航空材料工程的案例
【兩刊動態】《材料工程》《航空材料學報》繼續入編北大《中文核心期刊要目總覽》
編輯部兩本期刊《材料工程》《航空材料學報》繼續入編《中文核心期刊要目總覽》2020年版（即第9版）一般工業技術類和金屬學與金屬工藝類核心期刊。衷心感謝各位關注以及幫助兩刊的科研工作者們，也請繼續支持兩刊的工作更上一層樓！
航空航天材料的選擇及應用
導彈頭部、航天器再人艙外表面和火箭發動機內表面，要采用燒蝕材料，在熱流作用下，燒蝕材料能發生分解、熔化、蒸發、升華、侵蝕等物理和化學變化，材料表面的質量消耗帶走大量的熱，以達到阻止再人大氣層時的熱流傳人飛行器內部、冷卻火箭發動機燃燒室和噴管的目的。為了保持艙內有適宜的工作溫度，再人艙段要采取輻射防熱措施，外蒙皮為耐高溫的鎳基合金或鈹板，內部結構為耐熱欽合金，外蒙皮與內部結構之間填以石英纖維、玻璃纖維復合陶瓷等有良好隔熱特性的材料。
隨著載人航天、探月及深空探測、高分辨率衛星、高超速飛行器、重復使用運載器、空間機動飛行器等航天工程的實施和不斷發展，對材料提出了全新的、更加苛刻的要求，為航天新材料的發展提供了新的契機和動力，材料領域必須盡早在材料體系創新、關鍵原材料自主保障以及工程應用等方面取得重大突破。
文章來自
展開 納米復合材料或將成為下一代航空材料
納米復合材料或將成為下一代航空材料
一代材料，一代飛機
1903年，萊特兄弟制造的世界上第一架飛機“飛行者一號”邁出了人類征服空天的第一步，彼時的飛機機體主要由木材和布制成。
20世紀20年代，高強度的鋼和鋁合金逐漸代替了木材，為飛機插上了鋼鐵之翼。
50年代，耐熱性更好的鈦合金開始登上歷史舞臺。
80年代，高性能鋁合金以其輕質高強的特性逐漸獲得人們的青睞，成為飛機機體的主要結構材料。
21世紀，復合材料以其更低的密度、更高的強度以及強大的可設計性等諸多特點開始代替部分傳統材料，大型客機A350和B787上高性能復合材料用量均達到飛機結構用量的50%以上。
未來，航空材料又將走向何方？歐洲最大的飛機制造商——空中客車公司，將目光轉向了納米材料。
納米材料研發
8月31日，空客（北京）工程技術中心與中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所（以下簡稱蘇州納米所）在蘇州舉行了合作簽約儀式，正式成立航空納米材料聯合實驗室，主要合作內容包括航空納米復合材料高導電、高韌性化技術以及在線高精度監測技術開發等。“這是空中客車中國公司在航空納米復合材料領域與中國研究團隊的第一次合作。”空客（北京）工程技術中心總經理程龍說。
蘇州納米所長期專注納米材料研發，在國際上較早開展高性能碳納米纖維與薄膜等材料研發和工程化，其產品性能和產能目前均處于國際先進水平。這與空中客車中國公司在航空先進材料方面的發展規劃高度切合，也為雙方合作奠定了堅實的技術基礎。
“目前飛機上應用最多的復合材料為碳纖維復合材料。
展開 納米復合材料或將成為下一代航空材料
納米復合材料或將成為下一代航空材料
一代材料，一代飛機
1903年，萊特兄弟制造的世界上第一架飛機“飛行者一號”邁出了人類征服空天的第一步，彼時的飛機機體主要由木材和布制成。
20世紀20年代，高強度的鋼和鋁合金逐漸代替了木材，為飛機插上了鋼鐵之翼。
50年代，耐熱性更好的鈦合金開始登上歷史舞臺。
80年代，高性能鋁合金以其輕質高強的特性逐漸獲得人們的青睞，成為飛機機體的主要結構材料。
21世紀，復合材料以其更低的密度、更高的強度以及強大的可設計性等諸多特點開始代替部分傳統材料，大型客機A350和B787上高性能復合材料用量均達到飛機結構用量的50%以上。
未來，航空材料又將走向何方？歐洲最大的飛機制造商——空中客車公司，將目光轉向了納米材料。
納米材料研發
8月31日，空客（北京）工程技術中心與中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所（以下簡稱蘇州納米所）在蘇州舉行了合作簽約儀式，正式成立航空納米材料聯合實驗室，主要合作內容包括航空納米復合材料高導電、高韌性化技術以及在線高精度監測技術開發等。“這是空中客車中國公司在航空納米復合材料領域與中國研究團隊的第一次合作。”空客（北京）工程技術中心總經理程龍說。
蘇州納米所長期專注納米材料研發，在國際上較早開展高性能碳納米纖維與薄膜等材料研發和工程化，其產品性能和產能目前均處于國際先進水平。這與空中客車中國公司在航空先進材料方面的發展規劃高度切合，也為雙方合作奠定了堅實的技術基礎。
“目前飛機上應用最多的復合材料為碳纖維復合材料。
展開 
納米復合材料或將成為下一代航空材料
納米復合材料或將成為下一代航空材料
一代材料，一代飛機
1903年，萊特兄弟制造的世界上第一架飛機“飛行者一號”邁出了人類征服空天的第一步，彼時的飛機機體主要由木材和布制成。
20世紀20年代，高強度的鋼和鋁合金逐漸代替了木材，為飛機插上了鋼鐵之翼。
50年代，耐熱性更好的鈦合金開始登上歷史舞臺。
80年代，高性能鋁合金以其輕質高強的特性逐漸獲得人們的青睞，成為飛機機體的主要結構材料。
21世紀，復合材料以其更低的密度、更高的強度以及強大的可設計性等諸多特點開始代替部分傳統材料，大型客機A350和B787上高性能復合材料用量均達到飛機結構用量的50%以上。
未來，航空材料又將走向何方？歐洲最大的飛機制造商——空中客車公司，將目光轉向了納米材料。
納米材料研發
8月31日，空客（北京）工程技術中心與中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所（以下簡稱蘇州納米所）在蘇州舉行了合作簽約儀式，正式成立航空納米材料聯合實驗室，主要合作內容包括航空納米復合材料高導電、高韌性化技術以及在線高精度監測技術開發等。“這是空中客車中國公司在航空納米復合材料領域與中國研究團隊的第一次合作。”空客（北京）工程技術中心總經理程龍說。
蘇州納米所長期專注納米材料研發，在國際上較早開展高性能碳納米纖維與薄膜等材料研發和工程化，其產品性能和產能目前均處于國際先進水平。這與空中客車中國公司在航空先進材料方面的發展規劃高度切合，也為雙方合作奠定了堅實的技術基礎。
“目前飛機上應用最多的復合材料為碳纖維復合材料。
展開 航空航天系統工程-載荷和結構
機體結構的工程設計是一個涉及多個學科的過程。它的兩項主要活動是:
1.外部載荷分析
2.內部載荷分析外部載荷分析屬于載荷組的范疇，是本節的主題。應力分析小組負責內部載荷和機體結構的詳細規范。
這里介紹以下內容：
產生空氣動力載荷的力和壓力；
慣性載荷的基本知識和影響慣性載荷的參數(慣性載荷是加速質量產生的力，作用方向與加速度矢量相反)；
摘要形式的負載組的工作；荷載組和其他工程組之間的接口。外部載荷是作用在機翼或垂直尾翼等結構表面的空氣動力和慣性力。外部載荷分為兩大類:
空氣載荷:空氣動力，即升力和阻力，由氣流的動壓引起，它們是由于飛機以一定速度在空氣中運動而作用在機翼表面的壓力的結果。
慣性載荷:由重力和由飛機機動和大氣湍流產生的加速度引起的力。
圖1顯示了飛機在飛行中受到空氣動力和慣性力的作用。由于飛機是浸在我們稱之為空氣的流體中的自由體，它必須響應任何合力而運動。線速度和旋轉速度將與施加在重心的凈力和力矩成比例。相反，對于具有穩定姿態和恒定速度的飛機，重心處的凈力和力矩必須為零。力矩是力乘以距離產生的旋轉。
內部載荷是那些作用在飛機結構內的力。慣性力是機身內部載荷的主要來源。內部載荷的分析直接導致機體結構的規格，并有助于飛機認證。
02
負載源
有許多事件和條件促成了外部和內部負荷，它們被列舉如下。
1. 聲學壓力
2. 大氣湍流（陣風）
3. 自動駕駛儀出現故障
4. 碰撞載荷因素
5. 甩尾
6. 發動機葉片脫落和磁盤故障
7.
展開 在航空航天行業使用敏捷工程開發復雜產品
航空航天及國防行業正處于充滿挑戰的時代。對創新的需求以及新技術的涌現帶來了前所未有的顛覆。全球性競爭加劇使形勢更加錯綜復雜。只有努力轉型才能滿足如今市場對以更低成本加速產品創新而不犧牲質量、高性能或高性能產品功能的需求。試想用一個強大的工具幫您在實際制造前對您的設計進行飛行模擬。
敏捷產品開發可加快上市速度
消除創新的絆腳石可幫助降低技術風險、掌控產品開發流程，從而始終保持按計劃和預算實施。但如果您可以在實際制造前對您最為復雜的設計進行飛行模擬，從而在設計的早期階段便確保產品的性能、工藝性、支持能力呢？敏捷工程方法已經在軟件行業證明了其價值。行業變化日新月異，航空航天及國防企業也有機會采用同樣的方法獲得成功。
航空航天設計中使用的新一代工具
現在就憑借敏捷工程獲得成功！借助敏捷開發方法和數字化的強大力量制定可加快產品開發的項目計劃。構建協同式基于模型的設計環境，使電氣、機械和軟件學科相融合，從而促進迭代式創新設計，通過虛擬驗證和制造來“測試”設計。
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展開 MBSE:基于模型的系統工程在航空發動機控制設計中的應用
導讀：基于模型的系統工程（MBSE）采用模型的表達方法描述系統的整個生命周期過程中需求、設計等活動，以其無歧義、模塊化等優點迅速覆蓋了航空航天、船舶等相關工程領域。本文總結了 MBSE的方法論、建模語言和建模工具，通過不同角度對不同方法、工具進行對比，為尋找適合航空發動機功能建模的解決方案進行了初步探索。
作者：郭宇 臧睿 周璐莎 王佳川 葉祖趙 | 來源：科技導報
在系統工程初期階段，系統產生的信息均以文檔形式描述和記錄。但是隨著系統規模和復雜程度的不斷提高，基于文檔的系統工程面臨的困難越來越突出，如信息表示不準確造成歧義、難以從海量文檔中查找所需信息、無法與其他工程領域的設計相銜接（如軟件、機械、電子等）。于是基于模型的系統工程（MBSE）應運而生，這也是未來系統工程發展的必然趨勢。
基于模型的系統工程
MBSE基本概念
國際系統工程學會（International Council of Systems Engineering，INCOSE）在 2007 年提出了基于模型的系統工程，它是系統工程領域發展的一種基于模型表達的方法。一方面，MBSE 通過標準系統建模語言構建需求模型、功能模型、架構模型，實現需求、功能到物理架構的分解和分配；另一方面，MBSE通過模型執行實現系統需求和功能邏輯的確認和驗證，并驅動產品設計、實現、測試、綜合、驗證和確認環節。
展開 敏捷工程助推航空航天領域生產率（免費領文檔）
此外，得益于不同工程工具之間、項目管理解決方案、業務數據和整個 BOM 的無縫集成，A&D 行業在應對不斷增長的、要求更高效率的方面，無疑將旗開得勝。
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全球復合材料供需基本平衡 航空航天領域成碳纖維復合材料最大應用市場
復合材料是指由兩種或兩種以上不同性質的材料，通過物理或化學的方法，在宏觀（微觀）上組成具有新性能的材料。各種材料在性能上互相取長補短，產生協同效應，使復合材料的綜合性能優于原組成材料而滿足各種不同的要求。復合材料制品行業的上游主要為玻璃纖維、樹脂等行業，下游主要為風電、汽車、工程機械、游艇等行業。目前，全球復合材料市場價值及產量近年來穩步上升。
復合材料行業生產能力不斷提升
在亞太地區復合材料需求刺激下，全球加快了復合材料產能規劃，復合材料的生產能力不斷提高，從推動了行業產量的不斷增長。2017年全球復合材料產值約為867億美元，同比去年增長5.73%。
分地區來看，2017年，北美地區復合材料產值占全球產值的30%；中國大陸占比25%；歐洲占比20%。北美地區復合材料產品主要應用于航空航天和交通運輸等領域，附加值較高，市場規模大，相對而言，雖然中國大陸地區復合材料產量高，但產值較低，應用領域較低端，未來發展需要產業結構調整。
全球復合材料需求情況
近年來，在全球經濟環境不景氣等大環境影響下，全球復合材料市場結構正在逐步發生變化，美、日、歐等發達國家和地區復合材料市場相對飽和，增速較為緩慢。亞太亞太地區由于長期以來人均復合材料消費水平，市場需求空間大，增速較快。從而總體促進了復合材料行業穩定增長。數據顯示，2017年全球復合材料市場達到304億美元左右，復合材料終端產品市場規模則達到了864億美元左右，其中高性能復合材料終端產品市場規模約為250億美元。
全球復合材料需求結構
從全球范圍來看，目前全球復合材料主要為玻璃纖維復合材料和碳纖維復合材料，二者合計占整個復合材料市場規模的90%以上。因此下面主要從玻璃纖維復合材料和碳纖維復合材料下游的需求結構。
展開 航空發動機的新材料
樹脂基復合材料
樹脂基復合材料在航空渦扇發動機上的應用研究始于20世紀50年代，經過60余年的發展，GE、PW、RR以及MTU、SNECMA等公司投入了大量精力進行樹脂基復合材料研發，取得了很大進展，已經將其工程化應用到現役航空渦扇發動機，并且還有進一步擴大應用量的趨勢。
樹脂基復合材料的服役溫度一般不超過350℃。因此，樹脂基復合材料主要應用于航空發動機的冷端。樹脂基復合材料在國外先進航空發動機上的主要應用部位如圖所示。
風扇葉片
發動機風扇葉片是渦扇發動機最具代表性的重要零件，渦扇發動機的性能與它的發展密切相關。與鈦合金風扇葉片相比，樹脂基復合材料風扇葉片具有非常明顯的減重優勢。除具有明顯的減重優勢之外，樹脂基復合材料風扇葉片受撞擊后對風扇機匣的沖擊較小，有利于提升風扇機匣包容性。
目前，國外已進行商業化應用的復合材料風扇葉片的主要代表有為B777配套的GE90系列發動機，為B787配套的GEnx發動機，還有為中國商飛C919配套的LEAP-X發動機。1995年，裝配樹脂基復合材料風扇葉片的GE90-94B發動機正式投入商業運營，標志著樹脂基復合材料在現代高性能航空發動機上正式實現工程化應用。在綜合考慮空氣動力學、高低周疲勞循環等因素的基礎上，GE公司又為后續的GE90-115B發動機研制了新的復合材料風扇葉片。
進入21世紀，航空發動機對高損傷容限復合材料的強烈需求牽引著復合材料技術進一步發展，而通過不斷提高碳纖維/環氧樹脂預浸料韌性的方法已經很難滿足高損傷容限的要求。
展開 
《航空材料學報》創刊40周年征文
而航空材料的進步歸功于航空材料科研人員的默默奉獻，正是他們夜以繼日的辛苦付出，助力了我國航空技術的進步，在這里向廣大奉獻在航空材料戰線上的科研人員致敬！
歡迎您為《航空材料學報》創刊40周年專刊投稿！
航空航天新復合材料…
文末可以免費領取西門子官方《航空航天及國防行業的復合材料趨勢》PDF文檔，以了解航空航天的復合材料新趨勢，同時了解回彈和制造規劃。
復合材料已在民用飛機的結構上廣泛應用。復合材料的最大優點是耐腐蝕和對疲勞不敏感，以及可以有效的減輕飛機的重量。因此研究飛機復合材料維修具有較高的實際工程意義。
1 飛機復合材料
1.1應用種類
飛機復合材料結構通常被稱為"纖維增強塑料"。這是因為它使用高強度的纖維增強材料，嵌入在一種樹脂基體里，以層或層片的形式疊加起來，形成層板。然后使用一種精確控制的加壓加熱工藝把該層板固化為一種非常堅固和堅硬的結構。
組成飛機復合材料的組元有纖維增強材料，基體和界面層。
纖維增強材料體是承載的組元，均勻地分布在基體中，并對基體起增強（韌）作用；
基體是起著連接纖維增強材料，使復合材料獲得一定的形狀，并保護纖維增強材料的作用；
界面層是包覆在增強體外面的涂層，其功能是傳力，同時防止基體對纖維增強材料的損傷，并調節基體與纖維增強材料之間的物理、化學結合狀態，確保纖維增強材料作用的發揮。
通過界面層產生的復合效應，可以使復合材料超越原來各組元的性能，達到最大幅度改善強度或韌性的目的。飛機復合材料不但是多組元的材料，而且，材料的機械性能和物理性能隨方向而變化，也是各向異性的材料。
2 復合材料的損傷
2.1復合材料基體樹脂裂紋損傷
復合材料層合板在承受拉伸載荷或交變載荷時，我們首先能在偏軸層內觀察到基體裂紋。
展開 未來，航空材料又將走向何方？
一代材料，一代飛機。
1903年，萊特兄弟制造的世界上第一架飛機“飛行者一號”邁出了人類征服空天的第一步，彼時的飛機機體主要由木材和布制成；20世紀20年代，高強度的鋼和鋁合金逐漸代替了木材，為飛機插上了鋼鐵之翼；50年代，耐熱性更好的鈦合金開始登上歷史舞臺；80年代，高性能鋁合金以其輕質高強的特性逐漸獲得人們的青睞，成為飛機機體的主要結構材料；21世紀，復合材料以其更低的密度、更高的強度以及強大的可設計性等諸多特點開始代替部分傳統材料，大型客機A350和B787上高性能復合材料用量均達到飛機結構用量的50%以上。未來，航空材料又將走向何方？歐洲最大的飛機制造商——空中客車公司，將目光轉向了納米材料。
8月31日，空客（北京）工程技術中心與中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所（以下簡稱蘇州納米所）在蘇州舉行了合作簽約儀式，正式成立航空納米材料聯合實驗室，主要合作內容包括航空納米復合材料高導電、高韌性化技術以及在線高精度監測技術開發等。“這是空中客車中國公司在航空納米復合材料領域與中國研究團隊的第一次合作。”空客（北京）工程技術中心總經理程龍。
蘇州納米所長期專注納米材料研發，在國際上較早開展高性能碳納米纖維與薄膜等材料研發和工程化，其產品性能和產能目前均處于國際先進水平。這與空中客車中國公司在航空先進材料方面的發展規劃高度切合，也為雙方合作奠定了堅實的技術基礎。
“目前飛機上應用最多的復合材料為碳纖維復合材料。與傳統金屬材料相比，碳纖維復合材料密度低、強度高、可設計性強。然而，碳纖維復合材料尚存在諸多不足之處，如韌性差、導電性差、成本高以及在線健康監測困難等，限制了復合材料在航空領域更大規模的應用。”
展開 航空母艦的艦島那么重，為何不會側翻？看工程人員的巧妙設計
自從航空母艦被發明以來，飛行甲板、機庫和艦島就是不可或缺的標志性特征。但是不少人都有一種錯覺，那就是高大的艦島會造成重量的不平衡，把整艘船給壓側翻，可這些大船又偏偏是四平八穩的在海面上航行，這是怎么回事？
▲“伊麗莎白女王號”使用雙艦島設計
二戰時的航空母艦還沒有斜面甲板，船體都是直上直下，跑道也是一條大直線。為了維持艦島造成的不平衡，船內的艙室和重量分布必須向另一側集中，比如鍋爐和機組的位置，用配重法來穩定艦船的重心。不過當時的航母艦島還沒有集成那么多復雜精密的設備，總體重量并不是很大，所以配平后就可以穩定航行了。
▲二戰時的美軍“埃塞克斯級”航母
從英國人發明斜角甲板后，越來越大的艦島重量造成的中心問題也比較容易解決了。
首先斜角甲板可以讓起飛和降落分流開，大大增加了出勤效率。
更重要的是，斜角甲板給艦體帶來了完全由人來設計、控制的外飄空間，巧妙的平衡了航母的重心。
▲小鷹號的斜角甲板
進入現代后，航空母艦的重量越來越大，裝載的裝備和油彈越來越多，如何配平就成了一個比較復雜的問題。
因為油彈、食物和淡水是會慢慢消耗的，尤其是彈藥。滿載出航時和經過高強度作戰后航母的重量和重心都會發生微妙變化，平時倒也無所謂，一旦遇到風浪就極為考驗船身的平衡。
▲斜角甲板巨大的外飄空間
在全世界所有航母中，擁有最大艦島的航母就是俄羅斯的“庫茲涅佐夫號”，因為俄式設備比較粗獷，尤其是鍋爐煙囪和預警雷達的尺寸都相當夸張，導致艦島看起來就像是一座小型的工廠。
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