录寥寥，反倒有多起起降事故。

第一架全金属民用飞机

在J.I之后，容克斯陆续推出了容克斯D I（工厂编号J9）、J10等战斗机，也标志着容克斯将杜拉铝全金属飞机全面引入军用航空。而一战后《凡尔赛条约》禁止了德国发展空军，这也让容克斯的研制精力从军用飞机转向了民用飞机，他大胆地将杜拉铝这种新航空材料的应用从战斗机扩大到民用飞机身上。1919年，容克斯离开了原来主打燃气热力产品的公司，创办了容克斯飞机工厂。同年6月25日，世界上第一款专门设计的民航客机——容克斯F.13成功首飞。

一战后J.I成为多国的战利品和科研对象。图中为今天在加拿大航空航天博物馆中展出的、仅存的完整J.I。近观可见其机翼的杜拉铝蒙皮的清晰纹理，还有机体前部覆盖着的装甲

容克斯F.13客机，半封闭式的驾驶舱没有侧面舷窗，只有顶棚和前风挡，而4人席位的封闭客舱还有加热，机身侧面开有舷窗和登机门

世界第一款专门设计的民航客机的4人客舱，空间上算是今天支线飞机的商务舱水平，不过这么大的舷窗又是今天民航客机所比不了的。另外，前排2个座椅上可见安全带，这在当时是比较超前的设计了

容克斯F.13定义了一个时代的客机面貌，不再是钢管、木材和帆布，不再有钢索张紧、撑杆支撑的双翼，而是彻底的全金属化。容克斯F.13全面延续了此前容克斯机型的杜拉铝波纹蒙皮、下单翼气动布局等经典设计。作为第一款使用硬铝的全金属民用飞机，容克斯F.13用9根铝管来做机翼的翼梁，用波纹杜拉铝板做蒙皮，而不论它的全金属材质还是气动外形，容克斯F.13几乎成为一代民用客机设计的经典范式。這是容克斯公司在民用航空上的发端，在后续发展中诞生的代表机型Ju52/3m则更近一步，成为容克斯家族中最广为人知的“身披”杜拉铝波纹蒙皮的“容克大婶”。

容克斯F.13（上图）和Ju52，都延续着下单翼结构。机翼的中央翼盒位于客舱的地板之下，这解决了机翼与机身的连接可靠性问题，也可以更好地承重。而机翼的外翼部分则通过滚珠丝杠与这段中央翼连接

加装浮筒可在水上起降的容克斯Ju52/3m（上图）与生产线上的4-AT。二者作为客机都基于可靠性的考虑选择了3台发动机，若一台有故障，其它两台依旧能继续飞行。不过在发动机的布置上二者差别明显，前者是翼内发动机吊舱，后者是翼下吊装

容克斯家族的Ju52/3m和F.13飞在2019年。Ju52/3m最初是作为客机用，但这型产量最大的三发飞机的最大客户却是二战德国空军

全金属飞机在美国的兴起

容克斯的全金属飞机与其标志性的杜拉铝波纹蒙皮，在全球范围取得成功的同时，也在“刺激”着他的同行们投身这场由航空材料革新所带来的技术变革。比如，美国一家汽车厂商的总工程师威廉·斯托特（William Stout）就转行投身全金属飞机的研制，成立了斯托特金属飞机公司（Stout Metal Airplane Company）。这家公司在推出2-AT全金屬飞机后，又被“汽车大亨”垂青，将其全资收购并入福特公司。以福特之名打造的4-AT福特三发飞机（英文名称Trimotor）在1925年6月首飞亮相。

对于福特三发飞机，福特公司的野心不单单是要做美国全金属飞机的先行开拓者，还要将福特的辉煌带到航空领域，将当时这款美国最大的客运飞机打造成如福特汽车那般的畅销款。不过，福特公司首先要做的是要向公众证明铝合金打造的飞机比“老飞机”更坚固更安全，要扭转公众对当时空中出行安全性不佳的固有印象。投入航线运营后，福特4-AT的表现也的确证明了全金属飞机坚固耐用、可靠易维护，对环境适用能力强（比如用于南极探险）等特点，在为福特公司赢得良好声誉的同时，也在提振公众对新兴的航空运输业、对金属飞机的信心。

美国国家航空航天博物馆中的福特三发机家族中的5-AT，其整机的波纹蒙皮与机翼内部的结构框架细节尽现

福克系列三发飞机是当时民航的主流机型之一，厂房中吊起的机翼，蒙皮尚未敷设，可见内部木质的结构框架。下图为20年代末美国加州奥克兰机场上的福克F.10。在当时除了客运，这类飞机尤为重要的用途是运输航空邮件

在上世纪20年代末，福特公司曾一度被誉为“世界上最大的民用飞机制造商”，不过这样的荣耀在那场“经济大萧条”中转瞬即逝，加之以波音、道格拉斯为代表的后来者在1933年完成了对福特的技术追赶，福特三发飞机的（4-AT和改型5-AT）销量最终定格在199架。这一数据与容克斯Ju52/3m相比有些“惨淡”，但福特三发飞机有着大大小小百余个航空公司和军方用户的使用，当之无愧称得上是全金属飞机实用进程中的早期“布道者”。

一场事故，加速了木质飞机的淘汰

在新材料硬铝合金诞生后，英法两国航空界最初都持保守和怀疑的态度，认为硬铝合金容易被腐蚀，也就未开始全金属飞机的设计。而美国方面即便有福特公司对全金属飞机4-AT的大力推销，也并未如愿完成对航司运营的福克（Fokker）系列三发飞机的全面替代，直到一场震动全美的空难。

1931年3月31日，全美最著名的橄榄球教练克努特·罗克尼（Knute Rockne）在599航班事故中遇难。这场空难的轰动性、全民关注度，若以今日类比的话就是2020年初的科比直升机空难。599航班的调查结果显示：福克F.10三发飞机的机翼是木质胶合板制造的，事故原因可能是雨水渗透导致胶合板层间的树脂胶剥离，进而造成机翼折断。由此，民众对木质结构飞机的安全性严重关切与怀疑，航空公司对木质飞机的加强维护检修又带来了运营成本的增加，这最终促成了各方对木质飞机态度上的大转变，加快了全金属飞机对木质结构客运飞机的全面替代。

在波音247身上，波音公司倾注了太多技术心血，诸多开创性技术融于一身，但很可惜在同时代的DC-1/2/3家族的光芒之下它就显得寂寂无名了（产量75架）。这同样是技术发展史上“残酷”的一面，新技术前夜的先行者、“早鸟们”并不一定能等来黎明的一刻，不一定能享用上新技术带来的巨大红利

DC-3的军用衍生型在全世界范围内大量使用。比如，DC-3在授权苏联制造后定名为里-2（Li-2），在新中国成立初期里-2一度是中国军民航空运输的主力，并且还作为明星机印在了人民币两分钱纸币上

围绕航空公司的新需求，波音、道格拉斯公司在1933年先后推出了全金属飞机波音247、DC-1。前者带来了可收放式起落架、发动机整流罩、增压发动机、变距螺旋桨、除冰设备等诸多航空新技术;后者则以全面超越波音247为目标，从速度、航程到载客人数、舒适性，使最终发展而来的DC-2/3家族成为民用航空史上最重要的里程碑机型之一，将美国乃至全球的全金属客机新时代带入了第一个鼎盛时期。在二战时，DC-3更是成功“军转民”衍生出了C-47/C-53一系列军用型号，成为产量超万架的一代经典运输机。

苏联的铝合金飞机和不锈钢飞机

相对于英法两国对杜拉铝全金属飞机的迟疑，苏联方面在此领域的滞后，既有本国航空技术上落后的原因，也与本土尚无铝冶炼工厂、铝合金无法国产只能依靠进口等现状直接相关。直到进入20年代苏联才陆续有了铝矿及冶炼厂的兴建，并拥有了自己的航空硬铝合金“链铝”（俄语，Колъчуалюминий）。与杜拉铝对比，“链铝”中多了0.5%的镍，以及铜和锰的比例略有不同。

1922年，苏联专门成立“金属飞机制造特别委员会”来负责全金属飞机的相关工作，委员会的主席为图波列夫（А.И.Тupolev）。同期，苏德双方有着合作协定的秘密签订，合作的领域包括德国先进航空技术的对苏转让，比如容克斯公司在苏联莫斯科开设分厂“22号工厂”来生产F.13客机，图波列夫也作为苏方的主任设计师与德国同行有接触，并有所得。

1925年，苏联的第一架全金属飞机ANT-2首飛成功，在这架技术验证机之后马上就有了全金属飞机ANT-3侦察机的量产。此后，图波列夫将“链铝”全金属飞机越造越大，从世界上第一架全金属双引擎轰炸机ANT-4（TB-1），到第一架全金属四引擎轰炸机ANT-6（TB-3），直至将这种全金属飞机的尺寸推向了同时代中最大的飞机——8引擎的ANT-20。

在全金属飞机的发展上，苏联人的技术路线是屡创第一的越造越大，直至“怪兽”ANT-20的出现（其翼展与波音747相当）。而图波列夫的ANT系列，在外形上不变的除了矩形截面长方体机身，还有那0.3～0.5毫米厚的硬铝波纹蒙皮

“钢”系列飞机生产了上百架，是当时苏联民航的主力机型之一。下图为1931年苏联莫斯科的新机场霍登斯科耶航站楼前的“钢”-3，其机身结构框架是由不锈钢Enerzh-6冲压焊接成的，机身侧部为木质胶合板，机翼、尾翼和机尾的蒙皮皆为帆布，只在机身前部少量使用了铝合金

上图为英国妇女上交铝制炊具、锅碗瓢盆等。下图是美国剧院门口的孩童们，他们凭着手上高高举起的铝制瓶瓶罐罐就能兑票一张。当然，战时的“回收与节俭”涵盖很广，不只铝制品还有铁铜等其它金属等等

不过随着全金属飞机对铝合金的需求大增，苏联在铝合金产能上又存在不足，从30年代开始苏联航空工业又将钢材的使用作为了侧重点。比如使用不锈钢Enerzh-6来制造的“钢”（俄语，Сталъ）系列飞机就用于航空邮件、货物运输、短途客运等。从“钢”系列飞机的使用来看，用不锈钢做飞机的主要结构材料，可以使用数十年，只是限于当时的焊接、处理等工艺水平，一些焊接点、螺栓和其它零件间的生锈还是不可避免。战后苏联的铝产量逐年攀升，直至世界第一，无需再为造飞机的铝合金发愁了。不过就在“钢”系列问世的40年后，苏联航空工业再次以不锈钢创造了米格-25这般的超音速传奇。

二战时的“国防铝”，今日的第五代铝合金

二战期间，铝合金在飞机的生产中大量使用，并如石油一般成为日渐紧缺的战略物资。即便是远离战火的美国也在深感铝的金贵，如美国内政部长所说：“如果美国输掉了这场战争，那么责任就在美国铝业公司。”除了尽可能地提高冶炼铝的产能外，二战时期的美苏英等国都有着轰轰烈烈的从战场一线到大后方的“回收铝运动”，这种回收铝的回炉生产成本要比从矿石冶炼低得多，且生产周期更短。也因此，在不列颠空战的第一天，英国报纸广播上就出现了写给英国妇女的公开信，称铝可以用来给皇家空军打造战机以对抗德国，呼Ⅱ于她们捐出家中非必需的铝制品。在战时的美国，民众上交铝制炊具，乃至攒下口香糖包装纸、烟盒上的铝箔等“国防铝”，就能兑换电影票等。

不论是年逾半百的波音737家族，还是将民航带入超音速时代的“协和”，它们的结构重量中最主要的材料都是铝合金。这张来自前“协和”工程师们开设的怀旧网站的图片，清楚地标记出了“协和”身上的材料类型，比例最大的当数铝合金（aluminium alloy）

在2018年的改革开放40周年展览上，中国铝业的展板介绍了研制的7055铝合金。作为第四代新兴超高强铝合金，它主要用于四代机的前机身及C919客机外翼上壁板

铝合金的应用当然不只是航空领域，这么好的材料也随着人类第一颗人造卫星“斯普特尼克”1的上天进入太空，它的圆球形壳体就是铝合金的

战后，铝合金已成为飞机制造不可或缺的一部分。铝合金新品种不断出现，但不论它的合金成分再多样、牌号再多，在航空领域的应用再日趋广泛，不变的还是铝合金的核心优势——重量轻、强度高且耐腐蚀。几乎没有任何一架飞机可以不用铝来打造，从机身、机翼、蒙皮、方向舵、舱门、发动机舱，到机体内部的各类管道、座椅、地板、座舱仪表等等，铝合金无处不在。

目前世界上绝大多数战斗机的主要结构材料依旧是铝合金，主要是铝-铜-镁系列（2×××系铝合金）和铝-锌-铜-镁系列（7×××系铝合金）。前者以铜为主合金元素，是航空材料发展史上最早发明、时至今日依旧应用广泛的中等强度铝合金。后者是以锌为主合金元素的高强铝合金，主要用在机体主承力结构、机体的关键件及重要件上。从铝合金材料技术的发展历程来看，铝合金基本划分为四代：第一代静强度铝合金、第二代耐腐蚀铝合金、第三代高纯铝合金和第四代高强耐损伤铝合金。在第四代铝合金技术发展的同时，以锂元素（锂是自然界最轻的金属）为主合金元素的铝锂合金也凭借其“减重”的独特优势得到了更广的应用。而本世纪以来正在发展中的有着高综合性能、厚大截面整体结构、低成本等特点的第五代铝合金体系逐步成形，并与钛合金、复合材料展开了日趋激烈的竞争。

从木布结构，到半金属的过渡，再到全金属飞机的全盛时代，在这个技术发展过程中既有作为前提的铝合金材料技术的突破，也有航空设计师、工程师们的大胆探索与应用。

当然，置身这场绵延百年的航空材料技术变革之中，先行者的远见也不可避免会有“历史局限性”。比如在当年各方力证金属飞机较于木质飞机的独特优势时就“忽略”了这样一点：当有一天飞机要飞上万米高空时，“加压客舱”就成了刚性需求。而对于这一点，金属飞机可以做到，但木质飞机就无法做到。

那么，今日的复合材料较于铝合金为代表的金属材料，又有着怎样的独特优势？

（未完待续）

[编辑/山水]