文/肖元

從世界上第一架飛機“飛行者一号”到如今的殲20戰鬥機和C919客機，不難發現，飛機的外型、構造和材料都發生了翻天覆地的變化。“一代材料，一代飛機”，是這一百多年世界航空發展史的真實寫照，也是對飛機與航空材料相互依存、相互促進緊密關系的真實寫照。

材料是實現先進飛機高性能、輕量化、高可靠、長壽命、低成本等的重要技術保障，而且飛機具有用途多、使用環境多樣、服役環境苛刻等特點，這些都對先進飛機使用的材料與制造技術提出很高要求。基于飛機材料的重要性，世界航空強國對飛機材料的發展都予以高度重視。

目前，飛機主要使用什麼材料，使用材料發生了什麼樣的變化，這些你都了解嗎？

第 1 階段

1903-1919年

木，布結構

“飛行者一号“（圖源：搜狐網）

“飛行者一号”是人類曆史上第一架能夠自由飛行，并且完全可以操縱的動力飛機，使用材料以木材為主，木材占比達47%，其次是鋼(占35%)和布(占18%)。從上圖不難看出，”飛行者一号“采用木材、木三夾闆來做飛機骨架和大梁，采用亞麻布做機翼翼面，這就是所謂的飛機木布結構。

木質飛機質量輕，加工簡易，成本低廉。早期的飛機發動機功率小、飛行速度低，因而機翼翼面承受的載荷也小，木質材料的強度即可滿足需求。但是木質材料的缺點也很明顯：強度小、剛度低、易燃、易腐蝕、吸濕性強。

“飛行者一号“采用的木材為北美雲杉木，在世界上所有的樹種中，具有最高的強度重量比，以及良好的彈性變形能力和減震性能，能夠承受突加載荷，因此常用于制造飛機和船舶的船桅杆、吊杆、橫杆和結構龍骨等。

“飛行者一号“三視圖（圖源：網絡）

在木杆與層闆之間，通常用螺栓相拼接。機翼則蒙上塗抹過清漆的亞麻布，其間以縫紉方式與翼肋構架相連接，而清漆可以保證翼面的堅挺度、應有的幾何形狀和強度。這樣的材料結構一直沿用到第一次世界大戰結束，隻是飛機的氣動外形和内部結構更趨合理和完善。

“飛行者一号“發動機（圖源：網絡）

發動機采用鋁鑄缸體，這是世界史上第一次使用鋁鑄件代替傳統汽油機的鐵鑄體，使得發動機整體重量大幅減輕，能夠勝任航空發動機的角色。

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第 2 階段

1920-1949年

鋁，鋼結構

由于木材結構脆弱、安全性差，經過不斷的試驗與研究，科學家們設計出了提高飛機性能的半硬殼式機身和具備翼型空間的機翼，也對飛機材料提出了新的要求。在局部受力處，比如發動機架和整流罩等部位更多采用了金屬零件，但翼面、舵面和後機身部位仍使用布料，隻是布料由亞麻布換成了布質蒙皮。這個時期的飛機被稱為半金屬結構飛機。

随後，自1914年第一次世界大戰爆發，随着飛機在軍事上的運用日益廣泛，航空制造技術得到了快速發展，對飛機的速度、機動性以及載荷要求的提高，使得木質材料漸漸無法滿足要求，質輕高強的鋁合金逐漸得到應用。

1906年，德國冶金學家Alfred Wilm發明了可以時效強化的硬鋁，又稱杜拉鋁，使後來制造全金屬結構的飛機成為可能。

杜拉鋁是鋁、銅、鎂、錳等合金，又稱硬鋁，屬于可熱處理強化鋁合金。經過熱處理、時效處理的杜拉鋁明顯變“硬”了，其強度提高了7倍，具有較高的力學性能，适于制造飛機的構件，如蒙皮、壁闆、桁條、翼肋等。

但由于使用鋁合金的成本較高，飛機上的非承力部件依然采用低成本的木布結構。

JunkersF.13(圖源：網絡）

JunkersF.13是世界上第一架全金屬客機，其飛機框架、橫梁、翼肋，全采用金屬，外面則用鋁質波紋闆金屬蒙皮材質來制作整個飛機機體，其波紋順着氣流方向，既能減少空氣流阻力，又能克服金屬的熱脹冷縮問題，加大了結構強度，改善了氣動外形，提高了飛機性能。

由于全金屬結構飛機在整體結構強度、氣動外形與飛機性能上都得到了有效提高，因此過去木材結構與半金屬結構的設計逐漸被舍棄。到上世紀40年代，利用全金屬材料制造的飛機在時速上已經可以達到并超過600公裡，速度遠遠快于木材及半金屬結構制造的飛機。

Junkers Ju52運輸機（圖源：搜狐網）

容克Ju52（Junkers Ju52）是二戰德軍最著名的運輸機。機身同樣使用波紋鋁蒙皮，以減小阻力并承擔一部分結構載荷。

由于鋼材的成本較硬鋁合金低，蘇聯等國也曾嘗試使用鋼材來制造飛機或小客機，但鋼的比重大于鋁，使飛機的結構重量增加，因此鋼的使用影響飛機的飛行性能或使用性能。飛機上關鍵承力構件如機翼主梁、起落架、承力螺栓等一般采用高強度、超高強度鋼。

小 插 曲

蚊式戰鬥機（圖源：搜狐網）

上世紀四十年代初期，不少國家由于戰争原因，有色金屬特别是航空用鋁庫存量告急，許多國家又開始嘗試使用“木頭飛機”以解決金屬飛機存量不足的問題。其中以英國皇家空軍的蚊式戰鬥轟炸機最富盛名。

蚊式戰鬥機采用木質膠合結構，機身為兩層杉木夾闆中間夾輕質巴爾沙木構成的硬殼結構，巴爾沙木質輕，易加工，不變形，使木質結構重量進一步減少。

今天的科普就到這了，接下來飛機結構材料将以什麼材料為主呢？各位不妨猜猜看~

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