第5章 飞行器的构造

第五章飞行器的构造本章介绍飞行器的构造，这里所说的飞行器构造不包括动力装置和机载设备，只是飞行器机体结构。不同的飞行器机体的构成不同：对于飞机来说，机体包括机翼、机身、尾翼、起落架等；对于导弹来说，包括弹翼、弹身、舵面等；对于人造地球卫星来说，包括壳体、太阳能电池板等。5.1对飞行器结构的一般要求和常用的结构材料5．1．1对飞行器结构的一般要求不同的飞行器根据使用要求的差别，在结构上也有较大的不同。但是飞行器结构的作用是相同的，就像房屋的骨架一样，结构组成了飞行器的各个部分的支撑构架，又将飞行器各个部分连成一个整体。所谓飞行器结构就是飞行器各受力部件和支撑构件的总称。结构要承受内部载重、动力装置和外部空气动力引起的载荷，装载内部人员和设备，并提供人员和设备的工作空间。由于飞行器各部分的功用不同，因此对每个部分的要求也不同，其结构上也有各自的特点，但它们又都是某一整体的组成部分，也有许多共同的地方。因此飞行器结构应满足以下共同的基本要求。1．空气动力要求飞行器结构满足飞行性能所要求的气动外形和表面质量。飞行器的气动外形主要是根据飞行性能要求和飞行品质要求决定的。如果飞行器结构达不到必要的空气动力要求，将导致飞行阻力增加、升力减小、飞行品质变坏。不仅航空器要满足空气动力要求，而且穿过大气层飞行的导弹和航天器(如弹道导弹、运载火箭、返回式卫星和航天飞机等)也要满足空气动力要求。2．重量和强度、刚度要求在满足一定的强度、刚度和寿命的条件下，要求飞行器的结构重量越轻越好。强度是指结构承受载荷时抵抗破坏的能力。刚度是指结构在载荷作用下抵抗变形的能力。强度不够会引起结构破坏，刚度不足不仅会因变形过大，破坏气动外形的准确性，还会在一定速度条件下发生危险的颤振现象。寿命是指从开始使用到报废的时间。增加强度、刚度和寿命都会增加结构重量，在总重量不变的情况下，结构重量增加就意味着有效载重妁减少，或飞行性能的下降。3．使用维护要求飞行器结构要求使用方便，便于检查、维护和修理，使用过程中要安全可靠，易于运输、储存和保管。4．工艺和经济性要求在一定的生产条件下，飞行器结构要求工艺简单，制造方便，生产周期短、成本低。5.1.2飞行器结构采用的主要材料飞行器设计过程中为了减轻结构重量，除了采用合理的结构形式之外，非常有效的方法是选用强度、刚度大而重量轻的材料。通常用相对参数表示材料的强度和刚度，即比强度和比刚度。比强度：抗拉强度()／密度()比刚度：弹性模量(E)／密度()在选用结构材料时，应尽量采用比强度和比刚度大的材料。其次，根据不同的飞行和环境条件，要求材料具有一定的耐高温和耐低温性能，要具有良好的抗老化和耐腐蚀能力，要具有足够的断裂韧性和良好的抗疲劳性能。另外材料还要具有良好的加工性能，资源丰富，价格低廉。常用于航空航天领域的结构材料有如下几类。1．铝镁合金类有色金属中铝合金在航空航天中应用最为广泛，主要是铝合金有较高的比强度和比刚度(密度约2．8g／cm约为钢的1／3，强度约为普通钢的1／2)，具有良好的耐腐蚀性和低温性能并且价格低廉。镁合金密度更小(1．75～1．9g／cm)，其比强度和比刚度与铝合金和合金钢相当。镁合金的机械加工性能优良，但耐腐蚀性较差，适合用于制造承力较小，壁厚较大的零件。2．合金钢类合金钢主要包括高强度的结构钢和耐高温耐腐蚀的不锈钢。高强度合金钢具有较高的比强度、工艺简单、性能稳定、价格低廉，适合于制造承受大载荷的接头、起落架和机翼大梁等构件。不锈钢具有良好的耐腐蚀性和耐低温性，可以制造存放液氢、液氧的容器。耐高温的不锈钢还是制造发动机的主要材料。由于不锈钢中合金含量较高，因此价格也比结构钢高得多。钛合金的密度较小(4．5g／cm)强度接近于合金钢，因此具有较高的比强度。钛合金具有较高的耐热性，工作温度可达400℃～550℃，在该温度下的比强度明显优于耐热不锈钢。另外它在潮湿的大气和海水中的耐腐蚀性也优于不锈钢。钛合金的主要问题是加工成型困难，目前价格比较昂贵。3．复合材料复合材料是由两种或多种材料复合而成的多相材料。复合材料中起增强作用的材料称增强体，起粘接作用的材料称为基体。一般增强体为高强度的纤维材料，主要有玻璃纤维、芳纶纤维、硼纤维、碳纤维和石墨纤维等，基体材料则是具有一定韧性的树脂，主要有环氧树脂、聚酰亚胺树脂以及铝合金和钛合金等。复合材料的密度低，比强度、比刚度很高，抗疲劳性能、减震性能和工艺成型性能都很好。不同基体材料的复合材料耐热性能有所不同，采用钛合金基体材料，使用温度可达500℃～600℃外它在潮湿的大气和海水中的耐腐蚀性也优于不锈钢。钛合金的主要问题是加工成型困难，目前价格比较昂贵。3．复合材料复合材料是由两种或多种材料复合而成的多相材料。复合材料中起增强作用的材料称增强体，起粘接作用的材料称为基体。一般增强体为高强度的纤维材料，主要有玻璃纤维、芳纶纤维、硼纤维、碳纤维和石墨纤维等，基体材料则是具有一定韧性的树脂，主要有环氧树脂、聚酰亚胺树脂以及铝合金和钛合金等。复合材料的密度低，比强度、比刚度很高，抗疲劳性能、减震性能和工艺成型性能都很好。不同基体材料的复合材料耐热性能有所不同，采用钛合金基体材料，使用温度可达500℃～600℃。玻璃纤维增强塑料(俗称“玻璃钢”)是在民用方面使用较为普遍的复合材料，其比强度约为铝合金的3倍，但相对刚度较低，约为铝合金的50％，因此在航空航天领域的应用受到了限制。凯芙拉(Kevlar)一49复合材料，是以凯芙拉一49纤维(一种芳纶纤维)作为增强体，树脂作为基体的复合材料，其比强度约为强度较高的S玻璃钢的1．8倍，刚度约为玻璃钢的2倍用它制造的固体火箭发动机壳体比S玻璃钢轻35％以上。石墨—环氧复合材料，是以石墨纤维作增强体以环氧树脂作基体的复合材料。它的比强度超过凯芙拉—49，刚度约为凯芙拉的2倍，用它制造固体火箭发动机壳体又比凯芙拉一49复合材料轻20％～30％。陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体的复合材料。常用的增强材料有碳化硅、氮化硅、氧化铝纤维等。基体与增强材料均有低密度、高强度、高刚度、耐腐蚀、耐高温等特性。陶瓷基复合材料在800～1650℃有良好的力学性能。碳一碳复合材料是以碳纤维增强碳基体的复合材料。将碳纤维预制件反复浸渍合成树脂后，经高温碳化制成，或用碳氧化合物化学沉积制成。在1000~(2～2000~C的高温下碳一碳复合材料仍有相当高的强度和韧性，其耐热性远高与其他任何高温合金。此外，它的热膨胀系数低(只有金属的1／10～1／5)，导热性能良好，摩擦特性优异。可用于制造再人大气层的头锥及飞机刹车盘等，其寿命是钢烧结材料刹车盘的6～7倍。由于复合材料有着非常优越的性能，航空、航天飞行器的结构将越来越多地采用复合材料，21世纪会是复合材料大显身手的时代。：。5.2航空器的构造5.2.1气球和飞艇的基本构造气球和飞艇都属于轻于空气的飞行器，它们分为载人和不载人两种。从航空器的发展来看，是先有气球、飞艇，而后出现了飞机。真正作为飞行器的气球，目前主要有两类：一是氢气231外它在潮湿的大气和海水中的耐腐蚀性也优于不锈钢。钛合金的主要问题是加工成型困难，目前价格比较昂贵。3．复合材料复合材料是由两种或多种材料复合而成的多相材料。复合材料中起增强作用的材料称增强体，起粘接作用的材料称为基体。一般增强体为高强度的纤维材料，主要有玻璃纤维、芳纶纤维、硼纤维、碳纤维和石墨纤维等，基体材料则是具有一定韧性的树脂，主要有环氧树脂、聚酰亚胺树脂以及铝合金和钛合金等。复合材料的密度低，比强度、比刚度很高，抗疲劳性能、减震性能和工艺成型性能都很好。不同基体材料的复合材料耐热性能有所不同，采用钛合金基体材料，使用温度可达500外它在潮湿的大气和海水中的耐腐蚀性也优于不锈钢。钛合金的主要问题是加工成型困难，目前价格比较昂贵。3．复合材料复合材料是由两种或多种材料复合而成的多相材料。复合材料中起增强作用的材料称增强体，起粘接作用的材料称为基体。一般增强体为高强度的纤维材料，主要有玻璃纤维、芳纶纤维、硼纤维、碳纤维和石墨纤维等，基体材料则是具有一定韧性的树脂，主要有环氧树脂、聚酰亚胺树脂以及铝合金和钛合金等。复合材料的密度低，比强度、比刚度很高，抗疲劳性能、减震性能和工艺成型性能都很好。不同基体材料的复合材料耐热性能有所不同，采用钛合金基体材料，使用温度可达500℃～600℃。玻璃纤维增强塑料(俗称“玻璃钢”)是在民用方面使用较为普遍的复合材料，其比强度约为铝合金的3倍，但相对刚度较低，约为铝合金的50％，因此在航空航天领域的应用受到了限制。凯芙拉(Kevlar)一49复合材料，是以凯芙拉一49纤维(一种芳纶纤维)作为增强体，树脂作为基体的复合材料，其比强度约为强度较高的S玻璃钢的1．8倍，刚度约为玻璃钢的2倍，用它制造的固体火箭发动机壳体比S玻璃钢轻35％以上。石墨—环氧复合材料，是以石墨纤维作增强体以环氧树脂作基体的复合材料。它的比强度超过凯芙拉—49，刚度约为凯芙拉的2倍，用它制造固体火箭发动机壳体又比凯芙拉一49复合材料轻20％～30％。陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体的复合材料。常用的增强材料有碳化硅、氮化硅、氧化铝纤维等。基体与增强材料均有低密度、高强度、高刚度、耐腐蚀、耐高温等特性。陶瓷基复合材料在800℃～1650℃有良好的力学性能。碳一碳复合材料是以碳纤维增强碳基体的复合材料。将碳纤维预制件反复浸渍合成树脂后，经高温碳化制成，或用碳氧化合物化学沉积制成。在1000℃～2000℃的高温下碳一碳复合材料仍有相当高的强度和韧性，其耐热性远高与其他任何高温合金。此外，它的热膨胀系数低(只有金属的1／10～1／5)，导热性能良好，摩擦特性优异。可用于制造再人大气层的头锥及飞机刹车盘等，其寿命是钢烧结材料刹车盘的6～7倍。由于复合材料有着非常优越的性能，航空、航天飞行器的结构将越来越多地采用复合材料，21世纪会是复合材料大显身手的时代。5．2航空器的构造5．2．1气球和飞艇的基本构造气球和飞艇都属于轻于空气的飞行器，它们分为载人和不载人两种。从航空器的发展来看，是先有气球、飞艇，而后出现了飞机。真正作为飞行器的气球，目前主要有两类：一是氢气球，它是不载人的，主要作为高空探测使用，如大气环境监测、了射线探测等；另一种是热气球，主要用于体育运动、广告庆典等活动，大多数热气球是载人的。另外还有少量的载人充氦动力气球。飞艇是在气球的基础上增加了动力装置和气动舵面，可以进行有动力飞行和方向控制。早期的飞艇采用氢气做为浮力气体，因为氢气具有易燃易爆的特点，非常危险，出于安全的原因，现已被惰性气体——氦气所取代。氦气飞艇主要用于运输、吊装、观光、环境监测、空中预警等用途。在运输方面它有运输成本低，安全可靠等优点。在军事应用方面，由于气囊材料是非金属的，雷达反射很小，所以作为空中预警有其独到之处。与热气球类似也有采用热空气作为浮力气体的飞艇——热气飞艇，主要用于飞行运动和广告宣传。1．气球的构造(1)氢气球的构造如图5—1所示。球面材料是由塑料薄膜制成，气球下面连有吊篮，用于装载探测设备和仪器，吊篮内有压舱物，作为控制气球升降之用；气球顶部有放气装置。在地面时由于大气的压力，气球体积较小，如图5—1(a)所示。随着高度的升高，大气压力逐渐减小，气球的体积逐渐增大，如图5—1(b)所示，当氢气体积膨胀到超过球体体积时，氢气从下部放气口溢出，直至达到平衡高度。这种气球称为零压差式气球。氢气球一般飞行高度在30～40km，其升限体积可达10～310m，，甚至更大。在某一高度上浮力和重力达到平衡，则气球维持高度不变，并利用高空大气环流飞行。在高空不同的高度的大气风向是不同的，通过放出氢气或抛掉压舱物使气球下降或上升，气球可按照预先计划的飞行路线飞行。任务完成后，通过遥控装置将气球与吊篮的连接缆绳切断，气球上升后破裂，掉落地面。吊篮用降落伞回收，取回实验探测设备和试验仪器。图5-1探空氢气球(2)热气球的构造如图5—2所示。现代热气球球面材料是由高强度尼龙绸经涂敷气密涂料制成。气球下面系有吊篮，装载人