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飞机机身材料大揭秘 最早竟然是木质机身

莱特兄弟的飞机

英国航空公司空客A321-231从乌克兰鲍里斯波尔机场起飞(图片来源:turbo83 / Shutterstock.com)
机身是飞机的主要结构,为机组人员、乘客、货物、配件及其他重要设备提供空间。
空气动力学决定了常规飞机机身的各舱室尺寸及布置。只有高度专业化的现代飞机,例如黑鸟SR-71(SR-71 Blackbird),与常规飞机明显不同的是其设计和所使用的材料。
在航空业发展的早期,原始机身由木头制成。20世纪20年代末30年代初,飞机制造商开始采用铝和钢铁制造更多的飞机。这些金属更加稳定,提供了更多的保护。今天,许多军事侦察机由性能优异的钛或碳复合材料制成。
有些飞机机身由所谓的承载式设计构造而成,这种设计很大程度上取决于飞机外壳承受不同载荷的强度。半承载式机身由完整框架的加固件构成。
半承载式机身的弯曲应力通过称为“大梁(longerons)”的加固梁来吸收,通常延伸到整个机身宽度。同时通过横跨飞机长度的纵梁(stringers)提供支撑。相比于大梁,纵梁更轻,但应用更广泛。
机身上的纵向加固件涉及到舱壁、框架和前舱。这些加固件被分隔开,承受与其他部件(如机翼和发动机)连接点的压力。
这些元素有助于流线型机身的构造,增加了承载式设计的强度和刚度。传统半承载式机身可以承受相当大的损害,仍保持完整。军事战斗机和其他小型飞机通常由两个或两个以上的机身部分。更大的飞机最多可有六个不同的部分。
维护人员可能通过好几个门、面板和其他开口进入机身系统和设备。这些接入点的位置可通过引用服务图纸和制造商为每类飞机发布的手册来获知。
应该指出的是,飞机机身通常并不是由单一材料组成。例如,一架飞机可能机构件采用铝合金,而外部由钢构成。
木质机身(Wooden Fuselage)
原因很明显,航空业的早期开拓者们担心飞机的重量。莱特兄弟以及其他人受工程时间限制,因而建造木质飞机,从而保持整体重量尽可能低。
20世纪前20年,航空工程设计和技术得到突飞猛进的发展,直至第一次世界大战爆发——经典线支撑、木头和织物的双翼飞机。德国军队著名的红男爵(Red Baron)在他传奇的战争史中超越了无数的木质飞机。
今天,爱好者们仍然在制造他们自己的轻质飞机——木质机身。
铝合金机身(Aluminum Fuselage)
20世纪30年代引擎技术的进步使得工程师们考虑金属设计,铝合金成为全金属飞机的主要金属。
用于制造飞机的铝通常与其他金属混合,使其具有强度和轻质。铝合金机身不像钢铁那么容易受腐蚀,但铝合金并不用于超音速飞机的表面,因为由如此高速度飞行引起的摩擦而产生的热导致铝合金的强度下降。
波音247D和道格拉斯DC-3很大程度上归功于20世纪30年代金属飞机的流行,这些飞机与我们今天看到的飞机有所不同。
1933年,联合航空公司的247D开始服役,其速度比其他竞争对手快了大约50%。两年以后,在莱特兄弟历史性飞行32周年之际,DC-3推出。尽管DC-3预计于20世纪50年代退出服役,但其已经使用超过80年,直至今天仍在飞行。
钢制机身(Steel fuselage)
建于20世纪30年代的钢制飞机强度更高、硬度也更高,但其重量也更大。钢铁的重量更大,使其无法成为主流的机身材料。然而,这种金属被用于制造飞机的某些部分。它的强度和刚度非常适合用在起落架上。钢铁的耐热性也使其可用于超音速飞机的外壳。
1932年,Beechcraft Staggerwing是钢制机身飞机的一个主要例子。Staggerwing扩大生产,并成为主流的快速商务飞机。
钛机身(Titanium Fuselages)
钛和钛合金具有与钢一样的强度,但质量更轻,是建造飞机的理想材料。这些金属比铝和铁更耐腐蚀。然而,钛机身飞机非常昂贵,这在很大程度上限制了大多数钛飞机的商业使用。
钛机身最突出的例子就是黑鸟SR-71(SR-71 Blackbird)。于1964年12月首飞的SR-71是冷战期间美国空军侦察机的主要机型。在其服役的24年间,黑鸟在空中飞行约2,800小时。
1990年3月6日,SR-71最后的飞行,由洛杉矶至华盛顿的航班花了1小时零4分钟,平均速度约为2,100英里每小时。
碳复合材料机身(Carbon Composites Fuselages)
石墨环氧树脂或碳纤维增强复合材料已成为当今最先进的商用飞机的首选。弹性碳纤维嵌入环氧树脂中制成碳复合材料,可以很多种方式堆叠,满足在高速飞行过程中保持完整性的各种要求。这些碳纤维材料强度与铝接近,但质量只有其一半。
碳纤维复合材料在航空业中还未获得广泛的使用,波音787客机(Boeing’s 787 Dreamliner)是第一架超过一半机身采用这种材料的大飞机。
新材料在线编译整理——翻译:菠菜 校正:摩天轮

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