復合材料斜交網格機身結構

張成

摘 要：該文介紹了斜交網格結構，包括這種結構的誕生、特點和發展歷史。回顧了民用飛機機身典型的結構形式，對剛架結構、硬殼式結構、半硬殼式機身結構形式作了簡要介紹和分析。論述了斜交網格結構在航天和航空領域的應用情況，以及目前國際上運用復合材料斜交網格結構所取得的進展。將復合材料斜交網格結構與傳統結構進行了對比分析，給出了復合材料斜交網格結構所具有的潛在結構優勢。最后在對比分析的基礎上，對這種結構在復合材料機身上的應用前景進行了探討。

關鍵詞：機身 結構形式 斜交網格 復合材料

中圖分類號：TB33 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）03（b）-0009-02

在建筑業，金屬鋼架結構在19世紀末20世紀初大量涌現，如法國埃菲爾鐵塔，俄國舒霍夫塔等。在這些建筑結構中，舒霍夫塔結構這種與眾不同的雙曲結構形式，不但在建筑領域廣泛采用，還進入了航天和航空領域并大放異彩。并且隨著歷史的發展，某些早期結構在飛機上不再流行時，雙曲結構卻隨著復合材料的應用，而表現出了一定的結構生命力。

1 斜交網格結構的誕生

1896年在全俄羅斯展覽會水塔建造時，弗拉基米爾·舒霍夫采用了一種斜交雙曲網格結構，如圖1所示。這種斜交網格結構的力學穩定性非常好，雖然是雙曲結構但由于是直母線旋繞構成，可以采用直梁建造。這種結構被廣泛應用于水塔、冷卻塔、燈塔等建筑，采用這種斜交網格結構的雙曲塔建筑被俄羅斯人稱為舒霍夫塔[1]。

2 常見機身結構

早期飛機結構主要有剛架結構和硬殼式結構，剛架結構如圖2所示，這種結構由端頭互相連接的桿系構成三角形單元構成，外力作用于結構后，桿元只承受拉壓載荷。這種結構在橋梁的運用上非常廣泛。早期的飛機機身結構曾經大量采用這種結構形式，以剛架結構包覆蒙布。現代的很多輕型飛機機身仍在采用，某些飛機為了具有更好的空氣動力學性能或美學流線性而附加使用了長桁結構。另一種早期飛機的結構是硬殼式結構，如圖3所示，硬殼式結構類似于雞蛋，載荷主要由外部蒙皮承擔，這樣的蒙皮稱為結構性蒙皮。這種技術也被稱為一體成型技術，在賽車上廣泛應用，在飛機上主要應用在預裝配運動型飛機和滑翔機上，如圖3所示。初期飛機機身應用這種結構是使用層合板，后期使用玻纖復合材料。這種結構是剛性骨架結構的另一個極端，主承載元件由剛架轉移到了蒙皮。

目前廣泛采用的飛機機身結構是半硬殼式結構，如圖4所示，這種結構也稱為應力蒙皮結構，這種結構由鋁合金橫向結構框和縱向結構長桁構成骨架，外部鉚接鋁合金蒙皮，形成“蒙皮-長桁-框”結構形式。這種結構中蒙皮主要承受拉伸和剪切載荷，其它載荷由骨架承擔。這種半硬殼式結構的出現與鋁合金在飛機結構上的大量應用，以及增壓機身的需求都有關系。

3 斜交網格結構機身結構

二戰前期英國人Barnes Wallis在飛艇上發展了這種結構，并稱之為“geodetic”結構，它的數學描述是曲面上的最短距離路徑，其后續雇主公司Vickers-Armstrongs將其用在一系列的轟炸機上，如Wellesley，Wellington， Warwick， Windsor等，如圖5所示，這些飛機在二戰中成了主力機型。由于這種飛機結構的強度表現優異，與前述的剛架結構早期飛機不同，可以不再依賴內部支持結構，從而使內部空間得到更有效利用，并且比硬殼式層合板結構要輕。在與雙翼機的對比試驗中，發現單翼的強度足以滿足要求，從此雙翼設計不再成為主流。后來，由于航空領域高空高速和增壓機身的需求，以及加工難度較大，該結構被放棄。

在航天領域，從斜交網格結構在俄羅斯誕生之日起，俄羅斯就做了大量研究和運用，如運載火箭、導彈等等。俄羅斯特種機器中央研究院目前已經開發出了直徑4 m，長度8 m，承軸壓600 kN/m的桶狀復合材料結構，如圖6所示。這種復合材料結構國內稱為格柵結構[2]。

在民航領域，俄羅斯特種機器中央研究院采用斜交網格和蒙皮用碳纖維絲素纏繞一次成型技術開發了復合材料機身，如圖7所示。這種結構突破了傳統復合材料結構如層合板的諸多力學弱點和限制，如準各向同性層合板在試驗中表現出的拉伸強度受樹脂限制（圖8），實用擠壓強度低（圖9），沖擊后承壓能力下降等現象[3]。雖然復合材料斜交網格機身應用目前仍處于試驗階段，但已經表現出相當的結構優勢。

4 與蒙皮-長桁-框結構比較

當前主流的民機機身結構還是“蒙皮-長桁-框”結構形式，這種結構形式充分發揮了金屬材料的優勢，這種結構也被稱為半硬殼式結構。在目前復合材料機身的設計上，基本上仍是延用“蒙皮-長桁-框”結構形式。在這種結構形式下，復合材料不能完全發揮出材料優勢，此時復合材料也被稱為“黑金屬”。[4] 而其筆者經歷的某型飛機在翼身整流罩運用復合材料層合板時，還發現為了滿足剛度和耐沖擊要求需要增加鋪層厚度而無法實現預期減重目標的情況，最后決定采用蜂窩夾芯結構。

和蒙皮-長桁-框結構不同，復合材料斜交網格結構是以斜交網格而非蒙皮作為主承載結構，蒙皮損傷不會導致結構失效。雖然現在還不能說應用復合材料斜交網格結構一定優于“蒙皮-長桁-框”結構形式，但從新材料應使用新結構形式角度來講，這是一種積極探索。

5 結論

斜交網格結構誕生在建筑領域，但由于優異的結構效率而進入航天航空領域。雖然各國對其均有一定研究和應用，但俄羅斯在斜交網格結構上的應用最為成功，因而這種結構也被俄羅斯國外稱為“俄羅斯各向異性網格結構”。雖然目前在民航飛機機身結構上的應用還有待進一步的驗證，但隨著研究的深入和復合材料技術的進步，這種結構在民航領域可能再度表現出較高的應用價值和前景，我們在做復合材料機身結構研究時應對其開展進一步研究，而不要局限于“蒙皮-長桁-框”結構形式。

參考文獻

[1] wikipedia [EO/OB] http：//en.wikipedia.org/wiki/Vladimir_Shukhov，2014-08-03.

[2] 楊乃賓，章怡寧.復合材料飛機結構設計[M].北京：航空工業出版社，2002：130.

[3] V.V.Vasiliev，A.F.Razin，development of geodesic composite aircraft structures [C].ICAS 2012.

[4] A.Shanygin， V.Fomin， designing pro-composite aircraft concepts and layouts to maximize potential benefits of high specific strength of CFRP [C].ICAS 2012.endprint