将来飞行器“脊椎骨”越来越轻 越来越耐热

发布时间 : 2018-05-04     来源 : 中国运载火箭技术研究院新闻中心

  “梁”是飞行器的重要承载结构,它就像人的“脊椎骨”一样,支撑起整个飞行器,其重量是飞行器总重量的30%左右。梁的结构性能直接关系到飞行器的“体重”和“强壮”程度。
  近日,中国运载火箭技术研究院(以下简称“火箭院”)研发中心设计的“一种外形贯穿飞行器机身的复合材料梁结构”获国家发明专利。这意味着,以后飞行器的“脊椎骨”将越来越轻,越来越耐热。


国内传统飞行器复合材料应用比例低


  该梁结构课题组成员邓云飞介绍,当前,轻质化、功能化成为航空航天飞行器结构设计的发展趋势。因此,“身轻”又“强健”的高性能复合材料成为众多飞行器结构的首选材料。
  在国外,代表21世纪科技水平的波音787和空客A350客机的复合材料使用率已超过50%。而在国内传统大中型外形复杂飞行器领域,复合材料应用比例普遍较低,大多数在20%以内,极个别的也只能做到40%左右。


  


△美国飞行器全复合材料梁和机身


  此外,国内飞机复合材料梁结构大多用于飞行器的机翼部位,而一些贯穿整个机身的大尺寸、外形复杂的梁结构,目前仍采用金属制成,存在重量大、疲劳性差、易腐蚀等缺点。


新型“脊椎骨”更轻、更强、更耐热


  邓云飞介绍,“梁”相当于飞行器的“脊椎骨”。研发中心的某新型飞行器尺寸较大,外形比传统飞机要复杂得多,支撑它的“脊椎骨”像面条一样又细又长,而且这根“面条”还不是直的,有很多曲面。
  按照惯例,设计人员会采用铝合金材料,但这个新型飞行器对减重以及性能要求极高,另外型面特别复杂,金属加工困难,只能采用复合材料。
  “像这样大型、曲面复杂的飞行器梁结构要用复合材料,在国内没有先例。这么细长的主承力结构,太容易变形了!”邓云飞说,为攻克这个难题,研发中心与火箭院所属航天材料及工艺研究所等单位组成设计工艺一体化仿真的联合研制团队,经过多轮工艺改进与仿真试验,攻克了“设计制造的高精度控制”等难题,最终研制出符合设计要求的复合材料梁结构。
  邓云飞介绍,相比铝合金,用上复合材料梁结构后,飞行器减重25%。同时,由于该梁结构可以耐190℃高温(超120℃,铝合金性能显著下降),使梁结构外面穿的“铠甲”——防热层的厚度减少40%以上。“飞行器的总重量是非常重要的指标,重量每增加1克就相当于增加了1克黄金的成本,所以,用上复合材料梁结构,飞行器不仅减重,而且减低了成本,可以承载更多的有效载荷,强度刚度也比铝合金材料提高了3倍。”


复合材料应用比例达国际先进水平


  用上复合材料梁结构后,该新型飞行器的复合材料使用率达到80%。“这标志着我们掌握了全复合材料设计技术,因为除了起落架等使用金属材料更合适的部件,飞行器其他的结构都是复合材料的,从当前国内公开的数据来看,这个比例是最高的。”邓云飞说。
  目前,复合材料梁结构已应用在某新型飞行器上,正在进行地面试验,同时该技术已转化应用到高铁等民用领域。


(图片来自网络)

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