从麻布到“塑料”　趣谈飞机材料的变迁

“塑料”

在航空制造发展的百余年历史中，飞机材料的更新换代呈现出高速更迭与变换的状态。纵观人类航空发展史，材料和飞机一直是在相互推动下不断得以发展和改进的。所谓“一代材料，一代飞机”，正是世界航空发展史的真实写照。

木布结构的时代

上世纪初，世界上第一架载人飞机上天。发明者莱特兄弟使用的材料以木材为主，占比达47%，其次是钢(占35%)和布(占18%)。当然，这架飞机的飞行时度只有16公里。早期的飞机只带着勇敢的探索者飞离地面。那时，设计师就是驾驶员。因为简陋的机体结构很不可靠，普通人不敢冒险从事飞行。

早期飞机用木条、木三夹板做大梁和骨架，用亚麻布做机翼的翼面，这就是所谓的飞机木布结构。而在木杆与层板之间，通常用螺栓相拼接。机翼则蒙上涂抹过清漆的亚麻布，其间以缝纫方式与翼肋构架相连接，而清漆可以保证翼面的坚挺度、应有的几何形状和强度。这样的材料结构一直沿用到第一次世界大战结束，只是飞机的气动外形和内部结构更趋合理和完善。

自上世纪20年代起，人们设计出半硬壳式机身和具备翼型空间的机翼，飞机性能大幅提高，对飞机材料也提出了新的要求。在局部受力处，比如发动机架和整流罩等部位更多采用了金属零件，但翼面、舵面和后机身仍部分采用布质蒙皮，这就是所谓的飞机半金属结构。

1906年，德国冶金学家发明了可以时效强化的硬铝，又称杜拉铝，使后来制造全金属结构的飞机成为可能。上世纪20年代，有极个别飞机开始试用强度更高的硬铝合金，硬铝合金替代了原先制作飞机骨架和翼肋的木条，也少量替代了承力较大的布质机翼蒙皮。但当时飞机上的非承力部件，依然采用低成本的木布结构。

当时，苏联等国也曾有设计师尝试用“取之不尽”的钢材来制造飞机，甚至是小客机。钢的比重大于铝，所以对于“为节约每一克结构重量而奋斗”的飞机设计师而言，这肯定不是个好主意。重金属不属于航空器，它的使用将严重削弱飞机的飞行性能或使用效能。最终，怪异的“钢铁飞机”被抛弃也是意料之中的事情。

金属材料兴起

1925年以后，许多国家逐渐用钢管代替木材做机身骨架，用铝板做蒙皮，制造出全金属结构飞机。全金属结构飞机加大了结构强度，改善了气动外形，提高了飞机性能。到上世纪40年代，全金属结构飞机的时速已经超过600公里。

然而，将硬铝板材做到极端的也大有人在。作为当时的航空先进国，德国和美国在上世纪30年代后期都尝试使用一种被压成细波纹状的薄铝板做飞机表面的蒙皮。这样的形状可以额外加大其纵向强度。世界上第一架“为客机而设计的客机”容克F13和其他一系列容克、福克、福特品牌的客机或运输机都成功采用过这种外部材料。需要特别指出的是，直到目前，硬铝仍然是全球飞机的主要用材。

到上世纪40年代初期，不少国家由于战争原因，有色金属特别是航空用铝库存量告急，一些工厂又做起“木头飞机”的复古梦。作为最成功的例子，英国皇家空军的“蚊”式战斗轰炸机是当时最负盛名的机型。“木头飞机”大量使用胶水黏合结构件，不仅坚固耐用，作战效能也不错。

进入上世纪50年代以后，人类跨入了超音速时代。飞机材料特别注重耐高温指标，人类开始寻求全新的高强度耐热材料。于是，出现了航空专用的既坚固又耐热的钛合金和不锈钢。其中，钛合金的研制成功和应用对解决机翼蒙皮的热障问题起了重大作用。但需要指出的是，它们特别不易加工，同时因为比重大，通常只用在特殊部位、内部骨架和起落架支柱等部位。作为特例，这些特殊钢材也曾大范围使用在极个别的特种飞机上。比如，上世纪60年代出现了能在3万米高空进行3倍音速飞行的全钛结构间谍飞机SR-71。