超音速飞机的结构和发动机设计中的材料选择

超音速飞机能够以大于750英里/小时（1207公里/小时）但小于2000英里/小时（3219公里/小时）的速度飞行，马赫数M大于1，1

另一个与超音速飞机设计直接相关的材料要求是抗蠕变能力，因为在3.5马赫的长期运行中，飞机的结构可能会被加热到300℃左右。超音速运输(SST)的最初设计之一，是将空气中的氧气和水混合在一起。协和式飞机的基础是挑选铝合金作为基本结构材料；这种材料的挑选与挑选2马赫作为设计巡航速度紧密相关。然，几乎每个国家都拒绝协和飞机，因为它的音爆和飞机尾气中的污染物可能导致臭氧的消耗。音爆是“雷鸣般”的噪音。

当飞机的速度超过音速时。这就是为什么到目前为止，几乎所有的超音速飞机都是军用飞机；它们主要由轻质碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料制成，具有较高的比强度、疲乏强度、耐腐蚀性和相当高的蠕变强度。航空航天复合材料的另一个实际要求是，当飞机面板的表皮脱胶时，它们能够被修复。除了军用飞机外，CFRP还用于SCT飞机；例如，新的波音787梦想飞机和空客A350XWB的大部分机身都是由CFRP组成的。

超音速气流的物理特性及其设计与亚音速气流完全不同，大约与民用和军用飞机的区别一样大。超音速飞机设计的独特之处包括变后掠/高后掠/三角翼和更薄的机翼、鸭翼、更纤细的机身、面积裁决、音爆、更有力的推进系统、可变的发动机进气等等。超音速层流看起来也非常有趣，特别是对于小型飞机。尽管在现实的操作环境中维持层流还没有被证明，但这个概念仍旧非常有希望。在近期内，基于这种技术的环境可接受的超音速公务机，具有高效的亚音速陆上飞行，似乎是相当可行的。

目前和未来的构架设计

在此先简要介绍一下超音速飞机的构型设计。第一介绍了超音速运输（SST）飞机的情况。典型的SST飞机配置如图所示。超音速飞行代表了飞机设计的一个领域，它有许多挑战，也有许多剩余的机会，可以用传统和非传统的方法解决长期存在的问题。未来超音速飞机的最重要的设计参数之一是巡航马赫数。马赫数为1.4-1.6，相对于目前的民用飞机来说，仍旧提供了很大的速度提升，同时在效率和环境影响方面显得更为可行。小型超音速飞机特别有吸引力，它可以重新降低社区噪音，并使市场更有保证。

斜翼/机身配置在性能和繁荣方面对这些低巡航马赫数似乎很有希望，但仍旧是一个工程挑战，而斜飞翼提供了非常高的效率潜力，但可能导致一个令人望而却步的大型飞机。惠特科姆面积规则，也叫跨音速面积规则，是一种，用于减少飞机在跨音速和超音速时的阻力，特别是在0.75和1.2马赫之间。这是当今商业和军用固定翼飞机最重要的运行速度范畴之一，跨音速加速度被认为是战争飞行器的重要性能指标，必定取决于跨音速阻力。

超音速飞机使用的典型机翼平面形状是双三角翼。三角翼的主要优点是，如果有足够大的后掠角，当飞机的速度接近并超过跨音速到超音速时，机翼的前缘将不会接触到在机头形成的冲击波边界。未来的高速超音速飞机或高超音速飞机正在被设计成能够以大于4.0马赫的速度巡航。高超音速飞机的配置设计不仅要考虑应力，还要考虑压缩性效应、地面环境暴露和天气条件造成的侵蚀效应。关于可压缩性效应，正在努力设计具有半翼的超音速双翼飞机，从而减少音爆和压力阻力。

操作条件和结构材料的挑选

在挑选超音速飞机的结构材料时，对预期服务条件的准确理解是至关重要的。此外，设计标准的确定以及结构概念的测试和评估在设计当前和未来飞机的材料挑选中是至关重要的。在设计商用和军用高速飞机时必须考虑的变量包括：工作压力和温度、载荷、环境条件、水分和液体暴露、辐射、维护和地面处理。暴露在极端的温度（从约-30℃到370℃）、湿度下，会导致涂层和结构材料的退化或加剧飞行暴露条件的破坏性影响。对于超音速飞机，飞行周期条件由巡航速度、高度、飞行载荷和尖峰（或故障）条件决定。SCT飞机的设计寿命大约为20,000个飞行周期，对于一个典型的服务周期来说代表大约60,000个飞行小时。这个飞行周期的很大一部分将在超音速巡航条件下，速度在2至2.4马赫之间。

飞机的结构在飞行过程中要承受以下类型的载荷：(a)拉伸，(b)压缩（可能导致两种失效模式：屈服和屈曲），(c)弯曲，和(d)扭曲。对于超音速应用，飞机的最小重量（强度与轻度或比强度相联系）是材料挑选中的一个重要。因此，在挑选材料时必须考虑涉及飞机重量的设计关系。

这些设计关系对每一种类型的负载都给出了如下信息。在一定的拉伸载荷下，直到达到屈服极限，结构件（如飞机机身）上的应用应力应考虑与其重量（W）的关系.当感兴趣的是比较两种材料的具体强度：（a）和（b），关系可以表达如下：（1）其中W(a)是使用材料（a）的结构件的重量，W(b)是使用材料（b）的结构件的重量，是材料（a）的密度，是材料（b）的密度，是材料（a）的屈服强度，是材料（b）的屈服强度。

在压缩状态下，飞机部件可能会因屈曲而失效；因此，一个重要的设计要求是材料的高刚度（杨氏模量，E）。通过对两种材料(a)和(b)的比较，以下的压缩关系对超音速飞机设计师来说是很有用的：（2）在弯曲状态下，拉伸和压缩应力都作用于结构件（如飞机的机翼）；因此，在比较两种材料时，应采纳以下关系：（3）其中符号的含义与公式（1）中提到的相同。

鉴于超音速飞行的严格操作条件，在飞机结构中挑选高性能铝合金、钛合金和聚合物基复合材料的组合是很重要的。铝合金重量轻，但强度高；钛合金具有很好的热稳定性、强度和耐腐蚀性；而聚合物基复合材料具有优良的刚度、重量和耐热性。未来的高速超音速飞机或高超音速飞机的设计对材料的挑选提出了更大的限制，并要求对不同飞行条件下的材料行为和性能进行充重量化。

特别是，由于天气条件和其他存在的粒子，如水媒；雨、冰雹和冰，以及沙子、火山灰和大气中的残留物产生的灰尘，对飞行器结构的危害是显而易见的，并可能对结构的生命周期产生不利的影响。对于一个坚硬的轻型部件（飞机）来说，一个轴是杨氏模量，另一个轴是密度，每个候选材料有一个数据点。这样，不仅可以很容易地找到具有高刚度或最低密度的材料，而且可以找到具有最好的比例（E/q）。传统的材料挑选图通常是2维；因此，在设计广告时并不真正稳健先进的超音速飞机。

考虑到杨氏模量-硬度-断裂强度；设计者能够准确和有效地挑选用于设计先进的超音速飞机的材料。今天的航空航天设计人员被期望有效地挑选材料，以应用于飞机的不同部分，从而使飞机能够在不同的环境下运行。公式(1)-(3)使航空设计师能够为特定的飞机结构部件挑选材料，并考虑到作用在该部件上的载荷类型。尽管公式(1)-(3)为飞机设计中的材料挑选提供了有用的设计关系，但它们并不能满足完整的设计要求。

通常情况下，以1.8马赫速度飞行的超音速运输机（SSTA）的温度低于100℃，所以铝和CFRP复合材料层压板都可以被用来建筑SST飞机的机身。考虑到制造的复杂性和成本，对于以1.8马赫的速度飞行的SSTA来说，应该优先考虑航空铝合金而不是复合材料。航空铝合金的固溶热处理设计在加强合金的超音速应用方面起着重要作用。经过热处理的铝合金：2024-T81、T6、T62或T81适合用于挤压件。特别是，合金：2014-T6、2024和2618-T61可以用于位于飞机热影响区的锻造产品。

表1使航空设计师能够挑选一些航空铝合金用于速度高达2.0马赫的超声速应用。从表1的数据可以看出，尽管2219-T87铝合金易于制造（断裂伸长率为10%），但其低屈服强度限制了它在现代超音速应用中的使用。甚至低于2.0马赫。然而，易于制造的7075-T6合金和新的（热处理的）2-mmAl-Zn-Mg-Sc-Zr合金（具有最高的（12%）断裂伸长率）对现代SCT飞机具有很好的强度。

特别是，SCT飞机的蜂巢式面板框架主要由7075-T6合金制成；它由板材加工而成，以排除角部连接。铝制蜂窝也可以用在蒙皮层的珠状区域，以帮助加强机身皮肤的硬度。在高温下，2024-T81铝箔提供的强度高于加工硬化合金，如5052-H39和5056-H39。由于锂是密度最小的金属元素，锂与铝的合金化提供了大幅减少航空航天合金重量的希望。例如，2090-T651可用于机身隔板腹板和内部框架部件。另一种轻质铝-锂合金是8090-T651，熔化范畴为600-655℃。因此，这种材料可以用来建筑可延伸的机头。设计超音速飞机的骨架是很重要的，它要足够结实、轻便，能够承受施加在它身上的高压力。

这种应用的一个理想材料是钛合金：Ti-6Al-4V，因为它具有优良的耐腐蚀性、可加工性和强度-重量比。钛的高熔点（1668℃）确保了由摩擦引起的热量不会对飞机骨架产生任何不利影响。此外，热膨胀非常低，在25℃的钛，确保了飞机在超音速运行时的热稳定性。超音速飞机的皮肤温度是其速度和环境的一个函数。由于暴露在不断降低的环境空气温度中，皮肤温度最初会随着飞机的爬升而下降。当速度增加到1马赫以上时，温度开始上升，皮肤温度在以马赫速度巡航时达到最高的120℃（248°F）。2.2.（在2.0马赫时，皮肤温度将保持在100℃以下(212°F)；在2.4马赫时，它将达到150°C(302°F。)在解体过程中，情况会相反。因此，在高速飞行（>4.0马赫）的高超音速飞机的结构中可能出现高温上升（>370℃）。

表2中的数据清楚地表明，目前以2.5-4.0马赫的速度飞行的超音速飞机应该采纳高强度的耐热复合材料。例如，SR-71“黑鸟”喷气机可以在马赫数上连续飞行3.1，而有些部件被加热到315℃（600）以上。市面上有最先进的高温碳纤维增强聚合物（CFRP），如石墨纤维/PMR-15和石墨纤维/PMR-11-55，能够在290和345℃之间的温度下承受数千小时的使用。

SCTA和军用飞机都是由CFRP制成的。例如，商业客机，如波音787梦幻客机，由于使用了CRFP，运行效率更高，燃料成本更低。表3中的数据可以用来挑选适合超音速飞机的CFRP，具体如下。CFRP的弹性模量（E）越高，越适合于高马赫速度。巡航速度超过4.0马赫的先进SST飞机需要开发具有高耐热能力、抗疲乏性、耐久性和比强度/低重量的先进航空合金和复合材料。

在讨论了超音速飞行器的工作条件和各种航空材料的温度能力后，现在对SCT飞机各部分的具体材料进行了分析。图中表明，SST飞机的机身皮肤，以2.2马赫的速度飞行，需要一种在100至130℃温度范畴内抗长期蠕变的材料。对于这种应用来说，一种合适的具有成本效益的材料可能是2650铝合金；它在相对较高的温度下具有这种特性。使用2650-T8合金，在超音速飞行阶段暴露在100到130℃的温度下，显示出材料在60000小时的使用寿命内，在150MPa的应力下，变形不超过0.1%。

飞机的不同部分被加热到不同的温度；因此飞机的不同部分应该使用不同的材料。特别是，机头和机翼周围的温度上升明显高于沿机身的温度上升。因此，应挑选市面上的高温CFRP用于SCT飞机结构的机身。然而，机头和机翼周围（需要更好的耐热材料）应使用先进的CFRP。例如，碳纤维增强环氧树脂具有优良的比强度，并被推举用于2.5-3.5马赫的速度范畴。今天的高速超音速飞行需要坚固的材料，能够处理极端的热量；例如，军用飞机需要发动机喷嘴提供数千小时的服务，其温度高达399℃（750°F）。对于这样的应用，高性能复合材料已经被开发出来；这些复合材料包括聚酰亚胺、双马来酰亚胺（BMIs）、氰酸酯（CEs）、苯并恶唑啉和邻苯二甲酸二酯。特别是，聚酰亚胺、双马来酰亚胺（BMIs）、氰酸酯（CEs）和苯并恶唑啉具有优异的性能。

因此，它们被推举用于3.5马赫以上的速度。美国华盛顿特区的海军再搜索实验室开发的邻苯二腈树脂系统（石墨纤维-邻苯二腈复合材料）有能力在高达371°C（700°F）的高温下长时间暴露。这与海军飞机上使用的环氧树脂系统形成对比，后者根据树脂的水分含量，在温度接近150°C（302°F）时失去其刚性或剪切强度。对于导弹应用中典型的短暴露时间，高温拉伸试验表明，使用邻苯二腈树脂系统制造的石墨纤维复合材料可以在接近538℃（1000°F）的温度下保持其拉伸强度。

相比之下，以环氧树脂为基础的石墨纤维-树脂强制复合材料，在类似的短时间暴露中，在260℃（500）左右的温度下开始迅速失去其拉伸强度。从图中可以看出，石墨-环氧树脂的多配偶拉伸强度（UTS）在316℃时下降了近50%。另一方面，石墨-邻苯二腈在温度超过482℃时才会出现明显的降解；这就是为什么这种材料被特别推举应用于速度在3.5马赫左右的超音速飞机的机头和机翼周围。

另外，超音速对高速超音速飞机的材料挑选有严格的要求，材料挑选工具的影响：加权相对性能评级程序现在被用于挑选军用飞机机翼的材料。尽管这个程序依靠于挑选具有最高综合评级的材料，但如果速度不超过规定的极限，航空设计师也必须考虑使用替代材料。

这种材料挑选的理念在表中得到了说明。在这个材料挑选的加权相对性能评级程序中，只考虑了金属，因为复合材料没有尖锐的屈服点。在表中，权重系数被分配如下：机械性能为10，耐温性为20（如果飞机速度高达马赫数4.0），而成本为1。表中的数据分析表明，不锈钢应该是特定应用的最佳挑选。然而，航空设计师不能忽视钛合金杰出的抗腐蚀能力和低密度；如果超音速飞机的速度不超过3.0马赫，应该首选钛合金。

事实上，军用飞机的机翼可以挑选不锈钢（或复合材料）、钛合金和高温铝合金（如2650-T8）的组合。鉴于机翼在超音速飞行中被加热的温度差异很大，这种材料挑选建议是合理的。

未来的超音速/超音速飞机被设计为以超过5.0马赫的速度巡航；这可能会使结构加热到400℃以上。这种操作条件要求开发能够承受高温梯度的先进复合材料。陶瓷和金属组成的功能分级材料（FGMs）可以提供由大温度梯度产生的热保护。在这些FGMs中，陶瓷起到了承受大量热传导的作用，而金属则在高温环境下承受了相当程度的韧性。这些功能分级复合材料被推举用于先进的/未来的超音速飞机的皮肤面板。未来超音速飞机的设计也需要考虑到具有杰出的抗轻击损伤的结构材料。

研究总结

未来超音速运输机的经济可行性需要雄心勃勃的空气动力性能。由于它对飞机性能有很大的影响，超音速运输机的燃料推进系统的空气动力学设计对整个飞机的效率是最重要的。一个低整流罩角度的空气进图展现了具有优良效率和运行特性的分布式推进器，这应该是减少推进系统阻力的一个解决方案。在保持高比推力的同时，大幅降低喷气机的噪音也很重要。这应该有助于开发起飞时寂静、超音速巡航时高效的涡扇发动机。噪声抑制的原理是减少引起强烈向下辐射的湍流涡流的对流马赫数；涡流变得越亚音速，向远场辐射的噪声就越少。估计未来SCT飞机的发动机的飞行条件将比目前的应用更加严峻。

更严酷的条件主要是由低NOx排放的燃烧器和低噪声的排气喷嘴的设计要求所驱动。因此，超音速推进系统的未来趋势要求开发具有高压气机出口和涡轮进气温度的更节能的发动机，以及明显高于典型的超音速能力发动机的旁通率。压缩机部分的工作温度通常在500-600℃之间；因此，高比强度的抗腐蚀钛合金仍旧是这种应用的最佳挑选。目前超音速飞机的涡轮部分的工作温度在1400-1500℃之间；这种应用需要挑选耐热的镍基超合金。然而，在未来大推力超音速飞机的涡轮部分，温度条件将更加严格。因此，冶金学家需要为未来超音速飞机的热段开发先进的高性能材料。

网址：超音速飞机的结构和发动机设计中的材料选择 http://c.mxgxt.com/news/view/872610

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