飞机结构系列收官:从蒙布骨架到碳纤维复合材料,成本仍是未解难题

航空航天分析师 Bjorn Fehrm 以一篇总结其主要经验的文章，结束了这个长达五个月、共 22 篇的飞机结构系列。早期的滑翔机和动力飞机采用蒙布的骨架结构，这种方法一直沿用到第一次世界大战期间，并延续到第二次世界大战前夕。随后，高强度硬铝使得蒙皮可以得到加强，并能承受气动载荷、发动机载荷及其他载荷。

设计于战前不久的 Hawker Hurricane 将带支撑的骨架机身和机翼与受力蒙皮前缘结合在一起，其机翼随着每个型号的改进而逐步采用更多的受力蒙皮。全受力蒙皮硬铝结构的 Supermarine Spitfire 服役时间更长，因为更强的结构能够容纳到战争末期功率超过 2,000 马力的发动机；这两种飞机最初使用的都是功率不足 1,000 马力的 Rolls-Royce Merlin 发动机。设计于 20 世纪 30 年代、采用 Alclad 2024-T3 硬铝的 Douglas DC-3，被视为受力蒙皮飞机的标准范例。

战时铜的短缺促使工程师转向锌基合金，即如今的 7000 系列，这种合金强度更高，但存在隐蔽的应力腐蚀问题，导致 20 世纪 40 年代末和 50 年代初出现机翼从飞机上脱落的事故。增压客舱使飞机能够在更高的高度巡航，但也带来了金属疲劳问题，因为铝制机身在每次飞行中都要经受应力循环。20 世纪 50 年代中期，首款商用喷气客机 De Havilland Comet 接连坠毁，调查发现其机体的疲劳寿命只有估算和测试寿命的约十分之一。

为寻找疲劳特性更好的材料，人们转向了复合材料，即以纤维增强的聚合物基体。环氧树脂一直是主流基体。它与玻璃纤维结合，至今仍用于雷达罩和机翼整流罩等受力适中的结构；与芳纶（Kevlar）纤维结合，则形成一种坚韧的复合材料，用于发动机短舱风扇机匣周围，以防范风扇叶片飞出。自 20 世纪 80 年代以来，碳纤维增强环氧树脂一直占据主导地位，客机的复合材料占比从 Airbus A330 和 Boeing 777 一代的 10% 至 20%，提高到后续机型的 50%。

碳纤维环氧树脂复合材料在强度、耐久性、耐腐蚀性和疲劳寿命方面均符合预期，没有出现像锌基铝合金的腐蚀疲劳敏感性那样的未知问题。令人失望的是成本：787 和 A350 的复合材料结构，生产成本显著高于铝制结构，而不是原先期望的小幅增加。降低成本的努力包括 Airbus 的 Wing of Tomorrow 和 MFFD 项目，以及 Boeing 与 NASA 的 HICAM 项目。就机身而言，希望很大程度上寄托于 PAEK 系列热塑性基体，但其价格更为昂贵。