航空材料是制造飞行器、航空发动机及其附件、仪表及随机设备等所用材料的总称,通常包括金属材料(结构钢、不锈钢、高温合金、有色金属及合金等)、有机高分子材料(橡胶、塑料、透明材料、涂料等)和复合材料等。
早期的飞机结构并不复杂,再加上设计者通常资金不足,材料选用的都是木头、绳索、布料之类。20世纪30年代,随着工业革命的推进以及战争对于飞机性能的要求,逐渐演变成全金属结构,材料通常选用钢与铝合金、镁合金。二战后,喷气式发动机的出现使得飞机飞行速度突破“音障”成为可能。随之而来的问题是普通的铝镁合金无法承受与空气急剧摩擦而产生的高温,钛合金作为耐热合金登上历史舞台,它还具有密度小、刚度大的特性。在科学技术迅猛发展的今天,飞机正朝着超高速、隐身、智能的等方向发展,对航空材料提出了越来越高的要求;同时,航空材料也随着科学技术的进步而逐渐发展,新材料新工艺不断涌现,为航空事业的发展提供了物质保障。
新型航空材料及先进工艺发展很快,如高强度铝合金、钛合金、高温合金、超高强度钢、复合材料、隐身材料及定向共晶叶片技术、定向凝固叶片技术、粉末高温合金属轮盘制造技术等,为第四代、第五代飞机的发展提供了物质保障。航空发展史证明,航空材料的每次重大突破,都会促进航空技术产生飞跃式的发展。航空材料不仅是航空事业发展的物质基础,也是航空事业发展的技术支撑。
飞机的种类非常之多,对于不同种类的飞机,有着不同的飞机结构。固定翼飞机的机体结构通常包括机翼、机身、尾翼、起落架。如果飞机的发动机不在机身内,则发动机短舱也属于机体结构的一部分。机翼是为飞机提供升力的主要部件,同时也是飞机区别于其他交通工具最主要的特征。正因如此,机翼结构也有着很高的特殊性。图1是机翼特殊结构的示意图。
图1 机翼结构示意图
机翼的外表面部分是蒙皮,它的作用是维持机翼外形及承受并传递气动载荷。在蒙皮的内部,安装了很多承力构件,沿着纵向的主要有翼梁、纵墙和桁条,沿着横向的是翼肋,翼肋主要有普通翼肋和加强翼肋两种。合理设置的翼型形状可以使得空气在流经下翼面时的速度小于流经上翼面的,使得机翼产生一个向上的升力。因此,为提升飞机的飞行性能,不仅要选用合适的翼型,而且要在保证强度的同时尽可能地选取更轻的材料。
机身一般为飞机、直升机等飞行器的主体,用以装载人员、货物、武器和设备等。机身与机翼(如前翼、主翼和尾翼)等部件相连接,甚至在一些飞机上,发动机及起落架等部件也需通过挂架与机身相连。机身也对控制飞行姿态、保持飞行的稳定性及可控性有一定贡献,与机身连接的尾翼通常包括垂直尾翼和水平尾翼两部分,是用来平衡、稳定和操纵飞机飞行姿态的部件。
图2 机身结构示意图
当然,除了上述结构以外,飞机还有很多不同于其他交通工具的内部构件。随着科技的发展,时代的进步,未来的飞机肯定会采用性能更优越的材料,同时也将具备更优化的结构。