一代材料技术,一代大型飞机
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化学在航空航天中的应用作者:北京航空航天大学152721应用化学班摘要:灌注氢气的飞艇正是第一种能够真正由人进行操作的飞行器;在航空制造发展的过程中,材料的更新换代呈现出高速的更迭变换,材料和飞机一直在相互推动下不断发展。
“一代材料,一代飞机”正是世界航空发展史的一个真实写照;航空器、航天器往往要承受剧烈的温度变化,并被要求适应一个很宽的温度区间,这便严格要求了材料的使用。
航天工程要求我们对航天器内的能量进行精密的调配,并构建物质循环系统。
关键词:气球飞艇、填充气体、航空航天材料、航空燃料、火箭燃料、电池、隔热、循环系统1. 气球飞艇:氢气到氦气的历程。
不论在哪个时代,在哪个文明中,人类对天空的向往从未停止过。
在1783年,人类制造出了在确切可考的历史中出现的第一个真正意义上的飞行器——热气球之后,紧接着在1784年,罗伯特兄弟便制造并试飞了人类历史上的第二种飞行器——飞艇。
而飞艇正是第一种能够真正由人进行操作的飞行器。
而飞艇的出现,则与世界上最轻的气体——氢气的发现与制造收集密不可分。
氢气于1766年被卡文迪许(H.Cavendish)在英国发现。
而在1780年,法国化学家布莱克(J.Black)把氢气灌入猪膀胱中,制得世界上第一个氢气球。
由于氢气球无需外界提供能量,能够近乎无限的进行漂浮,布莱克的氢气球为人所知后,人们马上就开始想方设法地将之扩大规模,推进并驾驶气球。
罗伯特兄弟便是先行者。
1784年,罗伯特兄弟制造了人类历史上第一艘人力飞艇,它长15.6米,最大直径9. 6米,充氢气后可产生1000多公斤的升力。
罗伯特兄弟认为,飞艇在空中飞行和鱼在水中游动差不多,因此,把它制成鱼形,艇上装上了桨,而桨是用绸子绷在直径2米的框子上制成的。
(齐柏林飞艇)二十世纪初,齐柏林飞艇的出现标志着飞艇的初步成熟,飞艇开始被大量应用于民用和军用领域,在20世纪20至30年代,美国建造了86艘,英国建造了72艘,德国建造了188艘,法国建造了100艘,意大利建造了38艘,苏联建造了24艘,日本也建造了12艘。
中国航空报/2010年/7月/8日/第007版专题一代材料一代飞机——浅谈航空先进材料与飞机、发动机的发展历程中国航空工业集团公司北京航空材料研究院院长,研究员李晓红北京航空材料研究院简介中航工业北京航空材料研究院(以下简称航材院)建于1956年,是从事航空先进材料应用基础研究、材料研制与应用技术研究和工程化研究的综合性国家科研机构,是我国国防科技工业领域高水平材料研究发展中心,是国家科技创新体系和国防科技创新体系的重要组成部分。
主要从事飞机、发动机和直升机用先进材料、工艺、检测评价技术研究,具有高性能材料的小批量生产和高难度重要部件的研制与开发能力。
航材院拥有10个材料、热工艺研究室(包括先进复合材料和先进高温结构材料2个国防科技重点实验室,航空工业第一个国家工程实验室——结构性碳纤维复合材料国家工程实验室),1个航空材料检测研究中心,1个生产中心,以及百慕高科、百慕新材、百慕合金、百慕进出口、百慕合力等5个主要控股子公司,是国防科技工业精密铸造技术研究应用中心的技术依托单位,中航工业航空材料及热工艺技术发展中心的理事长单位。
航材院坚持军民结合,致力于发展高新技术产业,已开发出的700余种高新技术产品,在航空、航天、机械、电子、船舶、铁路、汽车、轻工、化工、建材、石油及生物医学工程等领域得到广泛应用,培育了一批在国内外有重要影响的产业化项目,主要包括钛合金精密铸造生产基地,粘接磁性材料合金锭生产基地,航空用预浸料、蜂窝研究生产基地,宇航用特种橡胶与密封材料研究生产基地等,取得了显著效益。
在发展历程中,航材院与全俄航空材料研究院、美国GE公司、SNECMA公司、德宇航等全球近50个国家和地区的大型研究机构及跨国公司建立了良好的科技与经贸合作关系。
航材院积极吸纳现代先进管理方法,在中国率先通过ISO9001:2000质量管理体系认证,并获得中国实验室国家认可委员会(CNAL)颁发的实验室认可证书,通过了AS9100宇航质量管理体系认证和Nadcap认证。
基于T R L的航空复合材料技术成熟度评估蓝元沛 关志东(上海飞机设计研究所,北京航空航天大学大型飞机高级人才培训班)摘要:结合积木式方法的实施步骤,提出基于T R L的航空复合材料技术成熟度评价方法。
此评价方法将先进复合材料技术成熟度分为九个等级,涵盖了复合材料从基础研究、工程研究到批量生产整个过程,其有效性通过对国内外一些航空复合材料新技术的成熟度评价得到证明。
飞机设计人员在飞机方案研制阶段对主承力结构进行选材时,可采用此方法对复合材料的技术成熟度进行评估,以降低型号研制的风险及复合材料的应用对型号研制进度的影响。
关键词:航空材料;先进复合材料;技术成熟度;技术完备等级;评价方法0 引言新材料特别是复合材料在飞机上的应用,不仅可以带来减重效果,而且还可以带来结构性能和功能、效能的改善以及运营成本下降的综合效益[1]。
因此,不管是新一代战斗机还是大型客机的研制,都需要应用先进复合材料以提高飞机的总体性能。
尽管复合材料在飞机主承力结构件上的应用可以减轻结构重量,减少全寿命期费用,但采用新材料或新的复合材料技术势必会增加飞机研制的风险。
波音787机身采用复合材料整体机身段新型技术,尽管可以减少零件和连接件的数量,显著减轻结构重量,但由于该机身段整体件关键技术问题影响了飞机适航认证和交付用户的进度,给波音公司带来了巨大的经济损失[2]。
可以认为,这是波音787飞机复合材料整体机身的技术成熟度不够高的问题。
飞机设计人员在飞机方案研制阶段对主承力结构进行选材时,需要对复合材料的技术成熟度进行评估,以确定是否选用复合材料以及复合材料的应用部位和比例。
美国国家航空航天局(N A S A)和美国国防部采用技术完备等级(T e c h n o l o g y R e a d i n e s s L e v e l s,简称T R L)方法,把先进材料的技术成熟度划分为9级,级别越高,成熟度越高。
一般先进材料完成预研后,技术成熟度大约达到3~4级的水平,达到6级成熟度以上的新材料可供型号选用[3~6]。
一、实习背景随着航空工业的不断发展,飞机材料在飞机性能、安全、经济性等方面发挥着至关重要的作用。
为了深入了解飞机材料的应用与发展,我于XX年XX月XX日至XX年XX月XX日,在XX航空公司进行了为期一个月的飞机材料实习。
此次实习使我受益匪浅,对飞机材料有了更深入的认识。
二、实习内容1. 飞机材料基础知识学习实习期间,我首先对飞机材料的基本知识进行了学习。
通过查阅资料、请教导师和同事,我了解到飞机材料主要包括金属、复合材料、陶瓷材料等。
金属材料如铝合金、钛合金、不锈钢等,具有良好的力学性能和耐腐蚀性能;复合材料如碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料等,具有高强度、低密度、耐高温等优点;陶瓷材料如氧化铝、氮化硅等,具有耐高温、耐腐蚀、耐磨等特点。
2. 飞机材料在飞机结构中的应用在实习过程中,我参观了飞机维修车间,了解了飞机材料在飞机结构中的应用。
以下列举几种主要应用:(1)机身:飞机机身采用铝合金材料,具有良好的强度和刚度,能够承受飞机在飞行过程中的载荷。
此外,机身表面还涂有防腐涂料,以延长使用寿命。
(2)机翼:机翼是飞机的主要承力结构,采用复合材料和铝合金材料。
复合材料具有高强度、低密度的特点,能够有效减轻机翼重量,提高飞行性能。
(3)尾翼:尾翼包括水平尾翼和垂直尾翼,主要采用铝合金材料。
尾翼对飞机的稳定性和操纵性起到关键作用。
(4)起落架:起落架采用铝合金、钛合金等金属材料,具有良好的耐腐蚀性和耐磨性。
起落架在飞机起飞、降落过程中承受较大载荷,因此对材料的性能要求较高。
3. 飞机材料检测与维修实习期间,我还了解了飞机材料的检测与维修。
飞机在飞行过程中,材料可能会出现疲劳、腐蚀等问题,需要进行定期检测和维修。
以下列举几种检测与维修方法:(1)无损检测:通过超声波、X射线、磁粉等手段,对飞机材料进行无损检测,以发现潜在缺陷。
(2)化学分析:对飞机材料进行化学成分分析,以判断材料性能是否符合要求。
(3)机械性能测试:对飞机材料进行拉伸、压缩、弯曲等力学性能测试,以评估材料性能。
长空铸剑,材料争先打开文本图片集一代材料,一代装备一部人类文明史从某种意义上说就是一部使用材料和发展材料的历史。
材料技术与信息技术、生物技术、能源技术一起,被公认为是当今社会及今后相当长时间内总揽人类全局的技术。
材料技术还是支撑当今人类文明的现代工业关键技术,也是一个国家国防力量最重要的物质基础。
国防工业往往是新材料技术成果的优先使用者,新材料技术的研究和开发对国防工业和武器装备的发展起着决定性的作用。
正基于此,中央领导在2006年视察中国航空工业集团公司(简称“中航工业”)北京航空材料研究院(以下简称航材院)时指出,“一代材料、一代装备”。
航空工业作为工业之花,是国家战略性产业,是国家技术、经济、国防实力和工业化水平的重要标志。
新中国航空工业自1951年4月17日创建以来,肩负着航空报国、强军富民的历史使命,走过了60年的光辉历程,取得了举世瞩目的成就。
航空工业领域从来就是先进材料技术展现风采、争奇斗艳的大舞台,100多年来,材料与飞机一直在相互推动不断发展。
伴随我国航空事业的快速发展,我国航空材料正逐步向产业化方向发展,市场前景广阔。
要想在航空领域抢占先机,必须进一步提升企业的新技术、新工艺、新装备、新产品的研发水平,更进一步加大优秀科研成果的应用力度,提升核心研发能力。
航空发动机为飞机的心脏,而航空发动机关键热端部件的材料为高温合金。
高温合金是为满足先进发动机对材料的苛刻要求而研制,是航空航天动力系统的关键材料。
高温合金在600°C~1200°C高温下能承受复杂应力,并具有抗氧化和抗腐蚀能力,它是航空发动机涡轮叶片与涡轮盘的不可或缺的材料,是军用和民用燃气涡轮发动机热端部件不可替代的关键材料。
目前,在先进的航空发动机中,高温合金用量所占比例已超过50%,可以说,没有高温合金就没有现代航空工业。
技术攻关基地,航空工业尖兵北京西山脚下,中关村高新技术园区发展区内,依山傍水,景色怡人,坐落着一处神秘所在,这就是北京航空材料研究院。
化学在航空航天中的应用作者:北京航空航天大学152721应用化学班摘要:灌注氢气的飞艇正是第一种能够真正由人进行操作的飞行器;在航空制造发展的过程中,材料的更新换代呈现出高速的更迭变换,材料和飞机一直在相互推动下不断发展。
“一代材料,一代飞机”正是世界航空发展史的一个真实写照;航空器、航天器往往要承受剧烈的温度变化,并被要求适应一个很宽的温度区间,这便严格要求了材料的使用。
航天工程要求我们对航天器内的能量进行精密的调配,并构建物质循环系统。
关键词:气球飞艇、填充气体、航空航天材料、航空燃料、火箭燃料、电池、隔热、循环系统1. 气球飞艇:氢气到氦气的历程。
不论在哪个时代,在哪个文明中,人类对天空的向往从未停止过。
在1783年,人类制造出了在确切可考的历史中出现的第一个真正意义上的飞行器——热气球之后,紧接着在1784年,罗伯特兄弟便制造并试飞了人类历史上的第二种飞行器——飞艇。
而飞艇正是第一种能够真正由人进行操作的飞行器。
而飞艇的出现,则与世界上最轻的气体——氢气的发现与制造收集密不可分。
氢气于1766年被卡文迪许(H.Cavendish)在英国发现。
而在1780年,法国化学家布莱克(J.Black)把氢气灌入猪膀胱中,制得世界上第一个氢气球。
由于氢气球无需外界提供能量,能够近乎无限的进行漂浮,布莱克的氢气球为人所知后,人们马上就开始想方设法地将之扩大规模,推进并驾驶气球。
罗伯特兄弟便是先行者。
1784年,罗伯特兄弟制造了人类历史上第一艘人力飞艇,它长15.6米,最大直径9. 6米,充氢气后可产生1000多公斤的升力。
罗伯特兄弟认为,飞艇在空中飞行和鱼在水中游动差不多,因此,把它制成鱼形,艇上装上了桨,而桨是用绸子绷在直径2米的框子上制成的。
(齐柏林飞艇)二十世纪初,齐柏林飞艇的出现标志着飞艇的初步成熟,飞艇开始被大量应用于民用和军用领域,在20世纪20至30年代,美国建造了86艘,英国建造了72艘,德国建造了188艘,法国建造了100艘,意大利建造了38艘,苏联建造了24艘,日本也建造了12艘。
万方数据航空学报第29卷合材料成为未来飞机的起点,也就是说,飞机机体以复合材料为主的时代从此起步。
继波音787之后,空客A350改进型(A350XWB)的复合材料用量从原来的37%提高至52%,波音737后继机和空客A320后继机的复合材料用量也将高达50%左右,甚至可能逼近60%。
莲嵋旺宴窭北删年代图1大型客机上复合材料用量随年代的变化Fig.1Changeofcompositeapplicationinlargeairlin—timegoes从表2可知,在20世纪90年代推出的C一17军用运输机和刚推出的A380客机上,铝合金的用量还是排第1位,但在即将投入运营的波音787、A350客机和欧洲A400M军用运输机上,材料用量排第1位的均为复合材料。
表2新一代客机和军用运输机的材料用量Table2Materialapplicationinnewgenerationairlinersandmilitarytransports注:①原设计的用量为34%含铝锂合金;②原设计的复合材料和钛合金的用量分别为37%和9%。
图2表明,大型飞机上钛合金用量与日俱增,波音787上15%钛用量则打破了客机历史最高记录。
波音787上大量用钛的原因有两个:首先,为了减轻结构重量;其次,由于大型飞机复合材料用量猛增,铝合金与复合材料中的碳纤维之间存在显著的电位差,因此与复合材料接触的紧固件等零件通常采用钛合金,以避免电化学腐蚀的发生。
逞窿兰始<=嚣年代图2大型客机和军用运输机上钛合金用量随年代的变化Fig.2Changeoftitaniumapplicationinlargeairlinersandmilitarytransportstimegoes直至2006年,波音787仍出现超重问题,波音公司为了实现减重2500kg的目标,决定在2006和2007年度再投入3亿美元研究在飞机一些部位用钛合金取代铝合金制成零部件,并声称不会影响波音787投入运营的进度。
1.2一些具有新意的材料技术崭露头角(1)波音787采用复合材料整体机身段新型技术‘¨o川]复合材料与金属材料相比,更适合于制备整体结构件。
波音787机身由若干段复合材料大型整体结构件组成,减少了1500个零件和(4~5)万个连接件,显著地减轻结构重量,提高安全可靠性和降低制造、装配、油耗、维修等成本。
然而,要制成这么大型和复杂的机身段整体件(见图3)还是有很大难度的。
比如在2006年初,该机身段就出现孔隙率过高的关键问题,甚至有可能影响适航认证,迫使公司投入更多人力财力进行试验研究。
图3波音787复合材料整体机身段Fig.3IntegratedcompositefuselagesectionofBoeing787 万方数据第3期曹春晓:一代材料技术。
一代大型飞机(2)A380率先在中央翼盒上大量采用复合材料‘2’4’7。
81由于中央翼盒是关键的主承力件,因此以往均为全金属结构。
A380中央翼盒率先采用复合材料与金属材料的混合结构(以复合材料为主),为在飞机上扩大复合材料应用跨出了重要的一步。
该翼盒质量为8800kg,其中复合材料5300kg,取得了减重1500kg的良好效果,见图4。
图4A380中央翼盒Fig.4CentrewingboxofA380(3)液态复合成形(LCM)已作为成熟的工程技术应用于新一代大型飞机n’712]由于LCM技术具有成本低、周期短、质量高、工作环境好和有利于结构整体化等优点,使原来在减重方面就占优势的树脂基复合材料如虎添翼,显著增强了与金属材料的竞争力。
树脂转移模塑(RTM)和树脂薄膜浸渗(RFI)是LCM中两种主要的制备技术。
比如A380中央翼盒的5个工字梁和襟翼导轨面板(见图5)用RTM技术制成,并率先采用RFI技术制造复合材料襟翼导轨梁和后压力框(见图5和图6)。
该后压力框是迄今为止最大的一个用RFI工艺制成的结构件。
由于它形状均一、厚度较薄,很适于采用RFI技术。
空客公司宣称这一技术已很成熟。
波音787机身的很多地板横梁用RFI技术制造,其起落架撑杆则用RTM技术制造。
图5复合材料在A380上的应用Fig.5CompositeapplicationinA380(4)A380和波音787分别选用层间混杂复合材料GLARE和TiGr[2’7喝’13]纤维金属层板的示意图见图7。
由于第1代层间混杂复合材料ARALL(芳纶纤维铝合金层板)存在芳纶纤维容易在疲劳过程发生断裂和成本较高的缺点,因而影响了它的扩大应用。
与ARALL相比,第2代层间混杂复合材料GLARE(玻璃纤维铝合金层板)虽然密度较高和模量较低,但其成本显著降低,而且显著提高了疲劳性能、拉伸强度、压缩性能、冲击性能和阻尼性能,因此GLARE一问世,就引起了世界各大飞机制造公司的关注。
A380的机身壁板、垂直尾翼前缘和水平稳定面都选用了GLARE,其用量占A380总结构重量的3%。
由于第3代层间混杂复合材料C√U冱(碳纤维铝合金层板)很难彻底解决碳纤维与铝合金之间的电化学腐蚀问题,因而迄今无商品化产品。
据报道,波音公司将选用第4代层间混杂复合材料TiGr(石墨纤维钛合金层板)制造波音787的机翼和机身的一些蒙皮。
TiGr还可用来作为蜂窝夹层的面板。
万方数据航空学报第29卷图6A380后压力框(RFI)Fig.6Rearpressurebulkhead(RFI)ofA380图7纤维金属层板示意图Fig.7Schematicdrawingoffibermetallaminate用运输机上的应用却起步较晚。
1999年,波音777的发动机后安装框架钛合金精铸件在零件静力试验成功后已实际应用。
虽然钛合金精铸技术早些时候已在F/A一22,V一22等军用飞机上迅猛发展,但这是首次在安全可靠性要求更高的民机上获得成功应用,故这一开端具有重要意义。
近期,A380客机的钛合金刹车扭力管已由英国Doncasters公司采用离心熔模精铸技术制成,这是欧洲首次采用钛合金刹车扭力管精铸件取代以往的锻件。
最近,Howmet公司、波音公司与美国空军研究实验室联合进行薄壁钛铸件的开发,选择C一17军用运输机发动机挂架为对象,各用一个整体铸件取代由17个Ti一6A1—4V钣金件组成的鼻帽和由多个零件、不少紧固件组成的防火封严件。
目前已达到厚度1.27mm的要求,并引入新生产的C—17飞机。
60个鼻帽铸件在全寿命期可节约320万美元,防火封严件改用薄壁铸件后可降低成本70%以上。
图8显示了一种大型军用运输机用的钛合金精铸件,它取代了原22个加工件,节省了大部分成本。
(5)A380是首次采用全钛挂架的飞机[78]A380率先采用全钛挂架,A350也采用全钛挂架,并均选用8退火的Ti一6A1—4VELl,以提高断裂韧性和减慢疲劳裂纹扩展速率而有利于损伤容限设计。
这一全钛挂架是空客公司作为超前的新技术之一高调推出的。
(6)新型高强高韧钛合金Ti一5Al一5V一5Mo一3Cr-lZr首次在A380平台上闪亮登场睁8]图8一大型军用运输机用的钛合金铸件这是空客公司与俄罗斯合作在BT22(Ti—hg·8n吨¨oY81ngkP1ececa5nngfora1酊985A1—5V一5Mo一1Cr一1Fe)基础上研发的一种新合金militarytransportalrcran(属近p型),已选用于A380机翼与挂架的连接(8)第3代铝锂合金在A350,A380上的大装置,它那令人惊异的强度与韧性之间的优良组量应用是空客新一代飞机的一大特色[2.7-93合受到了设计师和钛合金工作者的青睐。
由于每添加1%锂就可降低3%的密度和提(7)钛合金精铸技术正逐步进入大型飞机领高6%的弹性模量,因此A380已正式选用铝锂合域[2J4。
17]金制造地板梁,正打算用做机身蒙皮和下翼面的近20年来,由于在钛合金精铸工艺上采用了桁条。
A350已选用铝锂合金制造机身蒙皮和地计算机模拟、热等静压和口热处理等先进技术,显板结构等,其原设计的用量高达总结构重量的著改善了钛铸件(包括大型整体结构件)的组织性23%。
铝锂合金经大起大落后东山再起的主要原能并消除了各种铸造缺陷,因而在F/A一22,V一22因是在不断优化成分的基础上推出了2094,等军用飞机上的应用迅猛崛起。
然而在客机和军2195,2097,2197等第3代合金。
这些合金的共万方数据 万方数据 万方数据一代材料技术,一代大型飞机作者:曹春晓, Cao Chunxiao作者单位:北京航空材料研究院,北京,100095;南昌航空大学,材料科学与工程,学院,江西,南昌,330063刊名:航空学报英文刊名:ACTA AERONAUTICA ET ASTRONAUTICA SINICA年,卷(期):2008,29(3)被引用次数:7次1.Froes F H The synthesis processing and modeling of advanced materials 1998(01)2.Goodley B C;Caulfield T J;CLor S Titanium casting developed for the V-22 1997(06)3.马援空客精心设计A350XWB[期刊论文]-国际航空 2007(08)4.Pora J Advanced materials and technologies for A380 structure 20075.鲁隽用先进结构和材料打造A380[期刊论文]-国际航空 2004(01)6.Williams J C;Starke E A Progress in structural materials for aerospace systems[外文期刊] 2003(19)7.George M Composites lift in primary aerostructures[外文期刊] 2004(04)8.张纪奎;郦正能;程小全复合材料整体结构在大型民机上的应用[期刊论文]-航空制造技术 2007(04)9.George M Duelling with composites[外文期刊] 2006(06)10.Jiang L Current composite applications in commercial aircrafts and future trend 200711.Martin L International titanium association newsletter 200712.Cao C X;Sun F S Recent situation of Ti alloy casting and P/M technologies 200013.Stickler P Composite materials for commercial transport-issues and future research direction 200214.Black S The rear pressure bulkhead for the Airbus A380 employs resin film infusion 2003(03)15.Vicki P M Composites in North America[外文期刊] 2005(11)16.陈亚莉开创复合材料应用新时代--波音787飞机复合材料选材和制造工艺[期刊论文]-国际航空 2007(08)17.曹春晓;郝应其材料世界的天之骄子--航空材料 20021.商国强.朱知寿.常辉.王新南.寇宏超.李金山超高强钛合金研究进展[期刊论文]-稀有金属 2011(2)2.贾逢博.易幼平.黄施全.李云7A85铝合金热压缩流变行为与本构方程研究[期刊论文]-热加工工艺 2010(16)3.许晓静.韦宝存.房士义.程晓农铝合金大厚板淬火残余应力数值分析[期刊论文]-江苏大学学报(自然科学版)2010(3)4.张纪奎.程小全.郦正能基于损伤容限设计的机体金属材料力学性能综合表征与评价[期刊论文]-材料工程2010(7)5.邹田春.冯振宇.陈兆晨.杨倩民机复合材料结构适航审定现状[期刊论文]-材料导报 2010(21)6.蓝元沛.关志东.孟庆春复合材料飞机结构技术成熟度评价方法[期刊论文]-复合材料学报 2010(3)7.益小苏.范欣愉大飞机复合材料技术引领纤维产业发展的思考[期刊论文]-高科技纤维与应用 2009(4)本文链接:/Periodical_hkxb200803027.aspx。