从木材到复合材料：多年来飞机材料发生了怎样的变化？

1903年，莱特兄弟制造的世界上第一架飞机“飞行者一号”迈出了人类征服天空的第一步，彼时的飞机机体主要由木材、电线和织物制成。从那时起，飞机结构材料就一直在不断取得进展。

莱特兄弟的木质飞机

1903年，莱特兄弟在木质飞机的制造上投入了大量精力。他们使用云杉木制作机翼的直线部分，例如翼梁。白蜡木用于制作机翼的曲面，包括机翼肋骨。木制框架上覆盖着一层细织棉布，并用石蜡帆布漆密封。机身上的金属配件由钢制成。

机翼上下翼板均使用平纹细布。机翼前缘用编织线缝制以固定电线。翼肋在多个位置伸出以绑在电线上。多个部分以斜纹方式缝合在一起，以形成必要的“全”或“部分”接缝。

为了给飞机提供动力，设计了一台轻型12马力汽油发动机。该发动机重约82千克，配有一个3.78升的油箱。发动机的核心部件采用坚硬的铝铁框架，并配有铸铁活塞和链轮链条传动装置。发动机的其他部件均由钢和铸铁制成，但火花塞除外，火花塞含有铂金。

20世纪20年代至30年代 向金属过渡

随着人们期望越来越高，飞机需要更耐用、更轻。随着速度的增加，连接处的应力变得非常大，木制飞机可能会像纸浆一样碎裂。1915年，德国飞机设计师Hugo Junkers制造了世界上第一架全金属飞机：J-1单翼飞机。然而钢铁虽然能让飞机坚固耐用，但是笨重且操作迟缓。

采用铝制成的福特三发飞机

于是，航空业的先驱将目光转向了铝。事实证明，铝是一种非常合适的材料，它耐用、轻便，而且相对便宜。1928年，第一架福特三发飞机采用铝制成。此后，更多完全由铝制成的圆形机身开始出现。机翼由左、右和中段组成，使用各种金属制造并用螺栓固定在一起。

1935年，全金属飞机道格拉斯DC-3推出。该型号速度快、可靠、易于维护且乘客感觉舒适。如今，DC-3仍然在货运运输中发挥着重要作用，充分证明了全金属飞机的耐用性。

20世纪50年代 钛金属登上历史舞台

随着高速喷气式飞机在20世纪中叶的出现，航空工程师开始将目光投向钢铁和铝以外的领域。20世纪50年代，钛金属因其强度密度比和抗腐蚀、抗疲劳和耐高温等特性而成为一种颇具吸引力的材料。

SR-71“黑鸟”

20世纪50年代初开始，钛金属开始广泛应用于军用航空，最著名的早期应用是洛克希德SR-71“黑鸟”战略侦察机。“黑鸟”的设计目标是在高空以三倍声速飞行。由此产生的高表面温度使得铝无法被采用，而轻量化的需求也使得钢材不再被考虑。钛合金作为其他金属合金的替代品应运而生，它能够保持硬度和强度，并在高温下避免蠕变。钛合金还被发现具有极佳的抗腐蚀和抗疲劳性能。它的重量约为钢的66%，但机械性能却与钢相当。

20世纪60年代，钛合金在商用航空领域得到广泛应用。如果没有钛合金，“协和式”飞机就不可能问世。在航空领域，减重、空间限制和运行温度都是选择钛合金的考虑因素。

20世纪70年代至80年代 碳纤维兴起

玻璃纤维增强塑料即玻璃纤维，是第一种用于飞机的轻质复合材料。

AS350“松鼠”直升机

它最初在20世纪40年代用于整流罩、机头和驾驶舱，并且在20世纪60年代用于早期直升机的旋翼叶片。1975年，AS350“松鼠”直升机的主旋翼头采用玻璃纤维复合材料制成，通过高度一体化的设计大大减少了零件数量。 然而，由于刚度较低，因此在运输飞机的承重主结构中的应用有限。

20世纪90年代至今 复合材料成为主流

从那时起，碳纤维复合材料变得越来越普遍，制造技术的进步使得生产更大、更复杂的零件成为可能。

陶瓷基复合材料（CMC）是另一种含有碳化硅纤维的复合材料，比传统合金材料更轻，且更耐热。这使得采用陶瓷基复合材料制造的发动机能够在更高的温度下运行，同时减少冷却空气的消耗。2016年投入使用的CFM国际LEAP发动机是首款在发动机热段采用陶瓷基复合材料部件的发动机，其燃油效率比上一代CFM56提高了15%至20%。

如今，大多数新型飞机都采用各种复合材料制造。波音787飞机和空客A350-XWB飞机超过50%的结构都采用了复合材料。在现代飞机上使用轻质材料将飞机总重量减轻高达25%，有助于降低净燃油消耗。

建造中的波音787飞机

然而，金属也并未被淘汰：A350-XWB仍然有一些由钢和钛制成的部件，而近20%的部件则由铝锂合金制成。这种先进的合金利用世界上最轻的金属锂来减轻铝的重量，同时提高其强度、韧性、耐腐蚀性和成形特性。

未来发展

总体而言，材料已从较弱和较重转变为如今的高强度和轻量化。这带来了安全性、燃油效率和飞机性能的提升。但航空业认为还有更多的进步空间。目前，波音和空客正在探索热塑性复合材料，计划在未来的飞机生产中采用更轻的塑料材料，以提高产量并降低成本。两家制造商都计划将下一代主力喷气式飞机的产量提高到每月100架左右。

热塑性塑料比传统的热固性复合材料和铝材更具优势，因为它们易于重新加热、重塑，并可使用超声波焊接等技术进行焊接。此外，热塑性塑料具有更快的组装速度、更低的能耗和更轻的结构，这些因素对于波音和空客满足不断增长的全球需求并突破供应链瓶颈至关重要。

空客推出的新型热塑性飞机机身设计

以空客的多功能机身演示器（MFFD）为例，该演示器使用碳纤维增强热塑性聚合物复合材料（CFRTP）替代碳纤维增强塑料（CFRP），以合理的成本实现了减重目标，并证明了更高的制造效率。与其他材料相比，CFRTP也更易于重复使用和回收。

从莱特飞行器到更现代的飞机，航空业随着时间的推移使用了不同的材料，不断拓展该领域的可能性。