航空航天材料上有哪些進步和突破？

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說實話，航空航天因為成本預算和戰略地位，所以的確在材料學和各種科技上都有著絕對的龍頭和領軍地位。But，這幾年，的確在材料上沒有太大的進步，一方面是因為經濟危機，導致歐洲人根本玩不動，美國人在砍預算，俄羅斯人就不說了，中國人目前還是在追趕，材料這個問題真不是一天兩天能解決的，中國的大部分行業追趕的過程中都陷在材料學的進步上，因為材料這東西這得是一次次實驗和研究搞出來的，時間上真的沒法通過加班和政治命令進行追趕。當然，近兩年的主攻方向在結構上，之前航空知識的主編說過這個問題，在這個地方為什麼最輕的中級車居然是美系的？ - 汽車

美國F-35B戰鬥機研製過程中，減重成為重要的技術難題，技術人員不斷地優化結構和材料，其難度就如同向材料和結構科學的絕世武功進發，其代價是無數次的拖延和預算不斷超支。

在工程技術領域，輕量化的工作主要是兩個方向：新材料的應用和結構的優化。第一點依靠材料學的進步，這是內功，需要經年累月才能練就晉級；第二點依靠計算機模擬技術的發展，這算是取巧的方法，但對物理模擬和試驗科學要求極高。在這兩個方面美國都具有很大的優勢，所以也就不難理解為什麼是美國車可以做到了。我不懂汽車，但對航空有些了解，想來汽車與航空應有共通之處，權且拿來做個類比吧。我覺得比汽車更為強調輕量化的，也正是美國人擅長的航空航天領域，我不妨也才航空領域來解讀一下結構優化和計算機模擬技術帶來的科技成果。

空客A350XWB客機上用鈦合金製造的行李艙安裝架

飛機和汽車都是交通工具，無非一個天上飛，一個地下跑。要運動，就都得需要能量，我們知道著名的動能公式，燃燒燃料產生的能量，與物體的質量和速度平方的乘積成正比。說得通俗些，如果飛機或汽車能把體重減下來，那麼在消耗能量不變的前提下，能夠達到的速度會更高，或者說在達到速度不變的情況下，消耗的燃料會更少。如果你去看看波音和空客兩大巨頭為了減輕新型客機的結構重量，在新型輕質合金和複合材料上費了多少心機，你就會明白每一克重量的減輕對於一架在長達20年的運營周期中所代表的經濟效益了，這其中還不考慮歐盟為航班碳排放所徵收的費用。減重當然不僅僅是為了省油環保，對於那些時刻準備與敵人搏殺藍天的戰鬥機而言，敏捷性和加速性是它們最為關鍵的技術性能，如果它們的重量能夠減輕，意味著同樣的氣動操縱作用力所產生的姿態變率會等比例增加。在經典空戰時代，你的轉彎半徑比敵機小一點可能就意味把對手套進瞄準光環。正因如此，在軍用作戰飛機研製過程中，設計師們最為糾結的往往是減重，減重幾乎能夠解決一切問題。如果發動機動力無法繼續提升，如果飛機載荷不足，如果飛機航程不夠，如果飛機操縱響應遲緩，那就想辦法瘦身減重吧。這一點對於汽車也同樣適用，沒有什麼物體能逃脫F=ma的物理鐵律。

複合材料製造的客機翼身連接部位蒙皮

複合材料蜂窩結構也能很大程度上減輕飛機的結構重量

想來汽車也和現代飛機一樣，減重無非是兩種途徑，改進結構和採用新型材料。改進結構並非是在結構藍圖上隨意動刀剔骨剜肉，必須在保證結構強度和剛度不變甚至提升的基礎上完成。現代飛機的結構減重，全部在計算機模擬模擬的基礎上，再結合實際的應力測試進行。感謝現代計算機材料模擬分析技術，我們可以在計算機上測試各種形狀、材質結構的強度和剛度，從而選擇最優的結構方式。計算機模擬軟體可以幫助設計人員把有限的材料分配到最需要的地方，確定飛機的理想結構方式。而使用新材料，則更加具有技術含量。鈦合金是今天高性能飛機上廣泛採用的先進材料，它一個主要優點就是重量輕，強度高，鈦合金的密度一般僅為合金鋼的60%左右，但其強度遠超許多合金鋼，比強度（強度/密度）遠大於其他金屬材料。因此在飛機發動機構件、框架、蒙皮、緊固件及起落架等部位都有使用。複合材料更是一個突出的例子，複合材料就是纖維紡織材料與和合成樹脂一層層粘合成型的結果，其原理和中國唐代便盛行的夾紵工藝有異曲同工之妙。這種材料最大的好處便是重量輕，比輕質合金還輕，而且隨著現代化工纖維紡織工藝和合成樹脂技術的進步，複合材料已經開始從非關鍵結構向關鍵結構挺進。空中客車公司A350XWB上複合材料的用量已經達到53%，這是相當驚人的數字。美國第三代主力戰鬥機F-15鈦合金用量占飛機全重的27%，複合材料佔2%；而到了第四代戰機F-22，這裡比例分別達到了41%和25%。如果你知道鈦合金部件加工製造難度之大，你就會理解人類對於航空器減重舉措的執著。

強化纖維複合材料層疊固化後,就能成為輕質堅固的航空部件,許多飛機部件就是用這種布料加上膠水糊出來的。

今天航空廠商在為了每一克減重而努力,減重就意味著節能,就意味著低成本,同時也意味著嚴峻的技術挑戰

現代汽車也一樣面臨減重迷題。設計人員通過計算機模擬模擬測試篩選出的新型車身結構，不僅減輕了重量，還能提高車身強度和剛度。強度提高保證了車輛在緊急狀況下的防撞安全性，而剛度提高則意味著車身在不同的姿態下自身變形量顯著降低，從而能夠讓懸掛部件更加精確地動作。如果一輛汽車能減重300磅，這就好比坐在你副駕上的一個大胖子突然跳下，這和當年的飛機差不多，當轟炸機突然把重型炸彈投下時，機組人員會感到飛機猛地向上一竄。如果您屬於錢袋敏感型，那麼汽車減重帶來的油耗紅利會讓您感到減重與省錢之間的微妙關聯。

材料要發展那麼快，中國人就只提星辰，不說大海了

我們來討論討論食材的進步吧，一個道理