浅谈复合材料在飞机、直升机中的应用

       先进的复合材料自六十年代问世以来，由于其具有比强度高、比模量大、可设计性强、减震性、耐疲劳性、耐腐蚀性、过载时安全性好的优点，迅速在航空航天领域被广泛采用。本文介绍了复合材料的发展过程，在分析复合材料在飞机上使用状况的基础上，总结我国现阶段复合材料应用上存在的问题，并提出解决问题的方法。
1引言
　　战斗机因高性能要求，需要综合应用各种高新技术。因为先进复合材料的崛起源于飞机结构轻质化需求，而且复合材料飞机结构要求高，性能要求全面，设计难度大，涵盖面广，要求进行综合优化，其设计技术代表了先进复合材料技术发展的方向。因此复合材料在战斗机结构中的应用代表了复合材料结构技术发展的最先进水平。
　　2复合材料的应用
　　复合材料在飞机结构中的应用大致可分为三个阶段：
　　第一阶段是应用于承载不大的简单部件，如各类口盖、舵面，阻力板、起落架舱门等。对这类部件，据统计可减重20%左右。
　　第二阶段是应用于承力大的结构和主结构上，如安定面、全动平尾、前机身段、机翼等。据统计可减重25%—30%。
　　第三阶段是应用于主承力和复杂受力结构，如机身、中央翼盒等，据统计可减重25%—30%。
　　2.1符合材料在军机上的应用
　　先进复合材料具有比强度和比刚度高、性能可设计和易于整体成型等许多优异特性，将其用于飞机结构上可比常规的金属结构减轻飞机重量，并可明显改善气动弹性特征，提高飞机性能。这是其他材料无法或难以达到的。先进复合材料的广泛应用还可进一步推进隐身和智能结构设计技术的发展。因此，先进复合材料在飞机上应用的部位和用量的多少已成为衡量飞机结构先进性的重要指标之一。
　　直升机上复合材料的用量已达到结构质量的60%—80%，如美国的武装直升机RAH-66，其复合材料用量达到结构质量的50%以上，美国的垂直起降，倾转旋翼后又可高速巡航的V-22“鱼鹰”几乎是一个全复合材料直升机。
　　2.2复合材料在民机上的应用
　　从安全性和经济性考虑，复合材料在民机上的应用滞后于军用飞机。飞机的安全性是民用飞机设计准则的基础，而市场竞争使飞机公司更为注重飞机的全寿命成本和性能效益。波音777和A340等飞机上的应用情况代表了当今在民机结构上复合材料技术发展的成熟程度和应用水平。可以预见，随着军用飞机应用复合材料结构的经验不断积累和成熟，以及成本的降低，在下一代民机上肯定会进一步增加复合材料的应用。
　　3我国复合材料的发展历程
　　我国从20实际60年代末开始复合材料及其在飞机结构上的应用研究。70年代中期研制成功了第一个复合材料飞机构件--某歼击机进气道壁板。80年代基本实现了复合材料的应用从次承力结构到主承力结构的转变，复合材料的垂直平尾、水平尾翼、前机身等构件已在多种型号上使用，可以小批量生产，并出版了由中国航空研究院编写的?复合材料结构设计手册?、?符合材料连接手册?、?复合材料结构稳定性分析指南?、?复合材料结构修理指南?，填补了国内在复合材料规范方面的空白【2】。标志着我国复合材料在飞机结构中的应用已上了一个新台阶，航空先进符合材料在我国已进入实际应用阶段。
　　4我国复合材料现阶段遇到的问题
　　4.1复合材料发展产业：有产能，无产量。
　　与发达国家相比，复合材料在我国军事领域的使用量并不高。发达国家复合材料在部分军机上的用量早已超过50%，而我国军用战斗机上最大用量尚不足10%；在民用方面美国的大型客机波音787上复合材料用量也超过50%【3】，而我国首架拥有自主知识产权的支线客机ARJ使用的复合材料仅占飞机结构总量的2%。我国的产能有了，但产量还不能满足需求，高品质、高性能的纤维复合材料还没有过关。
　　4.2结构效率与可靠性的矛盾。
　　在复合材料研究领域的科学与技术难题中，材料结构效率与可靠性的矛盾是最难解决的。复合材料的性能分散性和服役环境的不确定性是制约复合材料及结构工程化应用最大的难题，也是复合材料的“软肋”。
　　4.3基础研究薄弱
　　基础研究不足、关键技术未能实现突破，是复合材料产业发展停滞不前的原因。基础研究固有的投入高、风险高、研究周期长的特点，是造成我国复合材料基础研究薄弱、缺乏原创性技术的根本原因。
　　作为国务院《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》中重点发展的三大新材料之一，复合材料的产业化备受瞩目。只要我们重视基础研究，以基础研究的发展作为先导，用政策推动基础研究，坚持科研、生产和应用的结合，相信一定能克服各种难题，促进我国复合材料的产业化发展。
　　5结语
　　经过近50年的发展，我国复合材料逐渐形成体系，部分已经满足了飞机、直升机的技术需求，但总体上与发达国家还有一定的差距。新的型号需求为先进复合材料提供了新的动力和机遇。因此，随着材料技术的发展和飞行器的研制，先进复合材料在飞机、直升机中将得到越来越广泛的应用。