航空航天复合材料结构设计要求的比较
复合材料是指由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料,它既能保留原有组分材料的主要特色,又通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联与协同,从而获得原组分材料无法比拟的优越性能, 复合化是当代材料技术发展的重要趋势之一，而大量采用高性能复合材料是航空航天飞行器发展的重要方向。航空航天追求性能第一的特点,使其成为先进复合材料技术的率先实验和转化的战场,航空航天工业的发展和需求推动了先进复合材料的发展,而先进复合材料的发展和应用又促进了航空航天的进步。先进复合材料继铝、钢、钛之后,迅速发展成四大结构材料之一,其用量成为航空航天结构的先 进性标志之一。将先进复合材料用于航空航天结构上可相应减重20%~30%,这是其他先进技术很难达到的效果。美国NASA的Langley研究中心在航空航天用先进复合材料发展报告中指出,各种先进技术的应用可以使亚音速运输机获得51%的减重(相对于起飞重量)效益,其中,气动设计与优化技术减重4·6%,复合材料机翼机身和气动剪裁技术减重24·3%,发动机系统和热结构设计减重13.1%,先进导航与飞行控制系统减重9%,说明了先进复合材料的应用减重最明显。这不仅带来相当大的经济效益,而且可以增加装备的机动性,还可以提高其抗疲劳、耐腐蚀性能。
由于航天与航空的使用环境和应用范围存在区别，因而造成复合材料在航空飞行器与航天飞行器上使用的设计要求也有很多不同之处。而且由于任务目标和使用环境差异，飞机结构的要求不能直接作为空间飞行器的结构设计要求。空间飞行器的飞行环境和承受的载荷很特殊，并且几乎没有可能再去检查和维修航天器的结构或在其任务条件下验证其结构的性能。因此，空间飞行器复合结构设计必须比飞机复合材料结构设计更加稳定可靠。虽然如此，飞机行业的复合材料结构设计方面的经验仍然可以为航天器的复合材料结构设计提供一定的参考和借鉴。
航空和航天复合材料结构设计要求具体在哪些方面存在差异呢？
第一点是两者的生成规模差别很大。航空产品通常进行大规模生产，不仅整机生产数量多，而且因为需要维修等等，这样更换损坏的零件同样数量巨大；而航天产品则大多生产较少。因此在结构设计时，航空产品对结构设计时需要对加工工艺等配套设施进行细致的考虑，以达到成本、周期。效益的均衡，而航天结构设计则大多不需要考虑。同时生产数量的差异也使后续的设计工作产生了很大不同。
第二点是初始设计要求。飞机工业需要通过测试数量庞大的样本总结设计出一套模块建立的方法。但航天器的生产数量很有限，因此用于航空专业的样本采集到模块建立的方法，要想应用于航天器，从成本和进度的角度来看，是不切实际的。
第三点是强度要求。在航空和航天器中，对于强度的要求二者是一致的，但因工作环境不同存在一定的区别。航空和航天器复合材料的设计，都应首先满足强度要求，并考虑周围环境带来的影响，比如航空器的压强、温度、湿度，航天器的真空环境、高温等。强度许用值的生成通常是在不同环境下进行单轴测试实验而产生。
第四点是安全因素的考虑。在航空器中复合材料的结构设计对于安全性的要求要比航天器更加严格。一般而言，航空工业拥有一个严格一致的标准体系来审核。比如民航的适航认证体系。因为，对于航空器一般要求具有很长的寿命和起降次数，军用飞机大致也是这样。而对于航天器，大多数是执行一次性任务，甚至仅仅是保证发射成功即可。即便是载人的航天飞机，使用次数也不超过十几次。在这种使用次数的差别下，直接决定了结构设计的差别。相应的复合材料结构设计要求自然也会不同。因此，航空中的复合材料结构需要考虑承载件的疲劳强度、寿命问题；而航天中的大部分设计都不需要很高的疲劳强度。
第五点是环境差异。工作环境的不同不仅影响了设计要求还间接使得性能测试具有很大的不同。航空器的使用环境是大气层内，而航天器不仅需要在大气层内飞行还需要承受外太空的巨大温差和恶劣的辐射环境等问题。比如陶瓷基复合材料一般会应用于航天器上，保证能承受极高的温度。两者对于结构性能进行测试的方式也有很大区别。航空产品可以进过长时间的经验积累和技术达到很高的测试结果，而航天产品因为具体因任务不同而型号不同，改变很快，运用的大多是新技术，没有可靠地经验数据，这对于复合材料结构设计者来说增加了很大的难度，需要考虑特殊的测试方式。 第六点是损伤容限。航空航天器复合材料结构设计遵循着类似的要求，如在发射前的发射载荷和其他损伤或缺陷的要求，航空航天器都是类似的。但大多数航天器着陆后都没有在起飞的机会，因此航空飞行器和航天器的损伤容限要求很不相同，只是在容许破坏的限制上有类似之处。
除以上所说，航空航天领域对复合材料带来的收益侧重点有所不同。航空领域的材料体系更强调性能与可靠性的综合,先进复合材料的应用不仅具有减重的效益,而且还使飞机结构的其他性能得到提升。例如复合材料的气动剪裁技术可显著提高结构效率;整体成形技术可有效减少连接,提高结构可靠性,降低成本;复合材料耐腐蚀抗疲劳特点可降低维护成本。而航天设计方面则更多的侧重于防热防腐蚀等极端环境下复合材料的优异性能。
以上就是我对航空航天复合材料结构设计要求的理解。
