飞机的发展史

飞机的发展史

20世纪初，美国莱特兄弟经过上千次的实验，终于在1903年制成了人类历史上的第一架飞机。而这架飞机当时所用的材料是木材和帆布，飞行速度也只有每小时16公里。直到1911年，铝合金研制成功，并很快取代了木材和帆布，到第一次世界大战期间，全金属的飞机已经很普遍了。从木布结构过渡到金属结构，飞机的性能和速度获得了一次飞跃。1939年螺旋桨飞机创造的最高时速已达755公里，仅36年的时间，飞行速度提高了47倍。

但飞机的速度一直未能超过声速，音障的问题日益突出。人们经过研究发现：空气具有压缩性，而螺旋桨飞机在高速飞行时，由于压缩空气的影响，机翼或其他部位的表面会出现“激波”，造成动力下降、阻力增加，阻碍了飞行速度的提高。喷气式飞机则弥补了这一缺陷。但初期的喷气式飞机并没有超过音速。因为喷气发动机的进口温度很高，需要耐高温的合金材料，而英国研制出的镍基合金只能承受700℃，使发动机推力和飞行速度受到影响。到了50年代，高温合金有了进一步发展，已经能够制造耐800℃以上的高温合金，再加上采用了后掠角更大的机翼和其他减少阻力的措施，终于研制出一种飞行速度超过音速的喷气式飞机，突破了以前不可逾越的“音障”。

然而，这场飞机的革命并没有就此停止。在提高飞行速度的征途上，又出现了新的问题。当飞机以超音速飞行时，由于机身与空气的强烈摩擦，飞机表面温度急剧升高。飞行速度越快，摩擦发热越多，表面温度也愈高。以飞机在同温层边界飞行（那里的温度是－56℃）为例，当飞行速度等于音速时，飞机的表面温度为－18℃；2倍音速时，温度为98℃；当达到3倍音速时，飞机表面温度会升至300℃。从铝合金的耐热性来讲，当飞机速度达到2倍音速时，铝的强度会显著降低；3倍音速时，就会发生空中解体。因此，必须有一种又轻、又韧、又耐高温的材料来代替铝合金，而钛合金正好符合这种要求。钛合金的最高工作温度可达550℃。

飞机的出现，至今不过100年的历史，因此还有很多要求完善的空间。安全、迅速、舒适和经济一直以来都是飞机制造追求的目标。与20世纪60年代的波音727相比，80年代制造成功的新一代中短程飞机波音757和波音767，在燃油消耗上已经降低了35%。但随着石油价格的持续上涨，各航空公司也都积极地寻找新材料，来为飞机减重，以降低耗油。

波音757是一种窄机身短程旅客机，载客190人；波音767是一种半宽机身中程旅客机，载客250人。新飞机的机身和机翼上，大量使用了改进的铝合金和复合材料。水平尾翼和垂直尾翼由于采用聚芳酚胺（凯芙拉）纤维和碳纤维复合材料，使重量比用铝减少了20%～40%。波音767飞机上有24个零部件共使用了3吨碳纤维与凯芙拉—49混纤复合材料，比早期采用的玻璃纤维—环氧复合材料还要轻。波音767还是第一种使用铝合金主起落架梁的民用飞机，而波音757飞机由于空间的限制，选用了钛合金主起落架。此外，两种飞机都增加了超高强度钢的品种和用量。

这样一来，一架波音767飞机由于采用复合材料减重450公斤，采用超高强度钢减重900公斤，采用改进铝合金减重363公斤，三项总计共1．7吨。据统计，飞机结构如减轻1公斤，每年可节省燃料2900公斤，可见其经济效益有多大。波音公司已在20世纪90年代的波音旅客机上，进一步扩大使用了复合材料。据称，除发动机和起落架外，大部分结构材料都能采用碳纤维和聚芳酚胺纤维，那么这架乘坐250人的飞机可减轻重量6吨！

航空发动机的改进是从两个方面进行的，一是更多地使用比重小的钛合金和复合材料，以减轻自重；二是更多地使用工作温度高的新型高温合金，以加大推力和提高热效率。1982年波音767飞机的发动机上开始使用单晶涡轮叶片。单晶合金的强度、疲劳寿命、耐腐蚀性和抗氧化性都比普通合金高，使整个热效应提高30%。

至于高超音速的航天飞机，其表面温度可达到1000℃以上，这时任何合金都无能为力了，只有采用特种复合陶瓷材料才行。

1981年4月12日，美国“哥伦比亚”号航天飞机发射成功，引起了世界的瞩目。航天飞机机身长37．2米，翼展23．8米，重量为68．8吨，大大超过了1969年登月的“阿波罗”飞船。它的主发动机使用液氢和液氧作燃料，加上外部燃料箱和两台固体燃料助飞火箭，发射时的全长达56米，实际重量2020吨。

航天飞机的技术相当复杂，涉及了空气动力学、气动加热、设计、制造、试验和计算机控制等方面。与火箭相比较，航天飞机有关键的两个要求：重返大气层的热防护和长寿命火箭发动机。机身防热材料要求重复使用100次，火箭发动机要求连续飞行55次无大修。对于习惯于一次使用观念的火箭设计师，无疑是一次重大的考验。

航天飞机的特殊性能又对材料提出了更苛刻的要求。在航天飞机执行完空间考察任务后，由120公里轨道再入大气层时，表面最高温度可达1500℃。根据不同部位的工作条件，航天飞机使用四种防热材料：头锥和机翼前缘受气动摩擦最大，温度最高，超过1260℃，使用表面涂硅的碳—碳复合材料。这是一种以热分解石墨纤维布作为增强剂、碳化树脂为基体的复合材料，工作温度居复合材料的第一位，是高温结构和热防护的理想材料；机身和机翼下表面需耐热650℃～1260℃，由2．4万多片高温陶瓷瓦组成；机身侧面和机翼上表面耐热370℃～650℃，由7000多片低温陶瓷瓦组成；货舱门、尾段、机身等部分温度不超过398℃，防热较为容易，采用聚芳酰胺纤维制造的毡瓦，是一种柔性重复使用材料。

防热陶瓷瓦的防护面积占全机面积的70%，是航天飞机热防护系统的主要组成；由直径1．5微米、纯度99．7%的氧化硅短纤维加入胶状氧化硅热压制成。

陶瓷瓦的特点是重量轻（密度0．14克／厘米3）、耐热性和隔热性好。缺点是具有一定的脆性，并且根据不同的位置来变化形状和厚度，所以粘贴技术相当复杂，全靠人工来一片片粘贴。美国第一架航天飞机“哥伦比亚号”原订1979年11月上天，可是后来多次延期，都是因为防热陶瓷瓦出的毛病。原来临发射前在地面试车时，贴在航天飞机机体上的陶瓷瓦在538℃～649℃已大片剥落。官员们大吃一惊，紧急召集了一个五人专家小组商讨对策。经过扫描电子显微镜观察后发现，这些剥落的陶瓷瓦中的纤维分布不均匀，导致了传热不良、局部过热。后来在一名美籍华裔科学家的建议下，提高了陶瓷纤维喷硼化硅后的凝固速度，使纤维排列的均匀性不受干扰，才解决了问题。航天飞机第一次飞行结束，经检查机表面各部分的温度未超过计算值，令人担心的陶瓷瓦损坏意外地少，仅剥落700片左右，加上厚度减少需更换者，仅1300余片，占陶瓷瓦总数的4．5%，基本上满足了设计要求。

1982年7月发射的“挑战者号”航天飞机的部分防热陶瓷瓦改用80%氧化硅纤维和20%含硼纤维混合制成的陶瓷瓦代替，效果更好，今后航天飞机的热防护系统仍是有待改进的项目之一。

关于航天飞机发动机所用材料不多，已知高压氧涡轮泵和高压氢涡轮泵采用的叶片，都是用最新的高铬—钴—钨镍基高温合金MarM246，按定向凝固精密铸造工艺制成，提高了抗热冲击性能。航天飞机主发动机的导向叶片，也采用MarM246合金，由更先进的单晶精密铸造工艺制成，这种导向叶片是空心的，用液态氢进行冷却，更进一步提高了抗热冲击性能，从而保证了发动机低重量、长寿命的要求。

航天飞机的研制成功，是人类征服太空的又一次胜利，也显示出在现代技术革命中材料举足轻重的地位。