圖 1 戰斗機的各主要重量系數隨年代的變化情況 [1] Fig11 Change of weight distribution with time for a fighter aircraft[1 ]
目前戰斗機的結構重量已降低到飛機總重的
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30 %以下。而飛機的性能卻不斷提高 ,這樣對飛機結構設計工程師提出了巨大的挑戰。“為減輕每一克結構重量而奮斗”不僅是口號 ,而且成為每個飛機設計師必須遵守的準則。
據介紹 ,為減輕蘇 27戰斗機的結構重量 ,飛機采用 90 %的載荷進行設計 ,采用 100 %的載荷進行強度試研 ,這樣結構出現提前破壞。然后 ,對破壞結構進行增強 ,繼續試驗。這樣反復試驗、修補 ,直到試驗飛機無法繼續進行修補的情況下 ,重新按照修補的情況制造一架新的靜力試驗飛機 ,
為期 10年的 F235項目增撥 50億美元 ,并使其交付時間延長 1年 ,以達到減重的目標 ,這說明了減輕飛機結構重量對研制高性能飛機的重要性。前蘇聯、美國政府和設計師對減輕結構重量付出了巨大努力。
在民用飛機研制上 ,當前正在研制的最新客機 A350和波音 787飛機為減輕結構重量 ,也采取的一系列新技術和新材料 ,特別是大量采用復合材料結構。
2 飛機總體對結構設計的要求和結構發展動向
對于民用飛機結構設計的目標是滿足飛機總體設計要求的基礎上 ,實現結構重量最輕。飛機總體對結構設計有如下要求 :①能滿足靜強度要求 ,即能承受飛機各種飛行和地面的設計載荷 ;②能滿足飛機使用壽命要求 ;③能滿足振動和噪聲要求 ;④能滿足氣動力對飛機結構的要求 ;⑤能滿足飛機氣動彈性要求 ;⑥能滿足安全性和適航的要求 ;⑦能滿足飛機舒適性的要求 ;⑧能滿足飛機結構工藝性的要求 ;⑨能滿足飛機使用維護性及可靠性的要求 ;⑩能滿足飛機結構的經濟性要求。
圍繞著結構設計的總體要求 ,結構技術發展主要體現在以下幾個方面 :結構選材的變化 ;結構設計與制造技術的發展 ;結構分析技術的突破 ;結構試驗技術的改進。
歐洲 GAR TEU R聯合研究機構 ,啟動的航空結構和材料方面的研究 ,可體現目前國際結構一步確定各部件的主承力結構形式及傳力路線 ,布置其主要受力構件。
(3)詳細設計階段的結構細節設計。詳細設計的主要目標之一是使結構有好的耐久性 ,在結構元件優化的基礎上 ,對結構的細節精心設計 ,如開孔 ,連接 ,圓角等的設計。
實現減輕結構重量目標的主要方法是采用新技術和精心設計。主要體現在 :①確定合理的飛機結構布局和選材原則 ;②精確確定飛機載荷與安全系數 ;③準確分析結構工作應力 ;④提高結構許用承載能力 ,特別是結構受壓面的穩定性承載能力。 ⑤做好結構細節設計 ,提高結構耐久性 ; ⑥進行結構優化的研究。
3 結構選材的變化
波音 787飛機是首架為減輕結構重量主要使用復合材料建造的客機 ,復合材料的耐久性使波音 787客機的維護間隔達到 1 000 h,而波音 767只有 500 h。波音 787采用了健康監控技術。波音 787型客機將比目前現役客機節約 20 %的燃料。飛機座艙壓力從相當 2 400 m降至 1 800 m高度 ,改善了舒適性 ,提高了結構設計要求[2]。
空客 A350飛機為有效減輕結構重量 ,采用了更多的先進材料 —
—包括各種先進的鋁合金和先進的復合材料 ,復合材料的用量達到 52 %。使飛機變得更輕、更牢固和更可靠 ;每座空重比波音 777降低了 14 %,同時大大改善了可維修性 ,機體維修成本降低了 10 %[3]。
飛機選材的因素有以下幾點 :高的結構效率 ;長壽命高可靠性 ;低成本 ;工藝性好 ;便于修理和維護。其中高結構效率是優先考慮的因素。基于
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材料技術、制造技術和結構技術的發展 ,飛機結構選材有了巨大的發展。表 1與圖 2給出了其變化情況。
表 1 主要民用飛機的選材變化情況
Table 1 Changes in commercial aircraft material selection
圖 2 主要民用飛機的鋁合金和復合材料選材變化情況 Fig1 2 Changes of material for commercial aircraft
隨著技術的發展 ,同一種飛機在改型過程中 ,選材也在發生變化。以波音 757飛機為例 ,隨著年代的變化 ,其鋁合金和鋼的比例在減少 ,鈦合金和復合材料的比例在增加 (見表 2)。
表 2 波音 757飛機在發展過程中的選材變化情況 Table 2 Material changes of Boeing 757
生產年代 鋁合金/ % 鋼/ % 鈦合金/ %復合材料/ %
1980 78 12 6 4
1990 70 10 10 10
1995 62 8 12 18
4 飛機結構設計與制造技術的發展動向
從空客 A380飛機的結構選材 ,可以看出飛機結構制造技術的發展趨勢。該機在復合材料用量上 ,首次突破了 20 %,并在機翼受力最大的中央翼盒上采用了復合材料結構 ;首次大面積采用了 GL A RE復合材料結構 ;首次大面積采用了高強度鋁合金焊接壁板結構 ;首次采用了混雜結構用在主要受力部位 (襟翼滑軌)(圖 3)。
aircraft based on A380
41 1 復合材料在飛機上的應用
復合材料的應用自 20世紀 70年代開始 ,經歷了從非承力構件 ,如機身口蓋、舵面后緣等 ,到 20世紀 80年代開始在一些非主要部件上應用。如 1982年率先在 A3102200上采用碳纖維復合材料制造的擾流片、減速板、升降舵和方向舵。1987年 ,空中客車還率先在 A320飛機的部件水平尾翼和副翼上采用復合材料。此后 ,空客將復合材料用于 A340飛機的垂直尾翼和水平尾翼、方向舵、升降舵、副翼、襟翼擾流板、起落架艙門和整流罩。隨后又研制出 A3402500/ 2600的碳纖維龍骨梁和復合材料機身后密封框 —
—這是復合材料首次被用于飛機的密封區結構。該機復合材料用量達到 10 %[4 ,5]。
到 21世紀研制的 A380飛機 ,將復合材料進一步用于非暴露的主要受力結構上。例如機翼的主受力中央翼盒。使得復合材料的用量達到 23 %,一架 A380所用的復合材料重達 30 t [3]。
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