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不列颠地主的博客  
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再谈大飞机的制造技术
   


所谓大飞机是指载重量大、航程远而言的,它的标志性用途包括洲际飞行的干线客机、大型运输机和战略轰炸机。在制造方面主要考虑三个要素,即承载结构的安全与可靠性、动力和燃料系统、以及载重和自重。以前地主曾专门侃过发动机的一些事,它属于第二个要素。本篇谈结构的制造技术。

航空器的特点是飞行,要托住其自重,并克服空气阻力,因此如何减少自重就显得比地面车辆更为重要。对于结构材料而言,既要够结实(强度),又要减重量,这就有了"比强度"的概念,即单位比重的材料所拥有的强度。例如铝合金是最常用的飞机结构材料,它是以铝为基础,含有少量的铜、镁、硅元素,主要是为获得最高强度。但铝合金还不是最好的,目前先进的飞机结构中最大量使用的是"复合材料",它是将高强度的碳纤维或陶瓷纤维以工业树脂粘结而固化成型的结构材料,其最大特点是"比强度"高于其它均质材料。对于非专业读者,这里有一个实例可以体会一下"比强度"的概念。羽毛球的扣杀是力量与速度的结合,球拍的自重是一个制约因素。因此,选用木质、钢质(有吗?)、铝质、和碳纤维的球拍会有不同的实战效果,其中"碳纤维"即是复合材料。

目前,除了主要的承载结构之外,复合材料己经代替大部分的铝合金板材。这里不能被替代的就是对强度和韧性要是更高的飞机的骨架子,还只能用高强度钢或钛合金制造,其中钛合金是一种相对较新的高强度、小比重材料,比钢更具有使用性能上的优势。但它的劣势也明显,对买飞机的是一个字:贵;对造飞机的也是一个字:难。当然,贵也是因为难。

难在何处? 首先是钛金属的冶炼难。在门捷列夫的化学元素表中,有用的金属都在右边,铁、铜、镍、铝等。而冶炼这些金属的容器得用高温材料来做,主要是最左边的金属元素的氧化物。钛元素的化学性质活泼,对这些氧化物有极强的分解能力,因此在高温下涮炉衬涮得厉害。然后是锻造难。锻造是有延展性的金属的一种重要成型手段,它要求被锻造的金属要足够地软。这里各个金属是不一样的,铝和铜在室温下就能轧能锻; 钢材得烧红了才行,所以叫"趁热打铁"; 但钛和镍在烧红了也还很硬,锻造就需要大功率的压力机。最后是切削加工难,一般的刀具"啃"不动它。由于这些难度,目前有关钛合金的冶炼、成型和切削加工技术当中仍有不少世界级难题,而它的应用也是首先在军用飞机上,比如美国的"猛禽"。以前地主侃过3D打印技术,目前最大的亮点就是钛合金航空器结构件的增材制造技术。当然,只要是造成了,它和钢一样强,重量却更轻,这就是用于动能部件的优势。例如,东汉时期有著名的桃园三结义的刘关张,俺地主还唱过京剧余派老生的"三大贤"。其中关二爷原是个卖水果的,赚下些银子,后来跟从刘皇叔去当兵时是用"精钢"打造了一口八十二斤重的青龙偃月刀。这材料在当时也一定是上好的高强度钢了,所以打起仗来也好使,温酒斩华雄、过五关斩六将基本上是一刀一个人头,就仗着兵器好。但是,刀这种兵器是抡起来才行,八十二斤是显得重了些,所以,打一个吕布就得哥儿仨一起上去车轮大战。那时老关若有一口钛合金的刀,顶多才三十兵重,他一人打吕布和董卓俩人都不成问题。

呵呵! 又跑偏了。先到这儿吧,下回侃侃合金钢。


 
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