如果你搭乘一趟由波音787執(zhí)飛的航班出行，除了可以關(guān)注炫酷的變色玻璃窗外，你可能也感興趣知道，這架能夠容納300多人的飛機(jī)約一半的結(jié)構(gòu)是使用復(fù)合材料制造的。

波音787結(jié)構(gòu)材料
或許復(fù)合材料在你聽起來有一些陌生，但實際上，除了航空航天等高端制造業(yè)，與我們生活相關(guān)的，大到風(fēng)電葉片、汽車結(jié)構(gòu)，小到自行車、羽毛球拍、釣魚竿都能見到復(fù)合材料的影子。
為什么復(fù)合材料在越來越多的場景得到應(yīng)用？先說結(jié)論，簡單來說，因為它質(zhì)量輕、強度高。
eVTOL（電動垂直起降)飛行器作為新興的交通出行載體，對飛行器的結(jié)構(gòu)重量有著嚴(yán)苛的要求。這也導(dǎo)致現(xiàn)今市面上能看到的所有eVTOL企業(yè)，幾乎無一例外的使用復(fù)合材料作為主要的機(jī)體結(jié)構(gòu)。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與金屬結(jié)構(gòu)相比，絕不僅僅只是簡單的輕一些。事實上，這兩種材料有著迥異的性能表現(xiàn)。
以航空業(yè)常使用的鋁合金材料為例，業(yè)內(nèi)人經(jīng)常說的“2系”或者“7系”鋁合金，實際上是鋁金屬中添加了不同比例的合金金屬（銅、鋅、鎂等），從而表現(xiàn)出不同的力學(xué)特性（如果你買的產(chǎn)品號稱使用航空鋁，一般也就是這兩個系列的鋁合金）。但，無論怎么調(diào)配，鋁合金都是一種韌性材料，有著明顯的屈服特性；而飛機(jī)結(jié)構(gòu)常使用的碳纖維復(fù)合材料則是脆性材料，在應(yīng)力-應(yīng)變圖中我們能夠明顯看出兩種材料的區(qū)別。

應(yīng)力-應(yīng)變示意圖
不同的材料特性造成金屬和復(fù)合材料有著不一樣的力學(xué)性能。
一般來說，金屬結(jié)構(gòu)有著較高的疲勞敏感性，破壞形式的具體表現(xiàn)，就是由于重復(fù)的載荷引起疲勞斷裂。這些重復(fù)的載荷遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)設(shè)計所能承受的極限情況，但在這些載荷周而復(fù)始的交變作用下，金屬結(jié)構(gòu)內(nèi)部萌生了細(xì)小的裂紋——也有可能原本就存在微小的缺陷。隨著損傷的累積，這些裂紋/缺陷開始擴(kuò)展，金屬結(jié)構(gòu)的強度也不斷下降，直到某一次載荷超過了剩余強度，結(jié)構(gòu)就會發(fā)生破壞。
舉個簡單的例子，一段鐵絲想要徒手拉斷，不考慮超能力的情況下一般人往往很難辦到，但只要我們不斷將鐵絲反復(fù)彎折，很快就可以將其折斷。
如果放到尺寸相對較大的金屬結(jié)構(gòu)上來說，一次次的飛行使得金屬結(jié)構(gòu)不斷受到反復(fù)的拉/壓應(yīng)力，如果飛行的次數(shù)夠多，裂紋總有一天開始萌生并擴(kuò)展。
實際上，現(xiàn)代飛機(jī)由于金屬結(jié)構(gòu)靜強度而引起的問題幾乎很少見，大多數(shù)都是疲勞耐久性問題，好在這一現(xiàn)象以現(xiàn)在的技術(shù)水平是可以預(yù)測的。
所以，飛機(jī)也是有壽命的，為了保證乘客和貨物的安全，工程師們會根據(jù)材料的固有特性（S-N曲線/裂紋擴(kuò)展速率曲線）計算出這些裂紋萌生到失效可承受的載荷循環(huán)次數(shù)，并給定足夠的分散系數(shù)來確定飛機(jī)的壽命。此外，工程師們還會制定合理的檢查周期，在飛機(jī)服役過程中，對不同部位安排各種各樣手段的檢查，以確保及時發(fā)現(xiàn)并消除這些潛在的裂紋對飛機(jī)的威脅。

2024鋁合金S-N曲線

這里補充一個知識點
民用飛機(jī)設(shè)計壽命通常在20年以上，某種程度上可以認(rèn)為越新的飛機(jī)越安全（機(jī)齡低），檢查維護(hù)保養(yǎng)越好的飛機(jī)越安全（正規(guī)航空公司）。
復(fù)合材料眾所周知的特點是輕。碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的密度通常在1.6g/cm3以下，而航空常用的金屬中，鋁合金密度為2.7 g/cm3，鋼的密度為7.8g/cm3。雖然密度小，但復(fù)合材料在強度方面卻一點都不弱，甚至表現(xiàn)更佳。目前T700級的碳纖維單向預(yù)浸帶拉伸強度可以達(dá)到2500MPa，作為對比，強度較高的7075鋁合金拉伸強度約530MPa，而航空用不銹鋼17-7PH的拉伸強度也不過1200MPa左右。要知道，生活中常見的304不銹鋼，拉伸強度只有520MPa。

我們都知道金屬為各向同性材料，復(fù)合材料為各向異性材料。通俗的說，金屬制成的結(jié)構(gòu)，在不同方向的強度性能幾乎相同（實際金屬材料由于工藝特性，不同方向力學(xué)性能也可能略有差異），而復(fù)合材料在各個方向的力學(xué)性能與設(shè)計有直接關(guān)系。
通常情況下，飛行器不同部位的結(jié)構(gòu)在飛行過程中受載形式比較一致，這就意味著工程師完全可以利用復(fù)合材料這種可設(shè)計的特點，將重量使用到最有利的方向和位置，達(dá)到結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計目的，節(jié)省更多的重量空間來提供載重。
復(fù)合材料結(jié)構(gòu)相對比于金屬結(jié)構(gòu)，除了重量優(yōu)勢外，還有著較優(yōu)異的抗疲勞特性。經(jīng)過合理設(shè)計后的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，一般在壽命期內(nèi)很難觀察到損傷在疲勞載荷下的擴(kuò)展，相對比其他設(shè)備的老化，幾乎可以做到全壽命周期內(nèi)不需要維修和更換。

硬幣總有兩面
硬幣總有兩面。復(fù)合材料雖然在重量和抗疲勞方面表現(xiàn)優(yōu)秀，但對損傷的靜強度敏感性遠(yuǎn)高于金屬材料。通俗點解釋，一塊金屬蒙皮，上面打幾個釘孔對結(jié)構(gòu)的靜強度幾乎沒有太大影響，但如果它是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，影響可能超出你的想象——相對于無損結(jié)構(gòu)，含損傷的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)許用值可能下降一半以上！
濕熱環(huán)境也是一個問題。我們知道，飛行器不是燒水壺，正常使用情況下，一般結(jié)構(gòu)溫度不會超過幾十度，這點溫度對于金屬來說完全不是什么問題。但復(fù)合材料結(jié)構(gòu)天生五行缺陷，既怕水又怕火，錯了，是對溫度濕度敏感，在不同的溫度濕度下，不同的力學(xué)性能會有不同的改變。變好我們自然是歡迎的，但如果變壞，我們也必須充分了解。
除了上述特點外，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與金屬結(jié)構(gòu)之間還有許多的差異點?？垢g性、分散性、導(dǎo)電性、低能量沖擊、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、遲滯效應(yīng)……

復(fù)合材料的溫濕度影響

關(guān)于適航前面介紹了這么多復(fù)合材料的優(yōu)點，那么問題來了，怎么在飛行器上安全的使用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)呢？這就繞不開航空人最熟悉的詞匯——適航。“適航指的是航空器適宜于空中飛行的性質(zhì)及該航空器在預(yù)期的運行環(huán)境和使用限制下的安全性和物理完整性的一種品質(zhì)”。

適航活動
我們今天能夠搭乘的所有航空公司的飛機(jī)都經(jīng)過了適航認(rèn)證，這是適航當(dāng)局為保證乘員的安全性對所有運營的飛行器提出的設(shè)計要求。我們經(jīng)常會聽說，航空是最安全的出行方式，這份安全來自于適航當(dāng)局、航空業(yè)對適航認(rèn)證的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度和對生命的敬畏。
eVTOL想要最終走入我們的生活，自然也少不了適航認(rèn)證的過程。
對于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)來說，航空業(yè)使用了幾十年，自然已經(jīng)形成了一套較為規(guī)范的適航符合性認(rèn)證方法，這就是FAA于2009年頒布的AC 20-107B：Composite Aircraft Structure。文件頁數(shù)雖然不多，但對大多數(shù)人來說也確實是無趣，下面挑幾個關(guān)鍵詞給大家介紹一下。

關(guān)于積木試驗方法

Building Block Approach
這個名字比較形象，復(fù)合材料的這個試驗驗證方法就像搭積木一樣，底層的試驗數(shù)量多，考慮因素全面，通過逐步增加試件復(fù)雜水平和程度，逐步增大試件尺寸和規(guī)模的作法進(jìn)行分析和試驗驗證，能夠保證工程項目的研究質(zhì)量和最終的成功。這種試驗方法邏輯清晰，層層遞進(jìn)，直到全機(jī)結(jié)構(gòu)強度的驗證，為航空業(yè)所認(rèn)可，有時候也被叫作金字塔試驗。

積木式試驗驗證示意圖
試驗的最底層是材料性能試驗，這些試驗數(shù)據(jù)用于建立復(fù)合材料的材料規(guī)范。我們今天使用金屬材料，例如是7075-T651鋁合金，不需要做額外的試驗就可以立刻知道材料的彈性模量、泊松比、強度等數(shù)據(jù)，這是因為這些材料遵循著統(tǒng)一的材料規(guī)范生產(chǎn)，正規(guī)供應(yīng)商提供的出廠合格的材料，拿到我們手中自然也會達(dá)到同樣的性能，而且分散性較低。復(fù)合材料則不然，且不說不同碳絲和不同配比的樹脂，即使你買的同一款預(yù)浸料，不同的工藝方法、不同的設(shè)計方式、不同的制件工廠都可能生產(chǎn)出完全不一樣的復(fù)合材料產(chǎn)品，這就是我們常說的金屬材料是從結(jié)構(gòu)開始設(shè)計，復(fù)合材料是從材料開始設(shè)計。

復(fù)合材料積木式試驗
再往上就是試樣級試驗，這些數(shù)據(jù)主要是為了獲得材料許用值。常規(guī)的拉壓剪強度就不多說了，剛才提到了復(fù)合材料對損傷的敏感性，這里就要靠試驗來測量到底含損傷的結(jié)構(gòu)有多少的強度，常用的試驗包含開孔試驗、充填孔試驗、低能沖擊試驗等，這些試驗項目的設(shè)置自然都是實際結(jié)構(gòu)可能遇到的情況。
有必要提一下這里的低能沖擊試驗。由于目前使用的復(fù)合材料都是一層一層鋪設(shè)而成，這會造成結(jié)構(gòu)在受到各種外來物的低能量沖擊時，表面留下一個較淺的凹坑，目視很難發(fā)現(xiàn)，但復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部卻可能發(fā)生了纖維斷裂、基體分層等損傷，使得復(fù)合材料的力學(xué)性能顯著下降。這種損傷如同家里的蟑螂，最怕的是看不到的。所以為了在設(shè)計時能夠涵蓋住這些意外的發(fā)生，工程師在選取材料設(shè)計值時會綜合考慮這些可能出現(xiàn)的損傷情況，用最安全的數(shù)值進(jìn)行設(shè)計。
試樣級往上還有元件級、次部件級試驗，通過這些試驗后，我們基本就可以搞清楚飛機(jī)各個部位的結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，最終通過全尺寸的飛機(jī)結(jié)構(gòu)強度試驗來完成驗證。

關(guān)于“損傷”
前面反復(fù)提到了一個詞——“損傷”，這里再展開講一點。
大多數(shù)情況下，我們都難以避免結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)損傷。它可能來源于材料的缺陷、可能是制造過程中的一個瑕疵、可能是加工過程中的一個紕漏、可能是使用過程中的開裂，甚至，是趕上了一場突如其來的冰雹……
生活教會我們，無法避免就要學(xué)會與其共存，這也是當(dāng)前航空業(yè)理論“損傷容限 ( Damage Tolerance)”。
損傷容限從字面意思上理解，就是結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷破壞后，仍然維持所需強度的能力。實際上，無論是對于金屬結(jié)構(gòu)還是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，損傷容限都是一個重要的考慮。當(dāng)然，由于材料本身的區(qū)別，兩者基于的理論方法并不相似，對于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，AC 20-107B中給出了五種損傷的分類，對應(yīng)著不同的要求。

損傷分類
第一類損傷叫做“勉強目視可見損傷(BVID)”。
這個詞第一次聽說容易讓人理解不能。實際上它指的是一個門檻值，可以理解為，在目視檢查的手段下，能夠發(fā)現(xiàn)的最小損傷尺寸，在大多數(shù)語境里，我們說到BVID，其實是指小于等于這一門檻值的損傷?；趧偛盘岬降摹白钆驴床坏健痹瓌t，這類損傷被默認(rèn)為存在于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中，為了在這種情況下仍然保證較高的安全性，F(xiàn)AA要求飛機(jī)在極限載荷下，設(shè)計要涵蓋住所有的BVID。極限載荷是飛機(jī)可能遭受的最大載荷情況再乘以了一個安全系數(shù)，可以認(rèn)為給與了結(jié)構(gòu)足夠的容錯空間，這也解釋了為什么我們要花大力氣去測試含損傷的材料許用值，就是為了滿足這種底線思維。
第二類損傷叫做“目視可見損傷VID”。
有了剛才的介紹這里就比較容易理解。一開始我就提到，工程師會在飛行器服役過程中安排足夠多次的檢查程序，一旦損傷大到可檢查的程度，我們自然可以對其進(jìn)行維修和更換。在這種損傷下，我們需要保證結(jié)構(gòu)強度能夠在一個檢查周期內(nèi)都不會發(fā)生破壞，當(dāng)然同樣需要考慮分散系數(shù)，以保證在下次檢修期到來前飛機(jī)仍然是安全的。
第三類損傷叫做“易檢損傷，也叫作LVID”。
這種損傷更大了，大到機(jī)組、地勤或是乘客能夠比較容易的就發(fā)現(xiàn)。這種損傷下，飛機(jī)肯定是要馬上返修的，鑒于損傷足夠大，能夠較快的被發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)強度只要滿足能夠承擔(dān)限制載荷就足夠了，要知道，限制載荷已經(jīng)是飛機(jī)可能遭受的最大載荷，也就是這種損傷下結(jié)構(gòu)強度仍然留有足夠的裕度。所以下次坐飛機(jī)起飛降落時，一定記得把遮光板打開，你也是守護(hù)航空安全的一份子哦。
第四類損傷叫做離散源損傷。
這種事件發(fā)生概率較低，而且并不能很好的預(yù)測，例如鳥撞、強烈的雷擊或冰雹等。一旦遭遇，趕緊找安全地方降落。當(dāng)然，這種情況下就不能指望飛行員再帶你飛一個“眼鏡蛇”、“落葉飄”動作了，要做的就是盡快平穩(wěn)小心的飛到最近的降落點，從強度上講就是要求結(jié)構(gòu)仍能承受回程載荷。
當(dāng)然，人力終有窮，天道終有定，除了這四類損傷外還有可能出現(xiàn)一些離奇的意外，這樣的損傷我們也應(yīng)該適當(dāng)考慮。

結(jié)語
好了，這次就跟大家分享這些。飛行器設(shè)計不是一個簡單的事情，任何一個條款要求、技術(shù)點的背后可能都是前人多年的總結(jié)以及無數(shù)次的事故累積下來的經(jīng)驗，都值得我們好好分析、研究。
各位伙伴如果有感興趣的話題，也歡迎給我留言，在之后的日子里我們一起探討、交流，共同進(jìn)步，后續(xù)我和我的同事會以更簡單明了的方式向大家講解相關(guān)知識。

來源 | 時的科技 TCab Tech

作者 | 周老師