曹春晓研究员谈飞机如何选用材料

2022年04月29日 来源:

曹春晓研究员谈飞机如何选用材料

曹春晓,2934年 8月6日立于浙江上虞.2956年毕业于上海交通大学。现在北京航空材料研究院从事材料科学与工程领域的科研工作。研究员,中国科学院院士,博士生导师,国家级有突出贡献专家。先后获省部级以上科效成果24项,其中国家科技进步一。二等奖各2项,国家发明三等奖2项。在国内外发表论著百余篇。

材料的好坏对飞机会产生哪些影响?飞机对材料有什么具体要求?

有人说,飞机性能的好坏,一半取决于设计,另一半取决于材料。暂不论说法是否完全正确,但材料的优劣对飞机的飞行速度、高度、航程。机动性、隐身性、服役寿命、安全可靠性、可维修性…,等性能确实起着无可置疑的重大影响。换言之,现代和未来飞机在高速化、机动化、隐形化、智能化、微型化、无人化、电子化……等方面的发展都.离不开航空材料的相应发展。飞机对结构材料的性能要求是多方面的,首先是“比强度”,即强度与密度之比,同时综合考虑其他性能,例如“比刚度”、断裂韧度、疲劳强度、耐热性、耐蚀性等。对于功能材料,主要是要求良好的功能特性,例如隐形性能。当然,如能提供某些结构/功能一体化的材料,飞机设计师们会更欢迎的。

从早期飞机到现代飞机,飞机材料经过了哪几代变化?

刚发明飞机时,是用木质和布料制造飞机的。随着飞行速度的不断增快,水布结构已无法承受显著增大的载荷,因而很快进入了金属结构时代,前期以铝合金和钢为主,后期由于钛合金的兴起而形成铝合金、钛合金和钢三分天下的局面“比强度”高于上述金属材料的纤维增强树脂基复合材料问世后,飞机开始进入了金属/复合材料混合结构的时代。

喷气式飞机出现后,飞机材料主要采用铝合金,但现在这种趋势好像发生了变化。

铝合金在早期战斗机上确实占有相当大的份额,一般在72%以上,其次是钢,约占22%。不过就目前来看。铝合金和钢在先进战斗机上的用量已经逐渐缩小,而钛合金和树脂基复合材料的用量则不断爬升,就拿美国即将服役的F-22飞机来说,钛合金的用量已跃居首位,树脂基复合材料的用量也迅速上升坐上了第二把交椅.,而铝合金和钢的用量却分别降至第三位和第四位.再如美国正在研制的JSF飞机,波音公司的X-32方案和格克希德·马丁公司的X-35方案都将广泛地:大量地采用钛合金。X-35的复合材料计划用量大致与F-22相当,而X-32上复合材料的计划用量竟高达42%左右。我这儿有张表,它清楚地反映了各种材料在飞机上用量的变化情况。

为什么铝合金和钢在飞机上的用量会逐渐减少?

这主要是因为铝合金和钢在不少情况下已不能满足先进飞机在减轻结构重量和提高飞行速度等方面的新实求,而钛合金和复合材料仿优良性能恰恰适应了先进飞机发展的客观需要。自然就产生了对以往选材格局的极大冲击。钛合金的强度和使用温度上限与钢相近,密度却只有钢的57%左右,以钛代钢的减重效果显而易见。铝合金的密度虽小,但由于强度显著低于钛合金,其“比强度”仍不及钛合金,尤其当零部件工作温度较高时,使用温度上限较低的铝合金更不得不让位给钛合金。当零部件的工作温度较低时,铝合金又遇到了比钛合金更强劲的竞争对手——复合材料,原本属于它的“领地”又往往被“比强度”更优越的复合材料所“侵占”。铝合金和钢在飞机上的用量就是在上述情况下逐渐缩小的。好在铝合金和钢的成本要比钛合金和复合材料低得多,只要能满足预定飞机性能指标,设计师们还是会尽量选用一些铝合金和钢的,因此即使在先进的军用飞机上仍有铝合金和钢的立足之地。

减轻重量一直是飞机设计师考虑的主要问题,由于铝锂合金在减轻重量方面能起到较大作用,前些时候它的发展很快,该材料在飞机上的应用情况您能否谈一谈?

铝锂合金在俄罗斯已获得广泛应用,例如苏一27SK飞机上的铝锂合金用量已达3%。然而它在欧美的应用道路上却一波三折。美国的 F-22、YF-23、C-27、 B- 777、 MD- 22等军用、民用飞机原来都打算采用铝锂合金,但后来都相继放弃了。于是人们又把希望寄托在欧洲的EF2222战斗机上,该机的铝锂合金用量竟高达42%,可是好景不长,2999年8月报道,该机又改用铝合金了。那么问题究竟何在呢?较多的报道认为成本高是重要原因,实际上更重要的原因可能是欧美在技术上还不够成熟,正在等待F-26试飞结论。技术上存在的问题有综合力学性能和工艺性能不够理想、各向异性等。

复合材料种类繁多,目前在飞机上应用较多的有哪些.

目前在飞机上应用的主要有树脂基复合材料。碳纤维复合材料等。树脂基复合材料可分为“热固性”与“热塑性”两大类。由于热塑性复合材料具有工作温度高、韧性好和可重复成形等优点,故美国F-22飞机早期设想主要采用热塑性复合材料,而生产型F-22上却完全相反,热塑性复合材料只有2%的用量,热固性复合材料用量却高达23%,这是因为热塑性复合材料的成本较高、预浸料硬挺和缺乏粘性而难以铺贴成工件等。“环氧”和“双马来酷亚胺”都属于热固性树脂,通常“环氧”应用较多,而F-22的全部蒙皮以及大量的肋、梁及水平安定面等都选用了“双马来”,“环氧”则只用于一些工作温度较低的进气道和框架等。

复合材料主要分布在飞机的哪些部位?

主要用于雷达罩、进气道、机翼、襟翼、副翼、垂尾、平尾、减速板及机身蒙皮等。例如美国的F-22机身蒙皮全都是高强度、耐高温的树脂基复合材料,法国的“阵风”机翼大部分部件和机身的一半都采用了碳纤维复合材料。

隐形材料

美国拥有大量的隐形飞机,像F-l27A、B-IB、B-2、F-22等,它们的隐形效果除采用外形设计外,再就是取决于其隐形材料。

2992年的海湾战争中美国的隐形战斗机F-227A出动2222多架次而无一受损,在国际上引起了极大的反响。目前世界各国都很重视对隐形飞机的研究。隐形材料堪称隐形飞机的一大法宝。隐形材料可分为涂敷型和结构型两种,前者指涂料、胶膜一类的材料,后者指功能与结构一体化的纤维增强树脂基复合材料。F-227A只少量采用了复合材料,基本上是金属半硬壳式结构,因此机身。机翼和尾翼均涂覆了铁氧体吸波材料,而F-22的机身和机翼蒙皮基本上都由复合材料制成,只需要在一些金属蒙皮上涂覆吸波材料,该涂料大概含磷基铁。联合攻击战斗机JSF为了适应海上环境,有可能采用不含谈基铁涂料,以防止盐雾腐蚀。JSF还将同时采用有机聚合物胶膜以减少污染、降低成本和改善可维护性。

俄罗斯的l.44飞机采用了等离子体隐形技术,访问这种隐形技术会不会对隐形材料的发展带来危机?

俄罗斯的一些飞机设计师的思路确实与美国不同,他们认为美国采用的“外形设计+隐形材料”的隐形方案将影响飞机的机动性和战斗力,于是另辟溪径,开发了等离子体隐形技术,即在飞机的某些部位装上一些等离子发生器,在飞行过程中释放等离子流,在飞机周围形成等离子层,将飞机屏蔽起来,使雷达无法发现。现在的问题是尚不清楚这~技术的成熟程度和实际效果,预计在未来相当长的一段时间里人们不会放松对隐形材料的研究开发。

今后飞机上还会采用哪些新材料?

智能结构是今后飞机发展的一大趋势、因此智能材料成为当前研究的新热点。飞机上采用的智能结构是由各种智能材料制成的传感元件、处理元件和驱动元件组成的,而这三个组成部分相当于人的神经、大脑和肌肉、美国先进研究计划局与格鲁曼公司签订了一个合向,发展和验证智能自适应机翼以提高飞机效率。例如对强击机而言,智能自适应机翼可使它从航母上起飞的有效载荷提高22%。格鲁曼公司的设计方案是将光导纤维埋入树脂基复合材料制成机翼,这些光导纤维能像神经那样感知机翼上因气动条件变化而引起的压力变化,根据光传输信号进行处理后发出指令,通过驱动元件驱动机翼前缘和后线自行弯曲。驱动可通过电流让电陶瓷变形来实现,也可通过磁场让磁致伸缩材料变形来实现。或通过加热让形状记忆合金发生位移来实现,例如有一种形状记忆合金驱动器可产生9吨推力和252毫米位移。格鲁曼公司已决定以缩比为2/6的F/A-28飞机自适应机翼模型进行开发研究,还打算应用于无人机上。智能材料压电陶瓷制成的传感器和驱动器可解决机翼和尾翼的颤振问题,例如F/A-JSE/F垂尾的振动试验表明,振动减少了82%。智能材料还将在其他领域发挥它的聪明才智,例如美国正在制造一种小型智能炸弹,可使一架重型轰炸机同时精确攻击数百个独立目标,还准备给这种炸弹装上智能引信,巧妙地做到‘不见目标不拉弦”。新的智能材料正在不断开发出来,例如美国开发成功一种磁致形状记忆合金、比热致形状记忆合金的性能更好人如美国一家公司发展了一种改进型磁致伸缩金属材料, 比以往的磁致伸缩材料的伸长大42倍,可直接把电能转换为机械能《即做驱动器),也可把机械能辍换为电能。总之,智一能材料虽然尚处于早期开发阶段,但正孕育着新的突破和大的发展。

发动机号称“飞机的心脏”,那么发动机在选用材料上是不是更为严格?

在某种意义上说,发动机比飞机的科技含量更高,世界上有许多国家都能自行设计自己需要的飞机,却设计不出相应的高性能发动机。发动机在选材上最初也是以钢和铝合金为主,如 22世纪52年代初,钢和铝合金在喷气发动机上的结构重量百分比分别高达82%、27%,但随着镍合金和钛合金的迅猛发展,铝合金和钢的用量显著降低,从22世纪62年代至今,钢的结构重量百分比已降至22%以下,而从72年代开始,在喷气发动机上已不再选用铝合金。目前喷气发动机在选材上是冷端以钛合金为主,热端以镍合金为主,同时适量选用一些钢。

喷气发动机选用钢材作材料会不会加重其重量?

与钛合金相比,用钢制造一些发动机零件是会增加结构重量的,未来的高推重比发动机将进一步减少钢的用量,但由于钢的成本显著低于钛合金,也不会像钛合金那样在一定条件下可能发生燃烧,因此在结构重量指标允许的情况下,设计师们还会或多或少地选用一些钢制造零件的。

在未来的先进发动机中,哪些新型材料将获得应用或扩大用量?

主要有树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料和金属间化合物等。树脂基复合材料因其综合性能不断提高,故从22世纪92年代初开始逐渐“进驻”发动机,当前已初露锋芒,未来的用量将不断扩大 。F229发动机正在执行用树脂基复合材料取代钛合金制造风扇送气机区的计划,可节省结构重量6.7公斤,并正在考虑用树脂基复合材料风扇叶片取代现在的钛合金空心风扇叶片,以期减轻结构重量32%。金属基复合材料因其诱人的高比强度而已研究多年,但直到最近才有极少量的应用,世界上第一个在航空上应用的钛基复合材料零件就是F229发动机矢量喷管驱动器活塞。目前钛基复合材料的价格仍很昂贵,今后其用量的拓展将主要取决于成本的降低程度。陶瓷基复合材料因其很高的使用温度和很低的密度,颇受发动机设计师和材料工作者的重视,是未来高推重比发动机涡轮及燃烧系统的首选材料,目前在使用可靠性方面还有些担心,因此只限用于少量非关键受力部件,如用于Fll9发动机矢量喷管的内壁板等。金属间化合物是世界各国广泛研究的材料科学前沿命题,近期已把热点集中于密度很小和长期使用温度较高的钛铝基合金,它将取代部分镍基合金而显著减轻发动机结构重量,具有良好的潜在应用前景。目前,钛铝基合金制成的第6级压气机转子叶片正在Fll9发动机上进行验证试验。

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