圖 1 戰(zhàn)斗機的各主要重量系數(shù)隨年代的變化情況 [1] Fig11 Change of weight distribution with time for a fighter aircraft[1 ]
目前戰(zhàn)斗機的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計工程師提出了巨大的挑戰(zhàn)。“為減輕每一克結(jié)構(gòu)重量而奮斗”不僅是口號 ,而且成為每個飛機設(shè)計師必須遵守的準(zhǔn)則。
據(jù)介紹 ,為減輕蘇 27戰(zhàn)斗機的結(jié)構(gòu)重量 ,飛機采用 90 %的載荷進(jìn)行設(shè)計 ,采用 100 %的載荷進(jìn)行強度試研 ,這樣結(jié)構(gòu)出現(xiàn)提前破壞。然后 ,對破壞結(jié)構(gòu)進(jìn)行增強 ,繼續(xù)試驗。這樣反復(fù)試驗、修補 ,直到試驗飛機無法繼續(xù)進(jìn)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(dá)到減重的目標(biāo) ,這說明了減輕飛機結(jié)構(gòu)重量對研制高性能飛機的重要性。前蘇聯(lián)、美國政府和設(shè)計師對減輕結(jié)構(gòu)重量付出了巨大努力。
在民用飛機研制上 ,當(dāng)前正在研制的最新客機 A350和波音 787飛機為減輕結(jié)構(gòu)重量 ,也采取的一系列新技術(shù)和新材料 ,特別是大量采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。
2 飛機總體對結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求和結(jié)構(gòu)發(fā)展動向
對于民用飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計的目標(biāo)是滿足飛機總體設(shè)計要求的基礎(chǔ)上 ,實現(xiàn)結(jié)構(gòu)重量最輕。飛機總體對結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)工藝性的要求 ;⑨能滿足飛機使用維護(hù)性及可靠性的要求 ;⑩能滿足飛機結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性要求。
圍繞著結(jié)構(gòu)設(shè)計的總體要求 ,結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個方面 :結(jié)構(gòu)選材的變化 ;結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造技術(shù)的發(fā)展 ;結(jié)構(gòu)分析技術(shù)的突破 ;結(jié)構(gòu)試驗技術(shù)的改進(jìn)。
歐洲 GAR TEU R聯(lián)合研究機構(gòu) ,啟動的航空結(jié)構(gòu)和材料方面的研究 ,可體現(xiàn)目前國際結(jié)構(gòu)一步確定各部件的主承力結(jié)構(gòu)形式及傳力路線 ,布置其主要受力構(gòu)件。
(3)詳細(xì)設(shè)計階段的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計。詳細(xì)設(shè)計的主要目標(biāo)之一是使結(jié)構(gòu)有好的耐久性 ,在結(jié)構(gòu)元件優(yōu)化的基礎(chǔ)上 ,對結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)精心設(shè)計 ,如開孔 ,連接 ,圓角等的設(shè)計。
實現(xiàn)減輕結(jié)構(gòu)重量目標(biāo)的主要方法是采用新技術(shù)和精心設(shè)計。主要體現(xiàn)在 :①確定合理的飛機結(jié)構(gòu)布局和選材原則 ;②精確確定飛機載荷與安全系數(shù) ;③準(zhǔn)確分析結(jié)構(gòu)工作應(yīng)力 ;④提高結(jié)構(gòu)許用承載能力 ,特別是結(jié)構(gòu)受壓面的穩(wěn)定性承載能力。 ⑤做好結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計 ,提高結(jié)構(gòu)耐久性 ; ⑥進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究。
3 結(jié)構(gòu)選材的變化
波音 787飛機是首架為減輕結(jié)構(gòu)重量主要使用復(fù)合材料建造的客機 ,復(fù)合材料的耐久性使波音 787客機的維護(hù)間隔達(dá)到 1 000 h,而波音 767只有 500 h。波音 787采用了健康監(jiān)控技術(shù)。波音 787型客機將比目前現(xiàn)役客機節(jié)約 20 %的燃料。飛機座艙壓力從相當(dāng) 2 400 m降至 1 800 m高度 ,改善了舒適性 ,提高了結(jié)構(gòu)設(shè)計要求[2]。
空客 A350飛機為有效減輕結(jié)構(gòu)重量 ,采用了更多的先進(jìn)材料 —
—包括各種先進(jìn)的鋁合金和先進(jìn)的復(fù)合材料 ,復(fù)合材料的用量達(dá)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(jié)構(gòu)效率 ;長壽命高可靠性 ;低成本 ;工藝性好 ;便于修理和維護(hù)。其中高結(jié)構(gòu)效率是優(yōu)先考慮的因素。基于
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材料技術(shù)、制造技術(shù)和結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展 ,飛機結(jié)構(gòu)選材有了巨大的發(fā)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(fù)合材料選材變化情況 Fig1 2 Changes of material for commercial aircraft
隨著技術(shù)的發(fā)展 ,同一種飛機在改型過程中 ,選材也在發(fā)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(fù)合材料的比例在增加 (見表 2)。
表 2 波音 757飛機在發(fā)展過程中的選材變化情況 Table 2 Material changes of Boeing 757
生產(chǎn)年代 鋁合金/ % 鋼/ % 鈦合金/ %復(fù)合材料/ %
1980 78 12 6 4
1990 70 10 10 10
1995 62 8 12 18
4 飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造技術(shù)的發(fā)展動向
從空客 A380飛機的結(jié)構(gòu)選材 ,可以看出飛機結(jié)構(gòu)制造技術(shù)的發(fā)展趨勢。該機在復(fù)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(fù)合材料結(jié)構(gòu) ;首次大面積采用了 GL A RE復(fù)合材料結(jié)構(gòu) ;首次大面積采用了高強度鋁合金焊接壁板結(jié)構(gòu) ;首次采用了混雜結(jié)構(gòu)用在主要受力部位 (襟翼滑軌)(圖 3)。
aircraft based on A380
41 1 復(fù)合材料在飛機上的應(yīng)用
復(fù)合材料的應(yīng)用自 20世紀(jì) 70年代開始 ,經(jīng)歷了從非承力構(gòu)件 ,如機身口蓋、舵面后緣等 ,到 20世紀(jì) 80年代開始在一些非主要部件上應(yīng)用。如 1982年率先在 A3102200上采用碳纖維復(fù)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(fù)合材料。此后 ,空客將復(fù)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(fù)合材料機身后密封框 —
—這是復(fù)合材料首次被用于飛機的密封區(qū)結(jié)構(gòu)。該機復(fù)合材料用量達(dá)到 10 %[4 ,5]。
到 21世紀(jì)研制的 A380飛機 ,將復(fù)合材料進(jìn)一步用于非暴露的主要受力結(jié)構(gòu)上。例如機翼的主受力中央翼盒。使得復(fù)合材料的用量達(dá)到 23 %,一架 A380所用的復(fù)合材料重達(dá) 30 t [3]。
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