飛機是用什么材料制成的?(中)

25歲的查爾斯·林德伯格（Charles Lindbergh）在1927年完成了人類首次不著陸跨越大西洋飛行，所使用的飛機是從瑞安公司定制的“圣路易斯精神”號，其結構便是半金屬結構：機身框架是鋼管的，機翼部分依舊是木布結構

20世紀20年代，以“施耐德杯”為代表的一系列飛行競速賽，推動著歐美各國在飛機設計上的創(chuàng)新和性能的不斷突破。其中的一個明顯變化是更富流線型的單翼飛機開始取代雙翼機，成為發(fā)展的主流。當飛機向著速度的極限一次次沖刺，一次次挑戰(zhàn)起飛重量時，這也對飛機材料提出了新的要求，飛機材料也開始從木質向強度更高的金屬過渡。首先是在安裝發(fā)動機的框架、整流罩等受力更大的機體部位上局部使用金屬材料，但翼面、舵面和后機身等部分仍舊是傳統(tǒng)的木布結構，這就是所謂的飛機半金屬結構。

正所謂“一代材料，一代裝備”，材料與飛機一直在相互推動、不斷發(fā)展。但“材料”一詞在“裝備”前，正是凸顯了二者關系中材料的重要性、先導性和基礎性。所以，飛機迎來全金屬時代的必要前提是冶金技術的提高、金屬生產成本的下降。不過金屬材料在飛機上的初期“探索性”應用，還是要靠一些人的洞察力與預見力。

當業(yè)界一些聲音還在質疑“用更重的金屬材料造飛機，飛機能飛上天嗎？”之時，雨果·容克斯（Hugo Junkers）等“先鋒”飛機設計師就預見了飛機不再是軍隊或飛行愛好者的專屬，不是只用于戰(zhàn)時的空戰(zhàn)、飛行比賽，航空業(yè)將在不久迎來前景更為廣闊、飛機大規(guī)模應用的航空運輸時代。全新的應用場景下，飛機就需要用完全不同的材料來打造。是時候做出改變了。

改變，金屬飛機上天

1915年12月12日這一天，關于“金屬飛機能不能飛上天”的爭論有了最終確定性答案。不過，制造這架鋼制全金屬飛機J1的容克斯公司（Junkers & Co.）在市場上更為人知的產品卻是燃氣爐灶、燃氣熱水器、燃氣鍋爐供暖等一系列燃氣熱力設備，畢竟J1飛機的設計師容克斯的另一重身份是亞琛工業(yè)大學的熱力學教授，闖入航空業(yè)時他已是知天命之年。

J1的機翼強度測試時翼上站著15個人，容克斯位居最中間，身著白風衣的二位為公司的技術總工程師

這架J1的設計建造費用純屬容克斯本人從公司的盈余中自掏腰包，所以也不乏笑談：是德國婦女們購買的一個個燃氣熱水器、燃氣灶支撐起了世界第一架全金屬飛機的上天

在雙翼機統(tǒng)治天空的年代，全金屬的容克斯J1稱得上是“鶴立雞群”的存在。它有著流暢的機翼輪廓、可承重的鈑金外殼，在空氣動力學方面也表現出明顯的性能優(yōu)勢。配備120馬力發(fā)動機的J1在測試中飛出了170千米/小時的平均速度，成為當時最快的飛機。容克斯J1的鋼制全金屬，不僅包括機身結構和機翼翼肋等部分，還包括飛機蒙皮使用的0.1～0_2毫米厚的薄鐵片，這給建造中的焊接作業(yè)帶來了前所未有的工藝挑戰(zhàn)。

不過，鋼制的J1的最大問題是太“笨重”了，整機的最大起飛重量超過了1噸，有效載荷只有160千克左右，所以德國軍方對其“起飛速度、機動性和有效載荷性能不足”的評價也不算偏頗。的確，這架全金屬飛機的爬升性能存在不足，不如木布結構的老飛機。不過，對于這款革命性的J1，容克斯也沒有批量生產的計劃，只是將其定位為技術驗證機。就像在試飛中J1暴露出的機翼翼梁與機身之間的連接性不足問題（曾在試飛中折斷），對此容克斯在后續(xù)機型的設計上放棄了翼梁與機身的焊接連接，從而開創(chuàng)了“下單翼”的設計。

全金屬飛機，從鋼到鋁合金

鋁雖然是地殼中含量最豐富的金屬元素，但它的冶煉，特別是低成本冶煉一直都是冶金業(yè)、化學界的大難題。直到19世紀末，隨著電解法冶煉鋁的工藝成熟，加上水力發(fā)電帶來的廉價電力，最終實現了大規(guī)模工業(yè)制鋁，才有了鋁（鋁合金）從曾經的“比銀昂貴”，到工業(yè)生產、日常生活中的大范圍應用，成為僅次于鋼材的人類應用的第二大金屬。

1906年，德國冶金學家阿爾弗雷德·威爾姆（Alfred Wilm）發(fā)現鋁合金在一定溫度下保持一定時間后，再放到室溫環(huán)境后它的強度就會隨著停放時間的延長而逐漸提高，這一現象就是“時效硬化”現象。阿爾弗雷德·威爾姆的這種可以時效硬化的鋁合金專利（其中銅含量3.5%～5.5%，鎂和錳含量小于1%）在被杜倫（Duren）金屬廠購買后，便有了一個廣為熟知的名字“杜拉鋁”。杜拉鋁和純鋁一樣輕，是鋼鐵重量的三分之一，作為輕巧而結實的新材料剛一推出就被評為最佳飛艇材料，并在“齊柏林”等飛艇上大量使用。自此，這種牌號為2017、2014、2024等2×××系第一代鋁合金，作為飛機機體的主要結構材料登上了歷史舞臺。

下單翼設計，也基本成為后來容克斯系列飛機的經典設計

飛機與鋁的結緣，最早可以追溯到萊特兄弟“第一飛”的“飛行者”1號上所用的13馬力汽油發(fā)動機。該發(fā)動機的缸體和軸承座是鋁合金（92%鋁和8%銅）鑄造的，由此帶來了9.072千克（20磅）的減重。不過這時的鋁還屬于昂貴的材料，要到10多年后才在飛機上大范圍使用

在飛艇時代，當你走進高大的飛艇建造車間，站在地面仰視或從頂棚俯瞰，面對飛艇的尺寸之巨與密密麻麻交織的框梁，你一定會有眩暈之感。而這些飛艇“骨架”多由又輕又堅固的硬鋁來打造

在飛艇時代，當你走進高大的飛艇建造車間，站在地面仰視或從頂棚俯瞰，面對飛艇的尺寸之巨與密密麻麻交織的框梁，你一定會有眩暈之感。而這些飛艇“骨架”多由又輕又堅固的硬鋁來打造

在J1之后，容克斯將注意力逐步轉向了鋁合金，開始在J3等機型上嘗試使用杜拉鋁。這種新型鋁合金除了用來打造機身的“骨架”，也還用來做飛機的“皮膚”。像J1飛機上那種沉重的鋼鐵蒙皮換成了輕得多的杜拉鋁蒙皮，蒙皮有波紋狀，這是為了提升蒙皮的剛度，同時蒙皮上波紋的走向又順著航向，以減小飛行阻力。1917年容克斯公司向德國空軍交付的J.I（工廠編號14），成為世界上第一型批量生產且實戰(zhàn)使用的全金屬飛機。該機作為戰(zhàn)場偵察和通信機，兼具一定對地攻擊能力，尤為特別之處是它設計有鉻鎳鋼裝甲來包裹機體前部的發(fā)動機和乘員艙。

從戰(zhàn)場表現來看，J.I雖然飛行速度較慢，但憑借扎實裝甲的防護，機組人員可以放心大膽地低飛來執(zhí)行任務。在戰(zhàn)場的部署上，相對于木布結構飛機，全金屬的J.I更皮實，可以露天停放。不過，有點笨重的J.I需要較長的野戰(zhàn)跑道，著陸時操控難度也較大，該機的戰(zhàn)損記錄寥寥，反倒有多起起降事故。

第一架全金屬民用飛機

在J.I之后，容克斯陸續(xù)推出了容克斯D I（工廠編號J9）、J10等戰(zhàn)斗機，也標志著容克斯將杜拉鋁全金屬飛機全面引入軍用航空。而一戰(zhàn)后《凡爾賽條約》禁止了德國發(fā)展空軍，這也讓容克斯的研制精力從軍用飛機轉向了民用飛機，他大膽地將杜拉鋁這種新航空材料的應用從戰(zhàn)斗機擴大到民用飛機身上。1919年，容克斯離開了原來主打燃氣熱力產品的公司，創(chuàng)辦了容克斯飛機工廠。同年6月25日，世界上第一款專門設計的民航客機——容克斯F.13成功首飛。

一戰(zhàn)后J.I成為多國的戰(zhàn)利品和科研對象。圖中為今天在加拿大航空航天博物館中展出的、僅存的完整J.I。近觀可見其機翼的杜拉鋁蒙皮的清晰紋理，還有機體前部覆蓋著的裝甲

容克斯F.13客機，半封閉式的駕駛艙沒有側面舷窗，只有頂棚和前風擋，而4人席位的封閉客艙還有加熱，機身側面開有舷窗和登機門

世界第一款專門設計的民航客機的4人客艙，空間上算是今天支線飛機的商務艙水平，不過這么大的舷窗又是今天民航客機所比不了的。另外，前排2個座椅上可見安全帶，這在當時是比較超前的設計了

容克斯F.13定義了一個時代的客機面貌，不再是鋼管、木材和帆布，不再有鋼索張緊、撐桿支撐的雙翼，而是徹底的全金屬化。容克斯F.13全面延續(xù)了此前容克斯機型的杜拉鋁波紋蒙皮、下單翼氣動布局等經典設計。作為第一款使用硬鋁的全金屬民用飛機，容克斯F.13用9根鋁管來做機翼的翼梁，用波紋杜拉鋁板做蒙皮，而不論它的全金屬材質還是氣動外形，容克斯F.13幾乎成為一代民用客機設計的經典范式。這是容克斯公司在民用航空上的發(fā)端，在后續(xù)發(fā)展中誕生的代表機型Ju52/3m則更近一步，成為容克斯家族中最廣為人知的“身披”杜拉鋁波紋蒙皮的“容克大嬸”。

容克斯F.13（上圖）和Ju52，都延續(xù)著下單翼結構。機翼的中央翼盒位于客艙的地板之下，這解決了機翼與機身的連接可靠性問題，也可以更好地承重。而機翼的外翼部分則通過滾珠絲杠與這段中央翼連接

加裝浮筒可在水上起降的容克斯Ju52/3m（上圖）與生產線上的4-AT。二者作為客機都基于可靠性的考慮選擇了3臺發(fā)動機，若一臺有故障，其它兩臺依舊能繼續(xù)飛行。不過在發(fā)動機的布置上二者差別明顯，前者是翼內發(fā)動機吊艙，后者是翼下吊裝

容克斯家族的Ju52/3m和F.13飛在2019年。Ju52/3m最初是作為客機用，但這型產量最大的三發(fā)飛機的最大客戶卻是二戰(zhàn)德國空軍

全金屬飛機在美國的興起

容克斯的全金屬飛機與其標志性的杜拉鋁波紋蒙皮，在全球范圍取得成功的同時，也在“刺激”著他的同行們投身這場由航空材料革新所帶來的技術變革。比如，美國一家汽車廠商的總工程師威廉·斯托特（William Stout）就轉行投身全金屬飛機的研制，成立了斯托特金屬飛機公司（Stout Metal Airplane Company）。這家公司在推出2-AT全金屬飛機后，又被“汽車大亨”垂青，將其全資收購并入福特公司。以福特之名打造的4-AT福特三發(fā)飛機（英文名稱Trimotor）在1925年6月首飛亮相。

對于福特三發(fā)飛機，福特公司的野心不單單是要做美國全金屬飛機的先行開拓者，還要將福特的輝煌帶到航空領域，將當時這款美國最大的客運飛機打造成如福特汽車那般的暢銷款。不過，福特公司首先要做的是要向公眾證明鋁合金打造的飛機比“老飛機”更堅固更安全，要扭轉公眾對當時空中出行安全性不佳的固有印象。投入航線運營后，福特4-AT的表現也的確證明了全金屬飛機堅固耐用、可靠易維護，對環(huán)境適用能力強（比如用于南極探險）等特點，在為福特公司贏得良好聲譽的同時，也在提振公眾對新興的航空運輸業(yè)、對金屬飛機的信心。

美國國家航空航天博物館中的福特三發(fā)機家族中的5-AT，其整機的波紋蒙皮與機翼內部的結構框架細節(jié)盡現

福克系列三發(fā)飛機是當時民航的主流機型之一，廠房中吊起的機翼，蒙皮尚未敷設，可見內部木質的結構框架。下圖為20年代末美國加州奧克蘭機場上的福克F.10。在當時除了客運，這類飛機尤為重要的用途是運輸航空郵件

在上世紀20年代末，福特公司曾一度被譽為“世界上最大的民用飛機制造商”，不過這樣的榮耀在那場“經濟大蕭條”中轉瞬即逝，加之以波音、道格拉斯為代表的后來者在1933年完成了對福特的技術追趕，福特三發(fā)飛機的（4-AT和改型5-AT）銷量最終定格在199架。這一數據與容克斯Ju52/3m相比有些“慘淡”，但福特三發(fā)飛機有著大大小小百余個航空公司和軍方用戶的使用，當之無愧稱得上是全金屬飛機實用進程中的早期“布道者”。

一場事故，加速了木質飛機的淘汰

在新材料硬鋁合金誕生后，英法兩國航空界最初都持保守和懷疑的態(tài)度，認為硬鋁合金容易被腐蝕，也就未開始全金屬飛機的設計。而美國方面即便有福特公司對全金屬飛機4-AT的大力推銷，也并未如愿完成對航司運營的福克（Fokker）系列三發(fā)飛機的全面替代，直到一場震動全美的空難。

1931年3月31日，全美最著名的橄欖球教練克努特·羅克尼（Knute Rockne）在599航班事故中遇難。這場空難的轟動性、全民關注度，若以今日類比的話就是2020年初的科比直升機空難。599航班的調查結果顯示：福克F.10三發(fā)飛機的機翼是木質膠合板制造的，事故原因可能是雨水滲透導致膠合板層間的樹脂膠剝離，進而造成機翼折斷。由此，民眾對木質結構飛機的安全性嚴重關切與懷疑，航空公司對木質飛機的加強維護檢修又帶來了運營成本的增加，這最終促成了各方對木質飛機態(tài)度上的大轉變，加快了全金屬飛機對木質結構客運飛機的全面替代。

在波音247身上，波音公司傾注了太多技術心血，諸多開創(chuàng)性技術融于一身，但很可惜在同時代的DC-1/2/3家族的光芒之下它就顯得寂寂無名了（產量75架）。這同樣是技術發(fā)展史上“殘酷”的一面，新技術前夜的先行者、“早鳥們”并不一定能等來黎明的一刻，不一定能享用上新技術帶來的巨大紅利

DC-3的軍用衍生型在全世界范圍內大量使用。比如，DC-3在授權蘇聯(lián)制造后定名為里-2（Li-2），在新中國成立初期里-2一度是中國軍民航空運輸的主力，并且還作為明星機印在了人民幣兩分錢紙幣上

圍繞航空公司的新需求，波音、道格拉斯公司在1933年先后推出了全金屬飛機波音247、DC-1。前者帶來了可收放式起落架、發(fā)動機整流罩、增壓發(fā)動機、變距螺旋槳、除冰設備等諸多航空新技術;后者則以全面超越波音247為目標，從速度、航程到載客人數、舒適性，使最終發(fā)展而來的DC-2/3家族成為民用航空史上最重要的里程碑機型之一，將美國乃至全球的全金屬客機新時代帶入了第一個鼎盛時期。在二戰(zhàn)時，DC-3更是成功“軍轉民”衍生出了C-47/C-53一系列軍用型號，成為產量超萬架的一代經典運輸機。

蘇聯(lián)的鋁合金 飛機和不銹鋼飛機

相對于英法兩國對杜拉鋁全金屬飛機的遲疑，蘇聯(lián)方面在此領域的滯后，既有本國航空技術上落后的原因，也與本土尚無鋁冶煉工廠、鋁合金無法國產只能依靠進口等現狀直接相關。直到進入20年代蘇聯(lián)才陸續(xù)有了鋁礦及冶煉廠的興建，并擁有了自己的航空硬鋁合金“鏈鋁”（俄語，Колъчуалюминий）。與杜拉鋁對比，“鏈鋁”中多了0.5%的鎳，以及銅和錳的比例略有不同。

1922年，蘇聯(lián)專門成立“金屬飛機制造特別委員會”來負責全金屬飛機的相關工作，委員會的主席為圖波列夫（А.И.Тupolev）。同期，蘇德雙方有著合作協(xié)定的秘密簽訂，合作的領域包括德國先進航空技術的對蘇轉讓，比如容克斯公司在蘇聯(lián)莫斯科開設分廠“22號工廠”來生產F.13客機，圖波列夫也作為蘇方的主任設計師與德國同行有接觸，并有所得。

1925年，蘇聯(lián)的第一架全金屬飛機ANT-2首飛成功，在這架技術驗證機之后馬上就有了全金屬飛機ANT-3偵察機的量產。此后，圖波列夫將“鏈鋁”全金屬飛機越造越大，從世界上第一架全金屬雙引擎轟炸機ANT-4（TB-1），到第一架全金屬四引擎轟炸機ANT-6（TB-3），直至將這種全金屬飛機的尺寸推向了同時代中最大的飛機——8引擎的ANT-20。

在全金屬飛機的發(fā)展上，蘇聯(lián)人的技術路線是屢創(chuàng)第一的越造越大，直至“怪獸”ANT-20的出現（其翼展與波音747相當）。而圖波列夫的ANT系列，在外形上不變的除了矩形截面長方體機身，還有那0.3～0.5毫米厚的硬鋁波紋蒙皮

在全金屬飛機的發(fā)展上，蘇聯(lián)人的技術路線是屢創(chuàng)第一的越造越大，直至“怪獸”ANT-20的出現（其翼展與波音747相當）。而圖波列夫的ANT系列，在外形上不變的除了矩形截面長方體機身，還有那0.3～0.5毫米厚的硬鋁波紋蒙皮

在全金屬飛機的發(fā)展上，蘇聯(lián)人的技術路線是屢創(chuàng)第一的越造越大，直至“怪獸”ANT-20的出現（其翼展與波音747相當）。而圖波列夫的ANT系列，在外形上不變的除了矩形截面長方體機身，還有那0.3～0.5毫米厚的硬鋁波紋蒙皮

“鋼”系列飛機生產了上百架，是當時蘇聯(lián)民航的主力機型之一。下圖為1931年蘇聯(lián)莫斯科的新機場霍登斯科耶航站樓前的“鋼”-3，其機身結構框架是由不銹鋼Enerzh-6沖壓焊接成的，機身側部為木質膠合板，機翼、尾翼和機尾的蒙皮皆為帆布，只在機身前部少量使用了鋁合金

上圖為英國婦女上交鋁制炊具、鍋碗瓢盆等。下圖是美國劇院門口的孩童們，他們憑著手上高高舉起的鋁制瓶瓶罐罐就能兌票一張。當然，戰(zhàn)時的“回收與節(jié)儉”涵蓋很廣，不只鋁制品還有鐵銅等其它金屬等等

不過隨著全金屬飛機對鋁合金的需求大增，蘇聯(lián)在鋁合金產能上又存在不足，從30年代開始蘇聯(lián)航空工業(yè)又將鋼材的使用作為了側重點。比如使用不銹鋼Enerzh-6來制造的“鋼”（俄語，Сталъ）系列飛機就用于航空郵件、貨物運輸、短途客運等。從“鋼”系列飛機的使用來看，用不銹鋼做飛機的主要結構材料，可以使用數十年，只是限于當時的焊接、處理等工藝水平，一些焊接點、螺栓和其它零件間的生銹還是不可避免。戰(zhàn)后蘇聯(lián)的鋁產量逐年攀升，直至世界第一，無需再為造飛機的鋁合金發(fā)愁了。不過就在“鋼”系列問世的40年后，蘇聯(lián)航空工業(yè)再次以不銹鋼創(chuàng)造了米格-25這般的超音速傳奇。

二戰(zhàn)時的“國防鋁”，今日的第五代鋁合金

二戰(zhàn)期間，鋁合金在飛機的生產中大量使用，并如石油一般成為日漸緊缺的戰(zhàn)略物資。即便是遠離戰(zhàn)火的美國也在深感鋁的金貴，如美國內政部長所說：“如果美國輸掉了這場戰(zhàn)爭，那么責任就在美國鋁業(yè)公司。”除了盡可能地提高冶煉鋁的產能外，二戰(zhàn)時期的美蘇英等國都有著轟轟烈烈的從戰(zhàn)場一線到大后方的“回收鋁運動”，這種回收鋁的回爐生產成本要比從礦石冶煉低得多，且生產周期更短。也因此，在不列顛空戰(zhàn)的第一天，英國報紙廣播上就出現了寫給英國婦女的公開信，稱鋁可以用來給皇家空軍打造戰(zhàn)機以對抗德國，呼Ⅱ于她們捐出家中非必需的鋁制品。在戰(zhàn)時的美國，民眾上交鋁制炊具，乃至攢下口香糖包裝紙、煙盒上的鋁箔等“國防鋁”，就能兌換電影票等。

不論是年逾半百的波音737家族，還是將民航帶入超音速時代的“協(xié)和”，它們的結構重量中最主要的材料都是鋁合金。這張來自前“協(xié)和”工程師們開設的懷舊網站的圖片，清楚地標記出了“協(xié)和”身上的材料類型，比例最大的當數鋁合金（aluminium alloy）

在2018年的改革開放40周年展覽上，中國鋁業(yè)的展板介紹了研制的7055鋁合金。作為第四代新興超高強鋁合金，它主要用于四代機的前機身及C919客機外翼上壁板

鋁合金的應用當然不只是航空領域，這么好的材料也隨著人類第一顆人造衛(wèi)星“斯普特尼克”1的上天進入太空，它的圓球形殼體就是鋁合金的

戰(zhàn)后，鋁合金已成為飛機制造不可或缺的一部分。鋁合金新品種不斷出現，但不論它的合金成分再多樣、牌號再多，在航空領域的應用再日趨廣泛，不變的還是鋁合金的核心優(yōu)勢——重量輕、強度高且耐腐蝕。幾乎沒有任何一架飛機可以不用鋁來打造，從機身、機翼、蒙皮、方向舵、艙門、發(fā)動機艙，到機體內部的各類管道、座椅、地板、座艙儀表等等，鋁合金無處不在。

目前世界上絕大多數戰(zhàn)斗機的主要結構材料依舊是鋁合金，主要是鋁-銅-鎂系列（2×××系鋁合金）和鋁-鋅-銅-鎂系列（7×××系鋁合金）。前者以銅為主合金元素，是航空材料發(fā)展史上最早發(fā)明、時至今日依舊應用廣泛的中等強度鋁合金。后者是以鋅為主合金元素的高強鋁合金，主要用在機體主承力結構、機體的關鍵件及重要件上。從鋁合金材料技術的發(fā)展歷程來看，鋁合金基本劃分為四代：第一代靜強度鋁合金、第二代耐腐蝕鋁合金、第三代高純鋁合金和第四代高強耐損傷鋁合金。在第四代鋁合金技術發(fā)展的同時，以鋰元素（鋰是自然界最輕的金屬）為主合金元素的鋁鋰合金也憑借其“減重”的獨特優(yōu)勢得到了更廣的應用。而本世紀以來正在發(fā)展中的有著高綜合性能、厚大截面整體結構、低成本等特點的第五代鋁合金體系逐步成形，并與鈦合金、復合材料展開了日趨激烈的競爭。

從木布結構，到半金屬的過渡，再到全金屬飛機的全盛時代，在這個技術發(fā)展過程中既有作為前提的鋁合金材料技術的突破，也有航空設計師、工程師們的大膽探索與應用。

當然，置身這場綿延百年的航空材料技術變革之中，先行者的遠見也不可避免會有“歷史局限性”。比如在當年各方力證金屬飛機較于木質飛機的獨特優(yōu)勢時就“忽略”了這樣一點：當有一天飛機要飛上萬米高空時，“加壓客艙”就成了剛性需求。而對于這一點，金屬飛機可以做到，但木質飛機就無法做到。

那么，今日的復合材料較于鋁合金為代表的金屬材料，又有著怎樣的獨特優(yōu)勢？

（未完待續(xù)）

[編輯/山水]

波音787“夢想”客機，它的機身、機翼、機尾和其它主要結構都由碳纖維復合材料編制而成。這標志著過去鋁合金結構框架+鋁合金蒙皮的經典組合被徹底顛覆