飞机结构一百年

万磁王

　　1952年在NACA的研究备忘录L52H08中，有一篇惠特科姆（Richard T. Whitcomb）撰写的《近音速时机翼/机身结合处零升力阻力特性研究》的文章，对突破音速有重大的影响。惠特科姆根据风洞测试的结果，证明了“面积律”（area rule）可以降低超音速时的波阻（wave drag）。根据面积律，在飞机上机翼和机身相接合的位置机身的截面积应减小以适配机翼的截面积，对迎面而来的气流而言，机翼加上机身的总面积必需维持不变，因此机身的外型变成所谓的“可口可乐瓶”的样子。康维尔（Convair）公司的工程师立即根据该法则重新设计了1953年首飞但性能不佳的F-102“三角剑”（Delta Dagger）战斗机，将平直的腰部内缩。带有蜂腰的F-102A于1954年12月首飞，速度增加了20%，轻易地飞过音速。“面积律”是喷气机时代最重要的工程发展项目之一，直到今天几乎所有的高亚音速或超音速飞机，多多少少都应用了这个法则。

理查德·惠特科姆

这就是对超音速飞行至关重要的面积律

F-102A缩腰后大大提高了跨音速性能

万磁王

　　到了20世纪50年代中期，生产型的喷气式战斗机，如由北美公司的F-100“超级佩刀”（Super Sabre），已经能在平飞中超过音速。到了1956年，洛克希德的F-104“星式战斗机”（Starfighter）是第一架能持续飞行于两倍音速的飞机，该机具备优良超音速气动布局所应有的外型——尖锐的鼻端、纤细的机身、薄且锐利的机翼，这种设计的目的是在减弱机鼻和翼前缘的激波（shock wave）强度，以降低超音速时的波阻（wave drag）。F-104的机翼厚度/弦长比只有4%，机翼前缘非常尖锐，停在地面时得加上防护夹才不会伤到附近工作的维修人员。

F-104的机翼前缘极端锐利

万磁王

　　F-104的机翼无后掠，展弦比（aspect ratio）很低，和一般超音速飞机采用后掠高展弦比机翼的方式大大不同，这是因为平直低展弦比机翼的波阻和后掠高展弦比机翼的波阻大致相同，这种机翼的亚音速性能当然很差，但F-104追求的是两倍音速性能，只好牺牲亚音速性能了。
　　这种第二代喷气式战斗机的机翼很薄，翼载（wing loading）很高，设计时通常采用多翼梁翼肋的设计，机身蒙皮和加强条通常由板件生料一体加工成形。

F-104翼根处有13块腹板转成的5根翼梁与机身侧边连接

万磁王

超音速飞机结构
　　伴随着超音速飞行而来的是因空气摩擦产生高热所导致的机体结构强度退化问题，首先当温度达到100摄氏度时，轻合金的静力强度（static strength）会大幅度衰退；其次在120摄氏度的环境下待满100小时后，轻合金抵抗潜变（creep）的能力会大幅度降低。在飞机超音速飞行时间很短暂，外蒙皮产生的热还来不及传到内部主结构时，这些都不是问题，一旦需要长时间的超音速飞行，为了防止因高热使结构失去强度，飞机的结构设计就要有所改变。
　　为了让机体拥有足够的强度和刚性（rigidity）又不至于超重，解决方法之一是使用蜂窝三明治结构。1956年美国第一架超音速轰炸机，通用动力公司的（General Dynamics）B-58“盗贼”（Hustler）就大量使用了这种结构来解决超音速摩擦热问题。B-58能持续超音速飞行两小时以上，最高飞行速度将近2马赫，此时部分蒙皮的温度超过摄氏120度。
　　B-58蜂窝三明治结构的外层是厚度仅有0.381毫米的高强度不锈钢蒙皮，内层夹心则是轻质六角形铝薄片蜂窝，使用区域占了机翼面积的90%，机体面积的80%。蜂窝蒙皮的结构重量轻，如此大面积的使用下，只占了全机最大起飞重量的16.5%，并且刚性足，即使到260摄氏度也依然能够维持设计的强度。不过相对而言，蜂窝蒙皮的制造成本就很贵，每平方英尺约需1,200美元，因此B-58的机体造价比同重量的金子还贵。装备部队后，三明治结构的外层蒙皮很容易因为维修或腐蚀产生损伤，修理耗时而且需要在高温下加压胶合，产生诸多困扰，导致B-58在1969年就提早退役了。

正在铺设蜂窝三明治蒙皮的B-58

B-58的蜂窝三明治蒙皮

万磁王

　　著名的SR-71“黑鸟”（Blackbird）3倍音速高空战略侦察机，为了适应高速飞行时机身局部超过500摄氏度的高温而大量使用了耐热钛合金，比例高达93%，在主翼上还开有许多为应付热涨冷缩的细长沟纹，此外全机也沿用了U-2的黑色涂装，因为黑色是最佳的辐射散热颜色。SR-71采取无尾三角翼构型，加上翼根前缘两侧延伸的边条，形成极佳的升力体，而这种设计也成为后战斗机上屡见不鲜的机身/机翼融合体（blended-wing-body）的滥觞。

大量采用钛合金制造的SR-71“黑鸟”

万磁王

复合材料结构
　　为了延长飞机结构的疲劳寿命，提升飞机的性能，选用抗疲劳性更好的新材料是必然趋势。20世纪60年代开始，飞机上曾选用的替代材料包括合金钢、钛合金…等，但这些材料的重量重、施工困难，不符合飞机工业轻薄的需求，除非必要不会轻易选用。到了20世纪80年代，飞机结构材料的发展走向了先进复合材料。
　　采用复合材料的最主要原因是减重，增强飞机的性能，其次是抵抗疲劳和腐蚀的能力更好，可以延长飞机的寿命，现在则又因为能满足隐身的需要而成为热门材料。先进复合材料的比强度（单位重量的强度）、比劲度都比传统金属要好，根据经验在强度相同的条件下，采用复合材料可以较铝合金节省约30%的重量。复合材料耐热耐腐蚀，有极好的抗疲劳性，结构疲劳寿命比传统的铝合金强上好几倍，又可以让雷达波穿透，降低飞机的雷达反射面积，因此成为新型飞机不可或缺的使用材料之一，不过飞机结构设计并没有因此而有任何的改变。

波音787的复合材料机身仍采用了传统的隔框纵梁结构，而且还是铆接成型

　　最典型的例子就是全世界最先服役的第四代战斗机JAS-39“鹰狮”，这架于1996年6月进入瑞典空军服役的先进战斗机机翼全部使用碳纤维复合材料，但结构仍然是传统的多翼梁、翼肋、蒙皮设计，而且相互间的接合方式并不是胶结，仍然是传统的金属固定件铆接，由此可清楚看见复合材料对飞机结构的设计方式几乎没有什么影响。

万磁王

未来发展
　　为了降低飞机的寿期成本（life time cost），目前飞机工业正在发展智能结构（smart structure），结合了微电子技术、先进的飞机设计概念与复合材料的制程技术，把微型传感器、微处理器、光纤、压电材料植入飞机的复合材料蒙皮和承载结构中，让它能感受外界的声、温、压、电、磁……等的变化并做出反应。例如美国提出的一种“灵敏机翼”概念，通过密布于机翼蒙皮上的传感器，感觉翼面上各部位的压力，然后把数据传送给计算器，经过计算后控制安装在机翼内的致动器，不断改变机翼上下表面的曲率，让它根据飞机的速度、流场的变化，自动改变翼型，以降低飞行阻力。
　　另外还有一种智能结构是在飞机的机翼、控制面、机身...等位置安装传感器，实时（real time）监测飞机在服役期间内结构是否由于过载（overload）、疲劳、腐蚀……等原因，产生疲劳裂纹或初期损伤，使维修人员能在第一时间内予以修复，避免因疏失或未及时发现损伤导致后续巨大的损失，并增进飞行安全。
　　随着先进复合材料在飞机结构上的应用越来越广泛，智能结构未来更进一步的发展是自动修复，飞机出厂时复合材料结构内层安置整排的小型光纤（fiber-optic）感应器并预置化学修补材料，一旦结构发生损伤，材料会自动释放，填补结构内层的孔洞或脱层，进一步免除了维修的工作，届时不但增加飞机结构的寿命，同时也能避免由于地面维修人员疏失所造成的飞行安全事件。

新型复合材料的自修复效果

飞马168

长了不少知识。。感谢楼主

mocai

感谢楼主普及知识，orz