飞 机 复 合 材 料 及 应 用
【摘要】
本文重点讲述了复合材料的构成、种类、性能以及在飞机上的应用。复合材料是由两种或两种以上的原材料，通过各种工艺方法组合成的新材料。对于一个现代飞机来说复合材料的应用对减重﹑耐腐蚀和降低成本有着重要的作用。对飞机结构轻质化、小型化和高性能化起着至关重要的作用。复合材料结构特点和应用效果，在高性能战斗机实现隐身、超声速巡航、过失速飞行控制，前翼飞机先进气动布局的实际应用。 关键词： 复合材料
层合板
1概述
复合材料是由两种或两种以上的原材料，通过各种工艺方法组合成的新材料。它既可以保持原材料的某些特点，又具有原材料所不具备的新特征，并可根据需要进行设计,与单一均质材料相比它具有较多的优越性。复合材料飞机结构技术是以实现高结构效率和改善飞机气动弹性与隐身等综合性能为目标的高新技术,对飞机结构轻质化、小型化和高性能化起着至关重要的作用。复合材料结构特点和应用效果，在高性能战斗机实现隐身、超声速巡航、过失速飞行控制，前翼飞机先进气动布局的实际应用，以“飞翼”著称的B-2巨型轰炸机的隐身飞行，舰载攻击∕战斗机耐腐蚀性改善和轻质化，对于客机来说复合材料的应用对减重﹑耐腐蚀和降低成本有着重要作用，如波音777和空中客车A330∕A340上的应用，标志着飞机复合材料结构设计发展已经成熟。
我国从20世纪80年代开始，将复合材料应用技术研究列入重点发展领域。复合材料应用基本实现了从次承力构件到主承力构件的转变。复合材料的垂直安定面﹑水平尾翼、方向舵、前机身等构件已在多种型号飞机上使用，可以小批量生产。带整体油箱复合材料机翼等主承力结构已装机试飞成功。航空先进复合材料已进入实际应用阶段。
2 复合材料的探究 2.1 复合材料的构成
复合材料是由两种或两种以上材料独立物理相，通过复合工艺组合构成的新型材料。其中，连续相称为基体、分散相称为增强体，两相彼此之间有明显的界面。它既保留原组分材料的主要特点，并通过复合效应获得原组分材料所不具备的性能。通过材料设计可以使各组分材料的性能互相补充、彼此联系,从而获得优越性能。
3复合材料在飞机上的应用
3.1.1机翼采用复合材料结构是提高飞机结构效率，改善飞机气动弹性、飞行品质、控制特性的重要技术途径之一。美欧各国20世纪70年代中期以后研制的新型高性能战斗机均采用了复合材料机翼结构﹔前掠翼飞机的的试飞成功和飞翼隐身轰炸机的服役也充分说明了复合材料机翼的独特效能。
3.1.2机翼是飞机的主升力面。机翼连接在机身上，其主要功用是产生飞机飞行所需的升力。机翼及安装其上的副翼、襟翼、缝翼、扰流板、减速板等还为飞机提供横侧稳定性、操作性以及增升、增阻效能。机翼又可作为发动机、起落架等部件的安装固定基础。机翼内部空间还可利用来收藏起落架、装载燃料、武器设备、设备仪表等。内部空间小（薄翼型机翼）或不够用时，副油箱和武器装备（火箭、导弹等）只好挂在机翼外面,成为机翼的外挂物。因此，机翼结构是飞机的主承力结构，承受多种高载荷，翼面外形复杂，设计有许多特点。
3.1.3机翼结构设计要求
机翼主承力结构的功用、承受多种高载荷和复杂外形特征等因素，决定机翼结构设计除应满足前面已列出的对飞机结构设计的基本要求外，主要设计要求有：
（1）保证机翼外形准确、表面光滑；机翼的外形参数和翼型是在飞机总设计阶段确定的，关系到飞机的飞行特性，机翼结构设计必须首先予以保证； （2）一般情况下，翼面（外翼和中翼）按刚度（气动弹性）要求设计，机翼根部按强度要求设计；翼面刚度不足，不仅影响机翼的气动特性和载荷分布，而且还会引起颤振、操纵面反效等气动弹性问题。因此，翼面设计多数按照刚度要求设计。同时，满足稳定性要求。机翼根部与机身的连接区载荷集中传递，又有起落架收藏大开口，形成高应力区，需按强度要求设计； （3）在满足刚度、强度条件下，还要满足寿命要求； （4）考虑武器发射动载荷响应和起落架着陆撞击载荷影响； (5) 整体油箱设计满足密封、防静电、防雷击等要求；
（6）对所有检查维护的部位都应有良好的可达性。为此，必须在机翼上设置一定数量的开口；机翼内部敷设的操纵系统零构件，燃油管路、电气线路、液压管路等需要经常检查调整；整体油箱要检查维护保证密封可靠；再有，按破损安全原则设计的机翼，对影响飞行安全的结构需定期检查； （7）良好的使用维护性和可修理性；
3.1.4复合材料机翼特点
复合材料机翼结构形式，大体分成3种情况；
（1）复合材料蒙皮壁板机械连接在由金属梁和翼肋等构成的骨架上，形成翼盒；
（2）复合材料蒙皮壁板、复合材料辅梁和翼肋与金属主翼梁机械连接在一起形成翼盒；
（3）下翼面复合材料蒙皮与辅梁共固化成形，上翼面复合材料蒙皮单独成形，在与金属主翼梁机械连接组成翼盒；
（4）采用机械连接的目的在于拆卸方便，易检查维修
3.1.5 复合材料机翼结构设计要点
复合材料机翼结构设计要点如下：
(1) 机翼结构总体布局，建议优先采用多墙结构； (2) 翼面气动弹性剪裁设计与综合优化设计； (3) 大型整体翼面壁板，设计/工艺一体化；
(4) 翼梁设计翼梁剖面形式选择、结构形式、工艺方法； (5) 主承力接头设计； (6) 油箱设计；
3.2.整体油箱的设计
机翼整体油箱是机翼结构中参与机翼整体总受力的相对独立的密封多闭室结构；是集中结构承载功能与油箱功用为一体，同时满足结构设计要求和油箱设计要求的机翼盒段。
复合材料机翼整体油箱设计同样包括结构设计和油箱设计两大主要方面的要求。
3.2.1复合材料油箱设计要求
复合材料油箱设计要求与金属材料油箱相比，由于复合材料与金属材料在导电性和成形工艺的显著差异，使复合材料油箱密封、静电防护和雷击防护显得十分重要。
3.2.2 油箱密封设计
（1）油箱密封设计要求；
机翼整体油箱应在滑行、爬升、航行、着陆等各种载荷状态下和由内部充压引起的重复载荷下，在规范的期限内（战斗机一般为2000h。此期限不包括分散系数）不应因发生漏油而影响使用。 （2）复合材料油箱密封设计一般原则；
①整体油箱部位使用的层合板，其孔隙率应不大于1%，以保证不渗漏油。 ②尽量采用共固化整体成形构件，可明显缩短密封的总长度。
③油箱周边零构件应避免分段和采用装配式加强件。周边零构件的弯边应朝向非密封区一侧。
④应保证密封处有足够的刚度，以减少密封在外载荷作用下的相对变形，避免产生不利于密封的变形。
⑤密封区机械连接紧固件的直径应不小于连接外层合板总厚度，其间距和排距确定必须考虑密封要求。密封处耳片螺栓连接正确位置精心设计。
3.3 机身结构设计 3.3.1 机身的功用
机身是飞机的躯干，机翼、尾翼、起落架、发动机等部件均固定其上，互相连在一起成为完整的一架飞机。同时，机身又是飞机装载的主体，设备舱、空勤人员、客舱、油箱、武器舱、货舱均安排在机身上，因此，机身是整架飞机载荷协调的基础，是带多舱门、口盖的主承力结构。
3.3.2机身结构设计要求
机身的功用决定了机身结构设计结构设计要求，应侧重考虑一下几点： (1) 机身结构形式选择与主要受力构件的布置，既能承受各装载物的质量力，又应与各相连部件的受力构件载荷传递相协调。
(2) 机身结构应有足够的强度和刚度，以保证相连各部件正常工作。 (3) 机身应有足够的开敞性（多舱门和舱盖），以便安装设备和武器、空勤人员与乘客进出，以及维护修理。
(4) 前机身、中机身、后机身三段功能任务不同，设计要求、重点亦有区别。以战斗机为例: 前机身有机头罩、电子设备舱、前油箱等组成。结构按刚度要求设计，外形按隐身和气动要求确定。电子设备舱应有良好的电磁兼容性。
中机身是全机的主承力部位。机翼与机身在此对接连接；下部左右两侧主起落架，中间装发动机，上部还装有减速板；内部装管路、油箱弹舱等并挂有导弹、副油箱等多种外挂物，因此结构协调与载荷平衡十分突出。高性能战斗机要求中机身为机翼/机身融合结构，要求用S进气道满足隐身要求。
后机身是尾翼连接固定的基础，并且受到发动机尾喷气流加热影响，要求结构有足够的刚度以保证尾翼的效能，并且不发生震动或颤振问题。
(5) 机身油箱设计要求与机翼油箱设计基本上相同。由于机身是细长的半硬壳式结构，其刚度低于机翼盒式结构，并且机身油箱是在进气道和发动机的振 动环境中工作，若燃油渗漏易引起飞机起火，因此机身邮箱的密封要求更高，并要进行复杂环境下的密封性考核。
3.3.3 复合材料前机身结构设计原则
复合材料前机身结构设计遵循下列原则: （1）结构按刚度设计。在舱门、口盖全部打开、单侧满载情况下，结构扭转刚度为严重载荷情况；结构多采用上、下壁承扭闭室、纵梁、纵墙的Ⅰ形结构布局；多口盖是内部可达性好。
（2）上下壁按共固化整体成形设计成可承扭闭室，以提高抗扭刚度、减轻结构重量。
（3）口框设计利用梁、框作为口框边框以减少框补强增重；口框边缘采取包边等措施以防止边缘分层。
（4）舱门、口盖采用蜂窝夹层结构，共固化成形；碳纤维/芳纶混杂面板可提高抗冲击损伤能力；采用热塑性树脂基体制造口盖不仅可以提高抗冲击损伤能力，而且便于修理。
（5）结构连接尽量避免使用铆钉；口盖连接应采用快卸锁，并应防止孔壁磨损；满足蜂窝夹层结构连接要求，防止连接件电偶腐蚀。 （6）电性能满足防雷击、防静电和电磁兼容要求。 （7）座舱强度满足座舱内压要求。 （8）良好的损伤维修性。
参考文献
[1]: 杨乃宾．高损伤容限低成本复合材料结构技术发展.航空制造工程，国防工业出版社，1997年4月。
[2]: 张凤翻.飞机用树脂基复合材料基体的进展航空制造工程，1991年11月。
[3]：沈真主编，复合材料飞机结构耐久性/损伤容限设计指南，北京:航空工业出版社，1995年7月
[4]：沈真.主编复合材料结构设计手册.北京:航空工业出版社，2001年5月。
