在過去一個多世紀的時間里，飛機材料經歷了從木材、鋼鐵、鋁材、鈦到碳纖維復合材料的進化。機體在強度、重量、耐腐蝕性等方面都發生了巨大的改變。

    “金屬飛機能上天嗎？”1915年，萊特兄弟第一次完成動力飛行12年后，航空專家們開始討論這個熱門話題。

    當時，人們只能用木材、鋼線和帆布來制造飛機，這樣才能讓飛機足夠輕。完全用金屬制造飛機的想法看起來在技術上和成本上仍然不可行。

    但有很多人持不同看法。德國航空先驅雨果·榮克斯（Hugo Junkers）認為航空的未來不僅在于空戰和飛行競賽，還在于能夠運輸貨物和乘客的大型運輸機，這就需要對飛機制造方式進行重大改變。他設計并制造了世界上第一種全金屬飛機——J 1，該機同時也成為世界上第一種單翼機。因為采用鋼材制造，J 1被昵稱為“錫驢”或“鈑金驢”。 

    J 1作為一架技術驗證機從未進入批量生產，但榮克斯大膽的想象使航空工業從此走上一條材料進化之路，使飛機更強、更輕、更快、更高效。

    20世紀20-30年代：向金屬過渡

    榮克斯發現鋼制的J 1堅韌耐用，但因過重而難以操縱。于是他把注意力轉向了鋁，這種金屬在20世紀初普遍應用于制造領域。鋁的重量輕、強度高，比重僅是鋼材的三分之一，成為制造飛機的理想選擇。

    他采用鋁合金制造出世界上首批民用客機，代表作有F 13和G 24。亨利·福特（Henry Ford）注意到了榮克斯的成就，于是大量借鑒了他的制造技術（由于借鑒程度過大，以至于榮克斯起訴了福特），在1925年推出福特三發機。這些飛機迎來了長途客運航空時代，但直到20世紀30年代初，人們才能以較低的成本制造全金屬飛機。

  
    資料圖：鋁合金制造的首批民用客機G 24。

    其中最重要的機型是1935年出現的道格拉斯DC-3。這型飛機速度快、可靠性高、易于維護、乘坐舒適，至今仍有數百架在服役，證明了全金屬飛機有多耐用。

    戰后：新金屬材料的出現

    隨著高速噴氣飛機如火如荼地發展，航空航天工程師開始尋找比鋼材和鋁材更優秀的金屬材料。由于鈦的強度-密度比以及具有耐腐蝕、耐疲勞、耐高溫的特點，使其成為一種具有吸引力的材料。但鈦是稀缺金屬，非常昂貴。

    在20世紀50年代后期，航空工業開始在發動機和暴露于高溫的機身部位安裝鈦合金小零件，如尾噴管整流罩和機翼前緣。但有限的鈦儲量和高昂的生產成本限制了人們對這種金屬的進一步應用。

    20世紀70-80年代：碳纖維的騰飛

    飛機上使用的第一種輕質復合材料是玻璃纖維增強塑料，簡稱“玻纖”。

    這種材料最早在20世紀40年代被用于制造整流罩、機鼻和駕駛艙。后來在60-70年代被用于制造直升機的旋翼葉片，如Bo 105和BK 117，以及“小羚羊”SA 340。

    1975年，AS350“松鼠”直升機安裝了使用玻璃纖維復合材料制造的主旋翼頭，這種高度一體化的設計大大降低了零件數量。但玻纖的低剛度導致其只能被有限應用在運輸機的承載主結構中。

    
    資料圖：AS350松鼠直升機安裝了使用玻璃纖維復合材料制造的主旋翼頭。

    最后，碳纖維增強塑料成為一種真正革命性的航空材料，不僅強度重量比高于金屬，而且不易疲勞和腐蝕。

    空客通過給A310換裝碳纖維垂尾證明自己是業內碳纖維材料應用先驅之一，減重幅度超過250公斤，這是碳纖維復合材料在噴氣式客機上的開創性應用。

    20世紀90年代-今天：復合材料的廣泛應用

    此后，碳纖維復合材料變得越來越普遍，而且隨著制造技術的進步，人們能夠制造出更大和更復雜的部件。

    由于直升機的發動機必須能產生提升起機體全部重量的升力，所以復材在直升機領域的利用率非常高：空客“虎”式直升機的機身結構有80%使用復合材料制造，在2007年推出的NH90上，復材占比更是達到90%。

    虎式直升機有80%的機體由復合材料制造。

    在固定翼飛機方面，空客A380有近四分之一的結構由復合材料制造。

    空客在2013年推出的A400M軍用運輸機有著巨大的碳纖維機翼，為后續的A350客機奠定了基礎。

    但金屬仍未過時，空客A350仍安裝了鋼制和鈦制零件，并且有近20%的結構采用鋁鋰合金制造。這種先進合金摻入了世界上最輕的金屬——鋰以降低鋁合金的重量，同時提高其強度、韌性、耐腐蝕性和成型特性。

 
    A350客機的復材占比超過50%，耗油率降低了25%。

    未來技術：4D打印和“數字材料”的研究

    制造更快、更輕和燃油效率更高的飛機的愿望驅動著航空工業不斷研究和開發下一代材料。在2015年下半年，空客宣布了一種新型仿生學結構客艙隔板（Bionic Partition），比現有設計輕45%。這種結構是用一種被稱為scalmalloy的新型超強、輕質合金材料使用直接金屬激光燒結成型技術3D打印而成的。

    雖然如今在空客的飛機上3D打印的金屬零部件已不鮮見，但是這還是首次將金屬3D打印部件用于飛機機艙的設計。與現有的隔離結構相比，這種新型的仿生隔離結構有幾個不同的部件組成，不僅強度更高，而且將其總量減輕了55磅。根據開發人員的計劃，它將用于分隔客艙后部的廚房區域?？湛皖A計會在2016年初對這些仿生隔離結構進行測試，如果通過的話，它們會從明年開始被安裝在新制造的空客A320飛機上。

    除此之外，空客公司還開展了4D打印和“數字材料”的研究，這些材料在遇到水、運動或溫度變化施加的外力時會自行改變形狀，取代飛機上笨重的機械控制系統?？湛鸵呀涢_始測試在進氣口上采用該技術，或許有一天，這種材料能成為構成整個座艙的基礎。

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責任編輯：劉洋

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