航空制造中的夾層結構

曾　達

近幾年來，由于高空高速性能的飛行器(超音速飛機、火箭或導彈等)的出現(xiàn)，曾給氣動力和結構方面帶來不少的問題。在解決這些問題時，設計師們想出了很多的辦法。在結構方面來講，出現(xiàn)了一些新穎的結構，如蜂窩夾層結構、整體結構等。事實上，高性能飛行器之所以能飛行，成功的減輕了結構的重量是其主要原因之一。減輕一公斤結構的重量就減輕了幾公斤飛行重量，因為另外還減去了將這一公斤重量載運很遠距離所需的燃料重量。因此，近幾年來在航空制造業(yè)中，各國對于制造不受力的零件和用于三層蒙皮的夾層廣泛采用合成的、特別是可塑材料。

從氣動性能、強度、重量和剛度的要求來看，夾層結構遠勝過其它類型的結構，因此這種結構在航空及火箭技術上得到日益廣泛的應用。

三層蒙皮或夾層蒙皮的構造，是由兩層較堅固的材料的薄板(支持層)固定在較厚(約2厘米)而輕的夾層(填料)的兩面而組成(如圖1)。支持層現(xiàn)在一般采用鋁合金、耐熱鋼、高強度塑料及鈦合金等鈑料。夾層則用松孔塑料(圖1a)、鋁(鋁箔蜂窩(圖16)及鋁波紋板)、紙及石棉等。

圖1層狀壁板的結構

夾層結構應用很廣，可用來制造機翼、尾翼、機身、導彈外殼及彈頭、減速板、發(fā)動機短艙、隔音裝置、防火隔板等等。

假若所有的蒙皮全是用三層結構作的，在合理的設計下，構造的重量可以減少10－20%或更多。同樣，飛行器的總重量也就減少。從這里可以看出，采用三層結構，是減少飛行器重量的有效方法。

為了更清楚的介紹夾層蒙皮的優(yōu)越性，我們可以看看在飛行下機翼受到哪些力的作用及其工作情況。在高速飛行時，機翼的上表面和下表面作用著相當大的吸力(有時每平方米達6噸或更多)，在這種力的作用下，促使蒙皮與骨架分離，因此蒙皮與翼肋和桁條之間產生翹曲，使機翼像“桁縫的被子”一樣打皺(如圖2)。翼形這種畸變，使得迎面阻力顯著增加，同時，飛行器的穩(wěn)定性和操縱性也受到影響，使得工作不可靠。這種畸變在飛行器的其它部分也會發(fā)生。

圖2吸力對層狀結構機翼的作用

為了避免飛行時構件斷面形狀的畸變，可采用增加蒙皮厚度(5毫米或更多)的方法，但是，即使這樣，機翼斷面的形狀也不能保持不變。

除了吸力外，機翼上還作用著升力，升力使機翼發(fā)生彎曲，于是在機翼壁板的上面產生壓應力，而在下面產生拉應力。當應力達到材料的強度極限時，下壁板破壞；而上壁板在受到比強度極限還小的應力時就已經(jīng)破壞了，因為當達到臨界應力時，上(受壓)壁板就失去了穩(wěn)定性(臌起來)，這樣使它破壞。由于現(xiàn)代機翼的臨界應力比強度極限低30－40%，所以設計師們就不得不增加橫斷面尺寸，于是上壁板較下壁板重30－40%，這就使得整個結構的重量增加。

若用夾層蒙皮，上述問題均可得到改善。

由于夾層蒙皮的橫向剛性很高，因此在吸力的作用下，蒙皮與翼肋之間的翹曲減少，而且能較好的保證飛行時的橫斷面不變，這就使得飛行器不致受較大的迎面阻力。這點對超音速飛行器來說，更顯得特別重要。

夾層蒙皮的厚度大，除得到較高的剛性外，臨界應力僅比強度極限減少10－20%(單層蒙皮減少30－40%)，所以使得結構的重量減少10－20%。

有鉚釘?shù)娘w行器使空氣性能變壞，因為在鉚裝時，有的埋頭鉚釘凸出在蒙皮的表面外(這是公差范圍所允許的)，有的則陷到里面，使得阻力加大。而夾層結構不需要鉚釘，表面非常光滑，因而具有良好的空氣動力外形，顯然無上述缺陷。

夾層可用高強度膠、熔焊及焊接與支持層(板材)聯(lián)結。最好全部用膠結，因為這種方法不至降低材料的強度和塑性，其他兩種方法不可避免會使材料的強度和塑性有所降低。拿膠結和鉚接比較，如膠結夾層結構的方向舵比同樣重的普通鉚接結構的方向舵的強度高20%，而剛度大50%。

在沒有專門隔熱設備的飛行器中，當高速飛行時，由于空氣動力熱加熱燃料，可使部分燃料汽化。若用夾層結構，就能保證機翼或機身內的燃料具有良好的隔熱。因為夾層結構有較大的厚度和較小的密度，而且其導熱性又很差。夾層還能大大地減少高速飛行時氣密艙中的空氣加熱，而且能保證有良好的隔音。但是蒙皮的外支持層受熱比內支持層受熱大，因而外表面較內表面膨脹大，這樣，就產生了熱應力，使外支持層受壓力，而內支持層受拉力，這就要影響蒙皮的強度。但如果設計得合理的話，蒙皮的強度減少不多。

制造夾層結構，不需要重型機械工具，如沖壓機，特種銑床等。這就使生產簡化而且降低了成本。但在機械加工蜂窩夾層壁板時，會使壁板壓皺，所以加工時，要在蜂窩格子中加穩(wěn)定劑，如水、肥皂、樹脂、糖及能凍結的冷卻液等。

三層蒙皮的機翼結構是由下列各部分組成的，即：承受空氣載荷所產生的彎曲力矩和扭轉力矩的蒙皮；承受橫向力的梁(應該說是壁板)和支撐蒙皮的翼肋。圖3所示為沒有桁條的填料機翼結構。

圖3填料機翼結構

對于機身來說，采用三層蒙皮特別有利(圖4)，此時除了能較好的使燃料隔熱之外，還會減少更多的重量(與機翼比較)。原因是因為機身的直徑大大地超過了機翼的厚度，作用在飛行器水平尾翼上的力產生了彎曲力矩，而機身承受這力矩的支持力臂要比機翼大得多，所以在機身的上表面蒙皮和下表面蒙皮產生的拉力和壓力較小，因此，蒙皮可以作得很薄。但是，薄蒙皮在不大的應力下就易失去穩(wěn)定性。從穩(wěn)定性上來講，又需要增加蒙皮的厚度，于是機身重量又增加。

圖4三層蒙皮的機身

夾層蒙皮的穩(wěn)定性(臨界應力)很高，可以采用厚度很小的支持層，使機身的重量大為減少。

到底用什么材料制造蜂窩壁板和支持層，就要看飛機結構的溫度及作用在飛行器上各部分的載荷如何，溫度和載荷又是由飛行速度和高度決定的。

在選用支持層材料時，以比較強度為準則，比較強度也就是材料的強度極限與比重的比例關系。當溫度增加時，強度極限下降，但對于不同材料其下降不同，例如，溫度增加時，夾玻璃布膠板和硬鋁的強度下降得很快，鈦合金較慢，而耐熱合金更慢。對于機翼、尾翼和機身的支持層蒙皮來說，當溫度為150－200℃時，采用夾玻璃布膠板和其它塑料以及硬鋁有利；當溫度在200°到400－480℃時，采用鈦合金有利；在480°到800℃時，采用耐熱合金有利。

對于僅承局部載荷的零件，當溫度超過200℃時，最好用夾玻璃布膠板制成的有支持層的蒙皮，不需要用鈦合金。屬于這類零件的，有裝起落架和炸彈的艙口的門，飛機天線的整流罩，地板，隔壁等。

蒙皮的厚度及夾層滑移的剛性愈大，則夾層蒙皮的臨界應力愈大。所以采用什么樣的夾層材料有利，取決于表示材料滑移剛度的滑移系數(shù)與比重的關系。另外還要考慮經(jīng)濟性、強度、絕緣等等因素。如用紙作夾層，則價廉，但絕緣、防火、強度都不好；若用塑料，能滿足電子學和熱絕緣的要求；若用鋁，則防火安全和強度高。

蜂窩通常為正方形和六角形(圖5所示)。蜂窩壁板的厚度及蜂窩格子的橫向尺寸，就現(xiàn)有的結構來看，其范圍很大。對于硬鋁壁板厚為0.038－0.075毫米，橫向尺寸為12.6－25.4毫米；對于鋼壁板，相應的尺寸為0.025－0.25毫米和4.7－25.4毫米。

圖5蜂窩

a.六角形6.正方形в.波紋形

當用鋁合金和夾玻璃布膠板組成的三層結構時，蜂窩本身的聚合及其與支持層板的聯(lián)結可用膠水膠結。膠結過程基本上是在膠結時把溫度控制好，冷凝時把壓力控制好。用來膠結金屬的膠水要能承受300℃以上的溫度。膠結處的質量由專用電子儀器來進行檢驗，電子儀器的真空端貼在壁板的表面上，假如支持層貼得不夠好(在真空力的作用下，支持層從夾層上有某些脫離)，那么紅燈亮了，綠燈熄滅。電子儀器能夠發(fā)現(xiàn)面積極小的缺陷，而且能夠在工作時檢驗膠結處的質量。

膠結雖然有很多的優(yōu)點，如施工方便，提高疲勞強度，減少腐蝕等。但膠水的耐溫有限，目前看來，膠結的壁板可應用于受熱達130℃的飛機上，蒙皮溫度超過130℃時，就要用其它夾層結構。

若采用鋼制的三層結構，蜂窩通常由點焊條制成，而支持層則用焊或釬焊在夾層上。制造耐熱合金的支持層和蜂窩夾層時，用銀錫焊料釬焊，焊接的質量用X光檢驗。這類蒙皮可耐溫達480℃。至于其它80%在較低的溫度條件下工作的飛機蒙皮，其支持層是由鋁合金制造的，它貼在由鋁合金板或夾玻璃布膠板組成的蜂窩夾層上。

石棉蜂窩(用無機膠與石棉板膠結成的)能在40分鐘內耐溫達925℃，這種材料還在研究中，據(jù)估計，將來可能耐溫達1200°C。另一耐高溫的更新的材料是陶瓷蜂窩結構，耐溫達1100℃左右。這一新材料還處于試驗研究階段。若用石棉蜂窩作導彈殼體與陶瓷作導彈頭，這種配合能抵抗作用在導彈上的很高的大氣溫度。

若機翼(尾翼)的厚度很小，那么用三層蒙皮的好處不大。這時，最好整個機翼(尾翼)內腔中放置夾層(圖6和圖7)，這種機翼蒙皮的臨界應力幾乎與材料的強度極限沒有區(qū)別。圖6和圖7所示的夾層結構，可用于舵面、副翼以及機翼、垂直安定面、水平安定面和小尺寸飛行器的螺旋槳槳葉。

圖6夾層構造

圖7夾層結構尾舵的后部

表面溫度超過200℃的飛行器，應用金屬蜂窩夾層的三層結構有利。但可以預料，金屬夾層在不久的將來，會為輕而耐熱以及具有足夠強度的塑料所代替。

從上面有限的介紹看來，夾層結構在近代飛行器上起著巨大的作用。