飞机结构的一般要求及主要的结构材料

3．1．2飞机结构的一般要求及主要的结构材料

飞机结构的一般要求

与其它类型结构相比，飞机结构有其特殊性。首先，对重量特别敏感—飞机本身的重量必须尽可能轻，以便多装人员、货物或装备，因而对结构材料要求高；其次，飞机部件的尺寸大而刚度小——有的飞机机翼长达几十米，本身又是薄壁结构，易变形，即刚度小（刚度是指一个结构在受力的情况下抵抗变形的能力），因此飞机结构的精确度不易保证；还有，飞机零件的数量特别多，装配工作量大——大型飞机的零件有几万个之多，而铆钉的数量就可达几十万，所以装配特别费时。

一般说来，飞机结构应满足以下基本要求：

气动外形要求。当结构与气动外形有关时，结构设计应使结构构造的外形能满足规定的外形准确度要求和表面质量要求。这些要求主要与气动阻力和升力特性有关。为了保证飞机在气动上具有原定的良好稳定性与操纵性，机翼、尾翼与机身不容许有过大的变形。

有足够的强度、刚度且重量要轻。结构设计应保证结构在承受各种规定的载荷状态下，具有足够的强度（所谓强度，是指结构或材料抵抗破坏的能力），不产生不能容许的残余变形；具有足够的刚度（所谓刚度，是指结构或材料抵抗变形的能力）与采取其他措施以避免出现不能容许的气动弹性问题与振动问题；具有足够的寿命等。即要求飞机构造满足一定的刚度与强度要求，但刚度、强度太大又会导致结构重量过重，而重量太轻又会导致刚度、强度不够。因而应该在满足设计要求所规定的刚度、强度的前提下，重量应该最轻，以便多载人员、货物、油料，以提高飞行性能。因而，应选择强度高而重量轻的材料来制造飞机的构件。

抗疲劳破坏能力强。飞机有许多结构常处于交变载荷的作用下，容易产生疲劳破坏。因而结构应该有较好的抗疲劳破坏能力才能保证飞行安全。

高的可靠性和生存力。在规定的时间和规定的条件下，结构能完成规定功能的能力称为结构的可靠性。飞机的可靠性是无故障性、维修性、耐久性和储存性的综合指标。

飞机的生存力是指被武器击中后，能够继续飞行的能力(两架“受伤”程度相同的飞机，如果一架还能继续飞行，而另一架不能继续飞行了，则前者较后者的生存力强)。

使用维护要求。为了确保飞机的各个部分(包括装在飞机内的电子设备、燃油系统等各个重要设备和系统以及主要结构)能安全可靠地工作，需要在规定的周期，检查各个指定需要检查的地方，如发现损伤，则需要进行修理或更换。

对于军民用飞机，则需要缩短维护及检修工作的时间，以保证飞机随时处于临战状态或者重新起飞状态。

为了保证维护、检修工作的高质量、高速度进行，在结构上需要布置合理的分离面与各种开口。

工艺性要求。要求飞机结构的工艺性要好，即加工要快、成本要低等。这些需结合机种、产量、需要迫切性与加工条件等综合考虑。

成本要求——经济性要求。这里所说的成本，主要是指制造成本与运营成本(含与结构的维修有关的那部分)。如果从广义上讲，经济性要求还应包括设计成本。

一般来说，以上各要求中，除气动外形都要保证外，对军机而言，重量要求是第一位的；对旅客机、运输机则要同时考虑重量和经济性。而经济性要求实质上和重量、使用维护及工艺要求均密切相关。

重量要求之所以是飞机结构设计的主要要求，是因为对军机而言，重量与性能密切相关，减重对军机十分重要；对旅客机、运输机而言，重量与经济效益直接相关。由于现代旅客机使用寿命长(一般可达60000 飞行小时以上)，因此减轻结构重量意味着可增加商载（即旅客、

货物、邮件等重量），在使用寿命期内增加的经济效益将是十分可观的。

主要的结构材料

为了减轻结构重量，除了采用合理的结构形式以外，最有效的方法是选用强度、刚度大而质量轻的材料。同时，应根据不同的飞行条件和工作环境，要求材料有一定的耐高温和抗低温性能；要有良好的耐老化和抗腐蚀能力；要有良好的抗疲劳性能等。此外，还要求材料应具有良好的加工性能；采用的材料要资源丰富、价格低廉。

一般纯金属的机械性能都不太好，只有加入一种或几种金属元素后所形成的合金才具有良好的机械性能。

铝合金。铝合金除保持了纯铝的优点(如比重小、塑性高、抗腐蚀、导热及导电性良好)以外，还具有良好的机械性能、物理性能和工艺性能。大多数变形铝合金都易进行切削、压力加工成形。铸造铝合金则可用砂型、金属型、压力铸造等方法成形。一般来讲铝合金由于具有接近钛合金、结构钢的比强度、高的比刚度性能以及工艺性能优良、成形方便、成本低廉等其他合金所不能比拟的优点，所以，铝合金是飞机的主要结构材料(约占60%~90%)。

镁合金。在现有的工程用金属中，镁合金的密度最小，约为1.8 g/cm3，约为铝的64%，钢的32%，因而被广泛用作航空材料。虽然镁合金的强度、弹性模量比铝合金、合金钢低，但其比强度、比弹性模量却大致相同。更由于截面的惯性矩随其厚度的立方比增加，故用镁合金制造刚性好的航空零件十分适宜。

镁合金很轻，具有良好的机械加工性，可广泛应用于飞机的非主要受力构件上，还可以用来制造起落架上的刹车轮毂。另外，由于镁合金对石油和碱类物质有抗腐蚀性，可以用来做油管和油箱的零件。

合金钢。钢具有较高的比强度，性能稳定、工艺简单、成本低廉，是制造承受大载荷的接头、起落架和主梁等飞机构件的最合适的结构材料。航空发动机中的很多重要零件如压气机轴、涡轮轴和各种齿轮也要用高强度钢或渗碳钢制造。超音速飞机(M＞3)的受力框架等重要零件因在一定的温度场中工作，必须采用中温超高强度钢。

很多航空零部件都要求材料具有良好的抗腐蚀性能和优良的高低温综合机械性能。种类繁多的不锈钢正好能满足这些要求，例如马氏体不锈钢用来制造压气机叶片、压气机盘、发动机机匣、环形件和大型壳体等。奥氏体不锈钢广泛用来制造各种导管和仪表零件。因此不锈钢和结构钢在航空制造业中占有很重要的地位。

钛合金。钛的密度小(4.5 g/cm3)，但其强度却接近于钢。用钛合金制造的飞机结构可以明显的减轻结构重量。此外，钛合金具有良好的抗腐蚀性及超低温性能。钛合金的主要缺点是加工成形比较困难，成本也较高。

复合材料。复合材料是由两种或多种材料复合而成的多相材料。复合材料中起增强作用的材料称为增强体，起粘结作用的材料称为基体。一般的增强体主要有碳纤维、石墨纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、硼纤维等高强度的纤维；基体材料一般采用具有柔韧型的树脂，如环氧树脂、聚酰亚胺树脂等，另外还有铝合金或钛合金等。

复合材料具有优异的性能，其密度低，强度和刚度高，抗疲劳性能、减震性能等较好，而且可以对其力学性能进行设计，因而在航空航天结构上采用的越来越多。

化工材料。除了以上主要工程材料外，在航空结构中还采用了种类繁多的化工材料。例如用于连接不同部件的胶粘剂，用于制造座舱密封盖的聚碳酸脂玻璃，用于制作航空轮胎的各种橡胶，还有为了防腐蚀甚至增加隐身性能的涂料等。

总之，飞行器的发展，所采用的各种材料的品种都在不断发展，越来越发挥着重要的作用。