“塑料”

在航空制造發(fā)展的百余年歷史中，飛機(jī)材料的更新?lián)Q代呈現(xiàn)出高速更迭與變換的狀態(tài)?？v觀人類航空發(fā)展史，材料和飛機(jī)一直是在相互推動(dòng)下不斷得以發(fā)展和改進(jìn)的。所謂“一代材料，一代飛機(jī)”，正是世界航空發(fā)展史的真實(shí)寫照。

木布結(jié)構(gòu)的時(shí)代

上世紀(jì)初，世界上第一架載人飛機(jī)上天。發(fā)明者萊特兄弟使用的材料以木材為主，占比達(dá)47%，其次是鋼(占35%)和布(占18%)。當(dāng)然，這架飛機(jī)的飛行時(shí)度只有16公里。早期的飛機(jī)只帶著勇敢的探索者飛離地面。那時(shí)，設(shè)計(jì)師就是駕駛員。因?yàn)楹?jiǎn)陋的機(jī)體結(jié)構(gòu)很不可靠，普通人不敢冒險(xiǎn)從事飛行。

早期飛機(jī)用木條、木三夾板做大梁和骨架，用亞麻布做機(jī)翼的翼面，這就是所謂的飛機(jī)木布結(jié)構(gòu)。而在木桿與層板之間，通常用螺栓相拼接。機(jī)翼則蒙上涂抹過(guò)清漆的亞麻布，其間以縫紉方式與翼肋構(gòu)架相連接，而清漆可以保證翼面的堅(jiān)挺度、應(yīng)有的幾何形狀和強(qiáng)度。這樣的材料結(jié)構(gòu)一直沿用到第一次世界大戰(zhàn)結(jié)束，只是飛機(jī)的氣動(dòng)外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)更趨合理和完善。

自上世紀(jì)20年代起，人們?cè)O(shè)計(jì)出半硬殼式機(jī)身和具備翼型空間的機(jī)翼，飛機(jī)性能大幅提高，對(duì)飛機(jī)材料也提出了新的要求。在局部受力處，比如發(fā)動(dòng)機(jī)架和整流罩等部位更多采用了金屬零件，但翼面、舵面和后機(jī)身仍部分采用布質(zhì)蒙皮，這就是所謂的飛機(jī)半金屬結(jié)構(gòu)。

1906年，德國(guó)冶金學(xué)家發(fā)明了可以時(shí)效強(qiáng)化的硬鋁，又稱杜拉鋁，使后來(lái)制造全金屬結(jié)構(gòu)的飛機(jī)成為可能。上世紀(jì)20年代，有極個(gè)別飛機(jī)開始試用強(qiáng)度更高的硬鋁合金，硬鋁合金替代了原先制作飛機(jī)骨架和翼肋的木條，也少量替代了承力較大的布質(zhì)機(jī)翼蒙皮。但當(dāng)時(shí)飛機(jī)上的非承力部件，依然采用低成本的木布結(jié)構(gòu)。

當(dāng)時(shí)，蘇聯(lián)等國(guó)也曾有設(shè)計(jì)師嘗試用“取之不盡”的鋼材來(lái)制造飛機(jī)，甚至是小客機(jī)。鋼的比重大于鋁，所以對(duì)于“為節(jié)約每一克結(jié)構(gòu)重量而奮斗”的飛機(jī)設(shè)計(jì)師而言，這肯定不是個(gè)好主意。重金屬不屬于航空器，它的使用將嚴(yán)重削弱飛機(jī)的飛行性能或使用效能。最終，怪異的“鋼鐵飛機(jī)”被拋棄也是意料之中的事情。

金屬材料興起

1925年以后，許多國(guó)家逐漸用鋼管代替木材做機(jī)身骨架，用鋁板做蒙皮，制造出全金屬結(jié)構(gòu)飛機(jī)。全金屬結(jié)構(gòu)飛機(jī)加大了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，改善了氣動(dòng)外形，提高了飛機(jī)性能。到上世紀(jì)40年代，全金屬結(jié)構(gòu)飛機(jī)的時(shí)速已經(jīng)超過(guò)600公里。

然而，將硬鋁板材做到極端的也大有人在。作為當(dāng)時(shí)的航空先進(jìn)國(guó)，德國(guó)和美國(guó)在上世紀(jì)30年代后期都嘗試使用一種被壓成細(xì)波紋狀的薄鋁板做飛機(jī)表面的蒙皮。這樣的形狀可以額外加大其縱向強(qiáng)度。世界上第一架“為客機(jī)而設(shè)計(jì)的客機(jī)”容克F13和其他一系列容克、?？?、福特品牌的客機(jī)或運(yùn)輸機(jī)都成功采用過(guò)這種外部材料。需要特別指出的是，直到目前，硬鋁仍然是全球飛機(jī)的主要用材。

到上世紀(jì)40年代初期，不少國(guó)家由于戰(zhàn)爭(zhēng)原因，有色金屬特別是航空用鋁庫(kù)存量告急，一些工廠又做起“木頭飛機(jī)”的復(fù)古夢(mèng)。作為最成功的例子，英國(guó)皇家空軍的“蚊”式戰(zhàn)斗轟炸機(jī)是當(dāng)時(shí)最負(fù)盛名的機(jī)型。“木頭飛機(jī)”大量使用膠水黏合結(jié)構(gòu)件，不僅堅(jiān)固耐用，作戰(zhàn)效能也不錯(cuò)。

進(jìn)入上世紀(jì)50年代以后，人類跨入了超音速時(shí)代。飛機(jī)材料特別注重耐高溫指標(biāo)，人類開始尋求全新的高強(qiáng)度耐熱材料。于是，出現(xiàn)了航空專用的既堅(jiān)固又耐熱的鈦合金和不銹鋼。其中，鈦合金的研制成功和應(yīng)用對(duì)解決機(jī)翼蒙皮的熱障問(wèn)題起了重大作用。但需要指出的是，它們特別不易加工，同時(shí)因?yàn)楸戎卮?，通常只用在特殊部位、?nèi)部骨架和起落架支柱等部位。作為特例，這些特殊鋼材也曾大范圍使用在極個(gè)別的特種飛機(jī)上。比如，上世紀(jì)60年代出現(xiàn)了能在3萬(wàn)米高空進(jìn)行3倍音速飛行的全鈦結(jié)構(gòu)間諜飛機(jī)SR-71。