• 將來飛行器“脊椎骨”越來越輕 越來越耐熱

    發布時間 : 2018-05-04     來源 : 中國運載火箭技術研究院新聞中心

      “梁”是飛行器的重要承載結構,它就像人的“脊椎骨”一樣,支撐起整個飛行器,其重量是飛行器總重量的30%左右。梁的結構性能直接關系到飛行器的“體重”和“強壯”程度。
      近日,中國運載火箭技術研究院(以下簡稱“火箭院”)研發中心設計的“一種外形貫穿飛行器機身的復合材料梁結構”獲國家發明專利。這意味著,以后飛行器的“脊椎骨”將越來越輕,越來越耐熱。


    國內傳統飛行器復合材料應用比例低


      該梁結構課題組成員鄧云飛介紹,當前,輕質化、功能化成為航空航天飛行器結構設計的發展趨勢。因此,“身輕”又“強健”的高性能復合材料成為眾多飛行器結構的首選材料。
      在國外,代表21世紀科技水平的波音787和空客A350客機的復合材料使用率已超過50%。而在國內傳統大中型外形復雜飛行器領域,復合材料應用比例普遍較低,大多數在20%以內,極個別的也只能做到40%左右。


      


    △美國飛行器全復合材料梁和機身


      此外,國內飛機復合材料梁結構大多用于飛行器的機翼部位,而一些貫穿整個機身的大尺寸、外形復雜的梁結構,目前仍采用金屬制成,存在重量大、疲勞性差、易腐蝕等缺點。


    新型“脊椎骨”更輕、更強、更耐熱


      鄧云飛介紹,“梁”相當于飛行器的“脊椎骨”。研發中心的某新型飛行器尺寸較大,外形比傳統飛機要復雜得多,支撐它的“脊椎骨”像面條一樣又細又長,而且這根“面條”還不是直的,有很多曲面。
      按照慣例,設計人員會采用鋁合金材料,但這個新型飛行器對減重以及性能要求極高,另外型面特別復雜,金屬加工困難,只能采用復合材料。
      “像這樣大型、曲面復雜的飛行器梁結構要用復合材料,在國內沒有先例。這么細長的主承力結構,太容易變形了!”鄧云飛說,為攻克這個難題,研發中心與火箭院所屬航天材料及工藝研究所等單位組成設計工藝一體化仿真的聯合研制團隊,經過多輪工藝改進與仿真試驗,攻克了“設計制造的高精度控制”等難題,最終研制出符合設計要求的復合材料梁結構。
      鄧云飛介紹,相比鋁合金,用上復合材料梁結構后,飛行器減重25%。同時,由于該梁結構可以耐190℃高溫(超120℃,鋁合金性能顯著下降),使梁結構外面穿的“鎧甲”——防熱層的厚度減少40%以上。“飛行器的總重量是非常重要的指標,重量每增加1克就相當于增加了1克黃金的成本,所以,用上復合材料梁結構,飛行器不僅減重,而且減低了成本,可以承載更多的有效載荷,強度剛度也比鋁合金材料提高了3倍。”


    復合材料應用比例達國際先進水平


      用上復合材料梁結構后,該新型飛行器的復合材料使用率達到80%。“這標志著我們掌握了全復合材料設計技術,因為除了起落架等使用金屬材料更合適的部件,飛行器其他的結構都是復合材料的,從當前國內公開的數據來看,這個比例是最高的。”鄧云飛說。
      目前,復合材料梁結構已應用在某新型飛行器上,正在進行地面試驗,同時該技術已轉化應用到高鐵等民用領域。


    (圖片來自網絡)

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