碳纖維等復(fù)合材料在航空航天應(yīng)用越來(lái)越香的原因？

隨著波音 787 夢(mèng)想飛機(jī)和空客 A350 XWB 的引領(lǐng)，商業(yè)航空公司逐漸更多地使用碳纖維復(fù)合材料來(lái)制造飛機(jī)機(jī)身。因?yàn)樘祭w維比鋼更堅(jiān)固，比鋁更輕，并且?guī)缀蹩梢阅Ｖ瞥扇魏涡螤睿浑y怪航空航天工程師用碳纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)材料設(shè)計(jì)他們的夢(mèng)想飛機(jī)。再加上降低的燃料成本、改進(jìn)的空氣動(dòng)力學(xué)性能和更少的零件需求，很容易看出碳纖維有望成為未來(lái)首選的飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料。

1）提高燃油效率
在航空業(yè)，飛機(jī)越輕，運(yùn)營(yíng)成本就越低，這已不是什么秘密。重量減輕可以提高燃油效率，從而顯著降低飛機(jī)的總體運(yùn)營(yíng)成本。由于碳纖維復(fù)合材料做成的碳纖維產(chǎn)品相對(duì)其重量而言非常堅(jiān)固和堅(jiān)硬，因此飛機(jī)制造商越來(lái)越傾向于這個(gè)方向是有道理的。與傳統(tǒng)鋁制飛機(jī)相比，使用碳纖維復(fù)合材料制造飛機(jī)的重量最多可減輕 20%。專家估計(jì)，在飛機(jī)的整個(gè)使用壽命期間，重量每減輕一公斤，可節(jié)省約 100 萬(wàn)美元的成本。這加起來(lái)可以節(jié)省大量資金！

2）提高空氣動(dòng)力學(xué)性能
除了減輕重量之外，影響飛機(jī)燃油效率的另一個(gè)重要因素是空氣動(dòng)力學(xué)。設(shè)計(jì)越時(shí)尚，飛機(jī)就越省油。由于碳纖維復(fù)合材料制造工藝可以產(chǎn)生非常光滑但復(fù)雜的幾何形狀的碳纖維產(chǎn)品，因此飛機(jī)設(shè)計(jì)師可以更輕松地優(yōu)化碳纖維飛機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)。此外，碳纖維的剛度有利于在商用飛機(jī)中使用后掠翼設(shè)計(jì)，通過(guò)減少空氣動(dòng)力阻力，將燃油消耗降低高達(dá) 5%。

3）減少了零件數(shù)量
在制造飛機(jī)中使用碳纖維有助于降低成本的另一個(gè)領(lǐng)域是制造飛機(jī)所需的零件數(shù)量。例如，空中客車 A380 通常由大約 600 萬(wàn)個(gè)零件制成。然而，由于碳纖維復(fù)合材料部件是模制的，因此每個(gè)模具都可以設(shè)計(jì)成將幾個(gè)不同的部件組合到一個(gè)模具中，從而顯著減少建造飛機(jī)所需的部件數(shù)量。由于建造飛機(jī)所需的組件更少，因此所需的制造時(shí)間也更少。此外，由于碳纖維產(chǎn)品重量更輕，因此操作和組裝它們所需的人員更少。所有這些因素加起來(lái)可以顯著節(jié)省飛機(jī)的制造成本。

4）使用碳纖維的未來(lái)飛機(jī)設(shè)計(jì)
使用碳纖維而不是傳統(tǒng)金屬來(lái)制造飛機(jī)，可以為飛機(jī)設(shè)計(jì)師在控制空氣動(dòng)力效率和節(jié)省燃料方面提供更大的靈活性。這種靈活性也讓我們有機(jī)會(huì)改變傳統(tǒng)的飛機(jī)設(shè)計(jì)。未來(lái)的商用飛機(jī)可能包括機(jī)身和機(jī)翼融合在一起的設(shè)計(jì)，類似于當(dāng)今的一些軍用飛機(jī)。這種設(shè)計(jì)極大地提高了飛機(jī)的升阻比，使飛機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)效率更高，同時(shí)仍減輕了重量。空中客車公司最近推出的一款概念飛機(jī)推出了一款具有更寬、彎曲機(jī)身的飛機(jī)，旨在改善氣流并提供更多的機(jī)艙空間。更長(zhǎng)、更薄的機(jī)翼可以減少阻力并提高燃油效率。 U 形尾部起到屏蔽作用，可降低發(fā)動(dòng)機(jī)噪音。正是碳纖維材料使得所有這些概念得以構(gòu)想。

雖然碳纖維自 20 世紀(jì) 70 年代以來(lái)一直用于飛機(jī)制造，但隨著制造技術(shù)的進(jìn)步，在商用飛機(jī)的設(shè)計(jì)和制造中尋求新的方法來(lái)利用這種令人難以置信的資源變得越來(lái)越普遍。由于其重量輕、強(qiáng)度高、表面光滑，碳纖維復(fù)合材料是制造飛機(jī)許多部件的理想材料。飛機(jī)機(jī)身使用碳纖維制品可以提高燃油效率、提高空氣動(dòng)力學(xué)性能，并且可以使用更少、更輕的部件來(lái)制造。所有這些因素加起來(lái)都降低了制造和運(yùn)營(yíng)成本。難怪今天的概念飛機(jī)更多地使用碳纖維復(fù)合材料——顯然，碳纖維將成為制造未來(lái)飛機(jī)機(jī)身的主要材料。