飞机蒙皮制造技术(【科普】飞机机翼材料发展简史)

引言

机翼结构作为飞机（本文所指固定翼飞机）的主要承力结构，需承受多种高载荷，首先要满足的是结构强度要求。在这个大前提下，飞机设计师们基于材料技术、材料制造工艺等技术的发展，尽可能采用高比强度和比刚度的结构材料，以达到减轻飞机重量的目的。

另外飞机在飞行过程中主要是由机翼来为飞机提供升力，机翼表面外形和光洁度等因素，将会大大影响飞机的气动性能，也为飞机的机翼结构材料的选择提出了新的要求。

接下来，由小编给大伙介绍下飞机机翼材料的发展：

机翼材料的发展

飞机机翼材料的发展先后经历以下三个时代：

一、木质飞机时代

二、全金属飞机时代

三、塑料飞机时代

木质飞机时代

1903年，美国人莱特兄弟发明世界上第一架载人飞机。第一架飞机的主体结构以木材为主，机体包括骨架、大梁和翼肋用云杉木制成，机翼蒙皮使用涂抹过清漆的亚麻布，只有少量承力件使用金属。早期飞机由于飞行速度低，机翼所需要承受的载荷也小，机翼采用木布结构即可满足设计需求，又能保证飞机的低成本，因此在20世纪20年代之前，木布结构一直是飞机机翼结构的主流。

上图：飞行者一号

上图：麻布机翼

全金属飞机时代

随着飞机性能的不断提高，速度越来越快，载重越来越大，木布材料本身的"先天不足"（强度和刚度不足、易燃易腐蚀）就被无限放大，再加上材料技术的发展日新月异，具有优异性能的航空材料—铝合金出现了，由木质飞机过渡到全金属飞机也是大势所趋。20世纪30年代中期，以铝合金飞机为代表的全金属飞机逐渐站稳脚根，大放异彩，并一直沿用至今。这种飞机的机翼蒙皮通常使用抗疲劳性能优异的超硬铝合金。

上图：铝合金结构机翼

复合材料飞机时代

从20世纪70年代开始，新一代航空材料—复合材料开始在飞机上应用，首先用于非承力结构件和非主要结构件上，如接近口盖、整流罩、操纵面蒙皮等。而真正开始将复合材料用于机翼主要结构上的是空客A380飞机，但是A380也只是用于非暴露机翼结构上—中央翼盒，外翼仍使用高强度的铝合金材料。

随着B787和A350飞机的推出，碳纤维复合材料成为机翼结构最主要的材料，这样制造出来的机翼更轻，气动外形更佳，机翼的阻力也就更小，飞机的燃油经济性更好。

上图：B787机翼结构

上图：A350机翼结构

新型机翼展望

近期，极光飞行科学公司已为NASA生产了一个新型复合材料机翼，即被动弹性剪裁(PAT)机翼。在传统复合材料机翼中，构成层合板的每一层碳纤维，都是以统一的方式排列，如此可能无法实现最优承载，而PAT机翼的单层纤维排列方式是不断变化，沿着机翼内部实际载荷情况的路径弯曲排列而成，这样有利于生产出更轻质坚固而且阻力更低的客机机翼。

另外，极光飞行科学公司还结合3D打印技术，探索"拓扑优化"翼盒的实现，这项技术考虑机翼所有的载荷因素，再利用一台超级电脑对机翼进行拓扑设计。设计出的机翼翼盒去除传统的翼梁和翼肋结构，而只留下载荷所需要的结构，整个翼盒更像一种桁架结构，连接上下表面机翼蒙皮，从而降低机翼重量。

相信在不远的将来，我们将有望看到此两项新技术在新一代客机（比如波音777X）新型机翼的运用。

上图：PAT机翼

上图：3D打印机翼模型件

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