飞机机翼材料发展简史

飞机机翼材料的发展先后经历以下三个时代:

一、木质飞机时代

二、全金属飞机时代

三、复合材料飞机时代

一、木质飞机时代

1903年,美国人莱特兄弟发明世界上第一架载人飞机。第一架飞机的主体结构以木材为主,机体包括骨架、大梁和翼肋用云杉木制成,机翼蒙皮使用涂抹过清漆的亚麻布,只有少量承力件使用金属。早期飞机由于飞行速度低,机翼所需要承受的载荷也小,机翼采用木布结构即可满足设计需求,又能保证飞机的低成本,因此在20世纪20年代之前,木布结构一直是飞机机翼结构的主流。

二、全金属飞机时代

随着飞机性能的不断提高,速度越来越快,载重越来越大,木布材料本身的”先天不足“(强度和刚度不足、易燃易腐蚀)就被无限放大,再加上材料技术的发展日新月异,具有优异性能的航空材料—铝合金出现了,由木质飞机过渡到全金属飞机也是大势所趋。

20世纪30年代中期,以铝合金飞机为代表的全金属飞机逐渐站稳脚根,大放异彩,并一直沿用至今。这种飞机的机翼蒙皮通常使用抗疲劳性能优异的超硬铝合金。

三、复合材料飞机时代

从20世纪70年代开始,新一代航空材料—复合材料开始在飞机上应用,首先用于非承力结构件和非主要结构件上,如接近口盖、整流罩、操纵面蒙皮等。而真正开始将复合材料用于机翼主要结构上的是空客A380飞机,但是A380也只是用于非暴露机翼结构上—中央翼盒,外翼仍使用高强度的铝合金材料。

随着B787和A350飞机的推出,碳纤维复合材料成为机翼结构最主要的材料,这样制造出来的机翼更轻,气动外形更佳,机翼的阻力也就更小,飞机的燃油经济性更好。

新型机翼展望

近期,极光飞行科学公司已为NASA生产了一个新型复合材料机翼,即被动弹性剪裁(PAT)机翼。在传统复合材料机翼中,构成层合板的每一层碳纤维,都是以统一的方式排列,如此可能无法实现最优承载,而PAT机翼的单层纤维排列方式是不断变化,沿着机翼内部实际载荷情况的路径弯曲排列而成,这样有利于生产出更轻质坚固而且阻力更低的客机机翼。

另外,极光飞行科学公司还结合3D打印技术,探索“拓扑优化”翼盒的实现,这项技术考虑机翼所有的载荷因素,再利用一台超级电脑对机翼进行拓扑设计。设计出的机翼翼盒去除传统的翼梁和翼肋结构,而只留下载荷所需要的结构,整个翼盒更像一种桁架结构,连接上下表面机翼蒙皮,从而降低机翼重量。

相信在不远的将来,我们将有望看到此两项新技术在新一代客机(比如波音777X)新型机翼的运用。

飞机机翼材料发展简史-CompositesPlus

PAT机翼

飞机材料属于国家战略性新兴产业规划中的新材料产业的组成部分,是国民经济各产业的基础,有很强的通用性,材料产业市场的空间很大。除了机翼,可以说飞机的每个部件也都在不断创新、发展。

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