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航空航天复合材料优势和未来展望

航空航天复合材料优势和未来展望

对于比空气重的机器而言,重量就是一切,自从人类第一次上飞机以来,设计师们一直在努力提高升重比。复合材料在减轻重量方面发挥了重要作用,目前主要使用三种类型:碳纤维、玻璃和芳纶增强环氧树脂。还有其他的,例如硼增强(本身是在钨芯上形成的复合材料)。

自 1987 年以来,复合材料在航空航天领域的使用量每五年翻一番,并且定期出现新的复合材料。

用途

复合材料用途广泛,可用于所有飞机和航天器的结构应用和部件,从热气球吊舱和滑翔机到客机、战斗机和航天飞机。应用范围从完整的飞机(如 Beech Starship)到机翼组件​​、直升机旋翼叶片、螺旋桨、座椅和仪表外壳。

这些类型具有不同的机械性能,并用于飞机制造的不同领域。例如,碳纤维具有独特的疲劳性能并且很脆,正如劳斯莱斯在 1960 年代发现的那样,当时带有碳纤维压缩机叶片的创新 RB211 喷气发动机因鸟击而发生灾难性故障。

虽然铝制机翼具有已知的金属疲劳寿命,但碳纤维的可预测性要低得多(但每天都在显着改善),但硼效果很好(例如在高级战术战斗机的机翼中)。芳纶纤维('Kevlar' 是杜邦公司拥有的知名专有品牌)广泛用于蜂窝板形式,用于构造非常坚硬、非常轻的舱壁、油箱和地板。它们还用于前缘和后缘机翼部件。

在一项实验计划中,波音公司成功地使用 1,500 个复合材料部件替换了直升机中的 11,000 个金属部件。在商业和休闲航空中,使用复合材料部件代替金属作为维护周期的一部分正在迅速增长。

总体而言,碳纤维是航空航天应用中应用最广泛的复合纤维。

优点

我们已经谈到了一些,比如性能,但这里有一个完整的列表:

  • 减轻重量 - 经常引用 20%-50% 范围内的节省。
  • 使用自动铺层机械和滚塑工艺可以轻松组装复杂的组件。
  • 单体壳(“单壳”)模制结构以更轻的重量提供更高的强度。
  • 机械性能可以通过“叠层”设计进行定制,增强布的厚度和布的方向逐渐变细。
  • 复合材料的热稳定性意味着它们不会随着温度的变化而过度膨胀/收缩(例如,在几分钟内从 90°F 的跑道到 35,000 英尺的 -67°F)。
  • 高抗冲击性——凯夫拉(芳纶)装甲也可以保护飞机——例如,减少对承载发动机控制装置和燃油管路的发动机挂架的意外损坏。
  • 高损伤容限提高了事故的生存能力。
  • 避免了两种不同金属接触时(特别是在潮湿的海洋环境中)会发生的“电”腐蚀问题。(这里非导电玻璃纤维起作用。)
  • 几乎消除了组合疲劳/腐蚀问题。

未来展望

随着燃料成本和环境游说的不断增加,商业飞行面临着提高性能的持续压力,而减轻重量是等式中的一个关键因素。

除了日常运营成本之外,飞机维护计划还可以通过减少部件数量和减少腐蚀来简化。飞机制造业务的竞争性质确保尽可能探索和利用任何降低运营成本的机会。

军事领域也存在竞争,不断面临增加有效载荷和航程、飞行性能特性和“生存能力”的压力,不仅是飞机,导弹也是如此。

复合材料技术不断进步,玄武岩和碳纳米管形式等新型材料的出现肯定会加速和扩展复合材料的使用。

在航空航天领域,复合材料将继续存在。

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