关注·美空军超音速运输机采用碳纤维复合材料

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图片来源：Boom Supersonic官网

近日，美国空军(USAF)宣布授予Exosonic、Hermeus和Boom超音速小型商业合同，用于研制一种潜在的超音速运输机。

Boom Supersonic在9月8日的声明中说，公司获得的合同资金将资助基于Overture飞机的配置探索，该公司正在为商业超音速飞行开发该飞机。Overture将采用碳纤维复合材料在高温下保持强度，比超音速协和式飞机上使用的铝合金更好。根据该公司的一份声明，复合材料在超音速条件下的膨胀和收缩比金属小得多，使Overture在概念上能够以更高的速度飞行。

此前，Boom宣布，其超音速演示机XB-1将于2020年10月7日推出。XB-1是世界上第一架自主研发的超音速喷气机，将展示Overture、Boom商用客机的关键技术，如先进的碳纤维复合材料结构、计算机优化的高效空气动力学和高效的超音速推进系统。分析建造的XB-1的材料也让我们距离了解Overture更进一步。

制造超音速飞机的材料

木头易腐烂，织物太脆弱，钢铁过于笨重，钛则太昂贵，而铝不能一直承受热量，于是，碳纤维复合材料刺激了创新。

其实，飞机材料的历史——部件是由什么构成的——就像一部现代工程编年史。

今天的飞机包括多种材料，其中许多材料在50年前并不广泛使用或根本不可行。在过去的两年里，抓狂的工程师们一直在测试超音速飞行的材料，他们将创新材料和传统材料结合在了超音速演示飞机XB-1上。

XB-1的材料是根据几十个因素选择的。在建造的每一步，工程师们都要平衡性能、成本、强度和重量的要求。在设计中每减少一磅重量，就会增加一磅燃料，从而使XB-1在超音速飞行时飞行时间更长。因此，对每一种材料及其后续部件的分析都是有条不紊的。材料也要经过时间的检验，看它们的性能如何；在整个飞机使用寿命中，每个部件都必须保持其机械性能，这意味着在飞行500小时后，性能要与飞行50小时后一样好。

对于超音速飞机来说，由于空气动力加热的独特问题，材料还必须提供热阻。超音速飞行时，飞机上的空气压缩更大，从而产生更多的热量。由于所有的金属在受热时都会膨胀并失去强度(在速度超过5马赫时，大多数金属会融化或变得非常柔软，于是弯曲，失去其特性)，所以超音速飞机的材料在选择时都必须考虑空气动力加热。

在维持强度和耐热性的基础上，XB-1主要材料如下：

碳纤维复合材料

XB1的大部分机身结构以及一些支架都是由轻质碳纤维复合材料制造的，这种材料具有较强的强度和较低的CTE(热膨胀系数)。它们的膨胀速度更接近于钛，而钛也是XB-1的关键材料。复合材料被证明能够经受腐蚀和磨损，使它们成为机身结构选择的一种元素。

在协和式飞机的设计过程中，复合材料并没有经过充分的航空测试和证明，尽管飞机确实包括了它们。协和式飞机设计于20世纪60年代，其制造材料从独特的铝合金和钢，到不锈钢蜂窝和树脂粘结玻璃纤维(一种复合材料)。这些材料可以承受极高的温度，但并不都是轻质的(这就需要更多的燃料)。我们只能想象协和式飞机的工程师会如何使用今天的复合材料来改善重量和热挑战。

钛

钛具有超强的强度，还可以与碳纤维复合材料兼容。这两种材料具有相似的热特性，膨胀速度也比较接近，使它们成为超音速飞机制造的理想搭档。

XB-1的主起落架舱壁由重66磅的4英寸厚的钛板制造。它是XB-1中强度重量比最高的材料之一，在着陆速度下舱壁将承担大部分载荷。当XB-1着陆时，舱壁将吸收来自每个起落架的112,000磅的力。出于强度的要求，大多数后机身由钛制造。

虽然在这些特定的情况下，钛是理想的，但也可能在整个飞机制造中全采用这种金属。原因很简单，成本！钛极难获得，所以非常昂贵，目前平均每磅40美元，而铝每磅约1美元(两种价格因市场条件和金属购买方式的不同而差异很大)。

钛也很难制造。然而，钛皮飞机确实存在:其中最著名的是洛克希德·马丁SR-71黑鸟。在飞机的发展过程中，钛皮是间谍飞机家族的一部分，必须制造专门的钛工具，因为普通的金属工具会折断更脆的钛。巧合的是，SR-71包含了一些最早用于飞机制造的碳纤维复合材料。

Ultem 9085

Ultem（聚醚酰亚胺）9085这种热塑性材料不仅可以3D打印，而且坚固、轻便、阻燃。在XB-1中，三次支架、夹块、垫片、导管和燃料关闭器大部分是在内部生产的，使用3D打印Ultem 9085。

由于允许设计迭代快速，3D打印的Ultem 9085可以节省时间和金钱。在3D打印技术出现之前，复杂的飞机部件都是用一块坚实的材料加工出来的，通常需要花费昂贵、艰苦和费时的努力。

最后，虽然XB-1具有许多较新的材料，它也包括经过试验和测试的材料，如铝、不锈钢、橡胶、黄铜、青铜、丙烯酸和铜。每一个都非常适合每个部件的特定用途，并提供所需的强度、耐热性、耐久性、重量、可加工性和超音速飞行性能。这些材料需要接受Boom的XB-1在今年10月7日第一次飞行考验。

编译/前瞻高端装备研究组

来源：前瞻网

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来源：碳纤维生产技术

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