飞机发展的关键

1903 年，美国莱特兄弟发明了世界上第一架飞机，所用原料是木材和帆布。飞行速度每小时只有 16 公里，和骑自行车的速度差不多。1911 年，铝合金研制成功，很快取代了木材和帆布，到第一次世界大战期间，全金属结构的飞机已很普遍了。从木布结构过渡到金属结构，使飞机的性能和速度获得一个飞跃。例如到 1939 年螺旋桨飞机创造的最高时速已达 755 公里，仅

36 年的时间，飞行速度提高了 47 倍。声音在空气中的传播速度为 1200 公里

/小时，有些人试图用螺旋桨飞机超过音速，但都没有成功。失败和挫折使人们把音速看成是飞机速度无法逾越的障碍，简称“音障”。后来找到了失败的原因：原来空气是有压缩性的，螺旋桨飞机在高速飞行时，由于压缩空气的影响，机翼或其它部位的表面会出现“激波”，造成升力下降，阻力增加，阻碍了飞行速度进一步提高。于是人们寻求新的动力，造出了喷气式飞机。但是，初期的喷气式飞机仍然没有超过音速，因为喷气发动机的进口温度很高，需要耐高温的合金材料，而英国研制出的镍基合金只能承受 700℃，使发动机推力和飞行速度受到影响。到了 50 年代，高温合金有了进一步发展，已经能够制造耐 800℃以上的高温合金，再加上采用了后掠角更大的机翼和其它减少阻力的措施，终于研制出一种飞行速度超过音速的喷气式飞机，突破了以前不可逾越的“音障”。这里，喷气发动机立了一大功，而耐高温合金材料则起了关键性的作用。

可是，在提高飞行速度的征途上，又出现了新的问题。这就是飞机以超音速飞行时，其表面因受到空气强烈摩擦而发热，使温度急剧升高。这种现象叫做空气动力加热。飞机的速度越快，温度也愈高。以飞机在同温层边界飞行（那里的温度是-56℃）为例，当飞行速度等于音速时，飞机的表面温度为-18℃；两倍音速时，温度为 98℃；当达到三倍音速时，飞机表面温度会升至 300℃。从铝合金的耐热性来讲，当飞机速度达到两倍音速时，铝的强度会显著降低；三倍音速时，就会发生空中解体。通常认为，飞机速度应在二到三倍音速范围内，这种空气动力加热又是一堵新的障壁，称为“热障”。它对飞机的结构、飞行员工作环境和各种设备均带来不利影响，甚至危害。因此，要制造表面耐温超过 180℃，即飞行速度为音速 2.5 倍的飞机，需要用钛合金（可承受 550℃温度）代替铝合金。飞机是一种更新非常快的产品，它不断追求的目标是安全、迅速、舒适和经济。80 年代制造成功的新一代中短程飞机波音 757 和波音 767，能满足低油耗和低噪音的要求，与 60 年代的波音 727 比较，燃油消耗降低了 35％。

近十年来，由于石油价格连续上涨，使民用飞机的燃油费用由 1973 年占航线直接使用费用的 18％，上升到 1982 年的 50％，从而迫使各飞机公司积极从飞机的减重入手，采用新的替换材料。

波音 757 是一种窄机身短程旅客机，载客 190 人；波音 767 是一种半宽

机身中程旅客机，载客 250 人。新飞机的机身和机翼上，大量使用了改进的铝合金和复合材料。水平尾翼和垂直尾翼由于采用聚芳酚胺（凯芙拉）纤维和碳纤维复合材料，使重量比用铝减少了 20～40％。波音 767 飞机上有 24 个零部件共使用了三吨碳纤维与凯芙拉—49 混纤复合材料，比早期采用的玻璃纤维—环氧复合材料还要轻。波音 767 还是第一种使用铝合金主起落架梁

的民用飞机，而波音 757 飞机由于空间的限制，选用了钛合金主起落架。此

外，两种飞机都增加了超高强度钢的品种和用量。

这样一来，一架波音 767 飞机由于采用复合材料减重 450 公斤，采用超

高强度钢减重 900 公斤，采用改进铝合金减重 363 公斤，三项总计共 1.7 吨。

据统计，飞机结构如减轻一公斤，每年可节省燃料 2900 公斤，可见其经济效

益有多大。波音公司已在 90 年代的波音旅客机上，进一步扩大使用了复合材料。据称，除发动机和起落架外，大部分结构材料都能采用碳纤维和聚芳酚胺纤维，那么这架乘坐 250 人的飞机可减轻重量六吨！

航空发动机的改进是从两个方面进行的，一是更多地使用比重小的钛合金和复合材料，以减轻自重；二是更多地使用工作温度高的新型高温合金，以加大推力和提高热效率。1982 年波音 767 飞机的发动机上开始使用单晶涡轮叶片。单晶合金的强度、疲劳寿命、耐腐蚀性和抗氧化性都比普通合金高，使整个热效应提高 30％。

至于高超音速的航天飞机，其表面温度可达到 1000℃以上，这时任何合金都无能为力了，只有采用特种复合陶瓷材料才行。

1981 年 4 月 12 日，美国“哥伦比亚”号航天飞机发射成功，引起了世

界的瞩目。航天飞机机身长 37.2 米，翼展 23.8 米，重量为 68.8 吨，大大超

过了 1969 年登月的“阿波罗”飞船。它的主发动机使用液氢和液氧作燃料，

加上外部燃料箱和两台固体燃料助飞火箭，发射时的全长达 56 米，实际重量

2020 吨。

航天飞机同时具有火箭和飞机两方面的特性，是一项极为复杂的综合技术成果，涉及空气动力学、气动加热、设计、制造、试验和计算机控制等技术。据美国宇航局称，航天飞机的关键技术有两项：重返大气层的热防护和长寿命火箭发动机。机身防热材料要求重复使用 100 次，火箭发动机要求连

续飞行 55 次无大修。对于习惯于一次使用观念的火箭设计师，无疑是一次相当苛刻的要求。

航天飞机在空间执行考察任务后，由 120 公里轨道再入大气层时，表面最高温度可达 1500℃。根据不同部位的工作条件，航天飞机使用四种防热材料：头锥和机翼前缘受气动摩擦最大，温度最高，超过 1260℃，使用表面涂硅的碳—碳复合材料。这是一种以热分解石墨纤维布作为增强剂、碳化树脂为基体的复合材料；机身和机翼下表面需耐热 650～1260℃，由两万四千多片高温陶瓷瓦组成；机身侧面和机翼上表面耐热 370～650℃，由七千多片低温陶瓷瓦组成；货舱门、尾段、机身等部分温度不超过 398℃，防热较为容易，采用聚芳酰胺纤维制造的毡瓦，是一种柔性重复使用材料。

可以看出，航天飞机的热防护系统主要是由防热陶瓷瓦组成，防护面积占全机面积的 70％，几乎可以说全身披挂陶瓷盔甲。高温陶瓷瓦和低温陶瓷瓦的尺寸分别是 15×15×1.3～8.9 厘米和 20×20×0.5～2.5 厘米，都是由直径 1.5 微米、纯度 99.7％的氧化硅短纤维加入胶状氧化硅热压制成。

陶瓷瓦的特点是重量轻（密度 0.14 克/厘米 3），耐热性和隔热性好。缺点是具有一定的脆性，并且根据不同的位置来变化形状和厚度，所以粘贴技术相当复杂，全靠人工来一片片粘贴。美国第一架航天飞机“哥伦比亚号” 原订 1979 年 11 月上天，可是后来多次延期，都是因为防热陶瓷瓦出的毛病。原来临发射前在地面试车时，贴在航天飞机机体上的陶瓷瓦在 538～649℃已大片剥落。官员们大吃一惊，紧急召集了一个五人专家小组商讨对策。经过扫描电子显微镜观察后发现，这些剥落的陶瓷瓦中的纤维分布不均匀，导致

了传热不良、局部过热。后来在一名美籍华裔科学家的建议下，提高了陶瓷纤维喷硼化硅后的凝固速度，使纤维排列的均匀性不受干扰，才解决了问题。航天飞机第一次飞行结束，经检查机表面各部分的温度未超过计算值，令人担心的陶瓷瓦损坏意外地少，仅剥落 700 片左右，加上厚度减少需更换者，仅一千三百余片，占陶瓷瓦总数的 4.5％，基本上满足了设计要求。

1982 年 7 月发射的“挑战者号”航天飞机的部分防热陶瓷瓦改用 80％氧化硅纤维和 20％含硼纤维混合制成的陶瓷瓦代替，效果更好，今后航天飞机的热防护系统仍是有待改进的项目之一。

关于航天飞机发动机所用材料不多，已知高压氧涡轮泵和高压氢涡轮泵采用的叶片，都是用最新的高铬—钴—钨镍基高温合金 Mar M246，按定向凝固精密铸造工艺制成，提高了抗热冲击性能。航天飞机主发动机的导向叶片，也采用 MarM246 合金，但按更先进的单晶精密铸造工艺制成，这种导向叶片是空心的，用液态氢进行冷却，更进一步提高了抗热冲击性能，从而保证了发动机低重量、长寿命的要求。

航天飞机的研制成功，是人类征服太空的又一次胜利，也显示出在现代技术革命中材料举足轻重的地位。