飛機(jī)是用什么材料制成的？（上）

希弦

一百多年前飛機(jī)初上藍(lán)天之時，還屬于手工作坊的產(chǎn)物，而那一批航空先驅(qū)們，既是飛機(jī)的設(shè)計者，也多是飛機(jī)的制造者和試飛者。在這些“航空匠人”的手中，歷經(jīng)一次次修修改改、一次次起起落落，飛機(jī)也從最初的蹣跚起飛、貼地飛行幾十米，到“像鳥兒一樣飛翔”，飛得更遠(yuǎn)、更高、更快。

不論是從自行車鋪起家的萊特兄弟（圖中即為他們的“飛行者一號”與試飛場地邊的工坊），還是全美摩托車賽冠軍的格倫·寇蒂斯（Glenn·Curtiss），他們的動手能力都很強(qiáng)，都有自己的作坊，設(shè)計制造出的飛機(jī)也都是他們自己來“以身犯險”試飛

人類在對飛行的最初認(rèn)識中，不論是從觀察鳥類飛翔的仿生學(xué)角度，還是從當(dāng)時稍顯粗糙的吹風(fēng)洞、空氣動力學(xué)理論，就“飛機(jī)要造得輕”這一點(diǎn)早已達(dá)成共識。而用來造飛機(jī)的材料之所以選擇了木材，一方面是因?yàn)槟静淖鳛樘烊徊牧?，一直以來是人類文明史中無可替代的存在;另一方面在于木材選得好的話，就能把飛機(jī)造得又輕又有一定強(qiáng)度，同時還有易于加工的優(yōu)點(diǎn)。

并不是所有木頭都能用來造飛機(jī)

以今日視角來看，用天然的木材來造飛機(jī)已成為過去一百多年來航空史上一個延續(xù)至今的傳統(tǒng)。從航空先驅(qū)們的手工作坊時代，到一戰(zhàn)初露崢嶸的軍用飛機(jī)，再到二戰(zhàn)“蚊”式輕型轟炸機(jī)所代表的“木制的傳奇”，這種延續(xù)使戰(zhàn)后的“木飛機(jī)”成為了一種航空復(fù)古風(fēng)尚，在廣大飛行愛好者中占據(jù)著獨(dú)特的地位，或是購買套件組裝，或是按照圖紙自己來施工建造。

說到“木飛機(jī)”，在今天的我們的籠統(tǒng)印象里是木材、帆布和鋼絲（金屬件）的組合，但細(xì)觀之，在“木材”這一塊上又是極為講究和嚴(yán)苛的。航空級木材必須具備多方面優(yōu)點(diǎn)，比如木紋平直，無節(jié)痕，強(qiáng)度大、質(zhì)量輕，心材邊材勻稱，不吸水，易膠合等，所以只有限定的幾個樹種能被選用建造飛機(jī)。

一百年前的這般場景，今天的我們很難將其與一座飛機(jī)制造工廠聯(lián)系到一起

以萊特兄弟完成“第一飛”的“飛行者”來看，用材最多的是北美云杉。機(jī)身、兩翼間撐桿和其它結(jié)構(gòu)部件的所用木材都是這種直紋、無結(jié)，且木材的每英寸寬度都大于14 年輪的北美云杉;飛機(jī)上的一些拉桿、升降舵、控制臂等對強(qiáng)度有著一定要求的部件，則由白蠟?zāi)局瞥?機(jī)上的一些滑輪則是就地取材，以黃楊木做的旱冰鞋鞋輪來代之。另外，“飛行者”上還用蠟麻線來捆綁固定飛機(jī)框架，還有鋼棒、鋼帶和控制線纜等為數(shù)不多的金屬件。

時至今日，云杉依舊是公認(rèn)的建造飛機(jī)的天然理想材料之一，它有著絕佳的強(qiáng)度/ 重量比。雖然在美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）的官方通告中也推薦了西部鐵杉，它的強(qiáng)度比北美云杉要高14%，可以部分取代“老牌”的云杉，只是它比云杉重。如今不論是云杉還是鐵杉，尋找、砍伐這些特定品類的木材越來越困難。本世紀(jì)以來航空級木材的價格不斷飛漲，這成為近年來“極客”飛機(jī)愛好者再造“木飛機(jī)”時遇到的大難題，有的只能退而求其次選擇“膠合板”了。

造一副木質(zhì)螺旋槳有多不容易？

翻看近一個世紀(jì)前的我國近代航空工業(yè)史料，當(dāng)時對造飛機(jī)的木材選擇有因地制宜的綜合考量，并記錄下了這些國產(chǎn)木材可堪一用：云杉，飛機(jī)結(jié)構(gòu)材;核桃木，螺旋槳材;樺樹，層板及螺旋槳材;槭樹、丁木，層板材;泡桐，飛機(jī)填充及整形材。另外，不論是從文獻(xiàn)記載還是史實(shí)情況來看，我國還有用竹子做飛機(jī)材料的創(chuàng)舉，如用竹子做了上萬個飛機(jī)的外掛副油箱，文獻(xiàn)記錄的這種強(qiáng)度大且合用的竹子是慈竹和楠竹。

對于一些飛行愛好者來說，買現(xiàn)成的套件來組裝飛機(jī)就顯得不夠“極客”了，所以今天我們還能看到圖中這般的——退休工程師在自家車庫里按照圖紙全程自己動手制造。既然是“極客”了，那么造飛機(jī)的木料必然是“高端”的云杉了，只是云杉的價格早已金貴，畢竟它也是造吉他等樂器的好材料

左圖，1963年新中國航空工業(yè)的第一批木質(zhì)螺旋槳裝上了初教-6（當(dāng)時名為“紅專502”），但木質(zhì)螺旋槳的短板注定了金屬槳葉是發(fā)展趨勢。右圖，1964年新中國的第一副金屬槳葉，“奮發(fā)”530金屬螺旋槳

“云杉鵝”作為最大的木制飛機(jī)，計劃能夠運(yùn)載約68噸（15萬磅）貨物或750名全副武裝的士兵或2輛30噸的M4“謝爾曼”坦克。支撐起這般雄心的是它巨大的體量（憑借97.82米的翼展，其占據(jù)翼展最大的飛機(jī)榜首達(dá)70余年），從機(jī)頂人員與“云杉鵝”的對比即可管窺一斑。而置身建造中的“云杉鵝”的機(jī)體內(nèi)，一個個巨大的樺木膠合板機(jī)身框，一圈圈讓人眩暈

新中國成立后的航空工業(yè)也曾經(jīng)歷過苦苦尋找可用航空級木材的過程。雖然這時的木材，已經(jīng)不是用來造飛機(jī)的主要材料了，但其一個重要的應(yīng)用是螺旋槳飛機(jī)的槳葉和直升機(jī)的旋翼槳葉，如初教-6教練機(jī)的螺旋槳和直-5直升機(jī)的旋翼槳葉。從史料上來看，當(dāng)時的航空工業(yè)部門與林業(yè)部門通力合作，從全國大江南北的近百個樹種中篩選出了黑龍江產(chǎn)的魚鱗松和四川產(chǎn)的云杉來做槳葉的木材。

后來的生產(chǎn)證明，從原木加工出成材，再到最終加工制造出一副槳葉，云杉的出材率要明顯優(yōu)于魚鱗松，但即便如此，每年我國還是要為造槳葉砍伐掉幾萬立方米的珍貴木材。因?yàn)槿〔淖陨钌嚼狭?，原材料供?yīng)運(yùn)輸困難、價格昂貴，生產(chǎn)的工藝復(fù)雜，周期又長，出產(chǎn)的第一副初教-6 的木質(zhì)槳葉出廠價格為3.8 萬元，木材成本就占到了1.8 萬元。這般困境直到我國的金屬槳葉技術(shù)突破后才得以全面解決。

二戰(zhàn)中的膠合板飛機(jī)

二戰(zhàn)中的1942年，美國戰(zhàn)爭部急需將物資和人員運(yùn)到英國，但盟軍的大西洋海上運(yùn)輸線屢遭德國納粹“水下狼群”的襲擊，損失慘重。正是在這樣的需求背景下催生了霍華德·休斯（Howard Hughes）H-4“云杉鵝”，這架人類有史以來建造的最大的水上飛機(jī)。

雖以“云杉鵝”命名，它的制造用的卻是樺木膠合板，而非云杉，選擇木材來造則是出于節(jié)省戰(zhàn)略物資（比如金屬鋁）的考慮。

用在飛機(jī)上的“膠合板”，自然也與我們?nèi)粘＜揖咧谐Ｒ姷哪z合板有很大不同。在“云杉鵝”上所用的樺木膠合板，制造工藝叫“杜拉莫德”（Duramold），是將樺木用酚醛樹脂浸漬后，在模具中加熱到138℃并在高壓下，層壓在一起。同樣出于省下戰(zhàn)略金屬物資的考慮，二戰(zhàn)時期空降作戰(zhàn)中大量使用的滑翔機(jī)也多以膠合板來建造。二戰(zhàn)中用膠合板打造的名機(jī)還有英國人的德·哈維蘭DH98“蚊”式轟炸機(jī)。該機(jī)上的膠合板是用樺木與厄瓜多爾輕木制成的“三明治”式，還少量使用了冷杉和云杉等木材。另外，二戰(zhàn)蘇軍中多達(dá)33500多架的波-2多用途雙翼機(jī)，在制造中也大量采用了松木等木材。

二戰(zhàn)時期，蘇軍裝備的波-2同樣是架“木飛機(jī)”。裝備了波-2的第588 夜間轟炸機(jī)團(tuán)，是支全員女性的作戰(zhàn)單位，是德軍眼中的“女夜巫”。二戰(zhàn)期間，該團(tuán)飛行了2.3萬架次，向德軍投下了3000噸炸彈和26000枚燃燒彈，有23名飛行員榮獲“蘇聯(lián)英雄”稱號

雖然“蚊”式輕型轟炸機(jī)的產(chǎn)量超過了7700架，但最終能在博物館中安享晚年、乃至還能重返藍(lán)天的“蚊”式已屬寥寥，這多半與其木質(zhì)、膠合板的機(jī)體結(jié)構(gòu)有一定關(guān)系。近些年來一些航空愛好者俱樂部、博物館等機(jī)構(gòu)都有重建“蚊”式的項(xiàng)目

從海外的一些航材商店來看，最常用的航空級膠合板所選用的木材通常是楊木、椴木、桃花心木和樺木等，對于所銷售的膠合板，都標(biāo)明符合MIL-P-6070規(guī)定的規(guī)格等級。這項(xiàng)上世紀(jì)60年代美國空軍制定的“軍標(biāo)”明確了航空級膠合板的各項(xiàng)性能規(guī)格、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等，其中的一個關(guān)注點(diǎn)是膠合板的“不開膠”，如先將膠合板在沸水中浸泡三小時再進(jìn)行剪切試驗(yàn)，以檢查膠層的粘合質(zhì)量是否符合規(guī)格。

一些螺旋槳的生產(chǎn)也有使用不同尺寸的板材用膠水來拼合的，而后再切銑，打磨成型

從膠合板在軍用飛機(jī)上的應(yīng)用來看，“不開膠”的確是一個重要的性能。二戰(zhàn)時期“蚊”式轟炸機(jī)在印度部署時就曾有過幾次“機(jī)翼結(jié)構(gòu)失效”事件，雖然事后的調(diào)查結(jié)果認(rèn)為，是由于季風(fēng)雨季造成機(jī)身收縮引發(fā)的，但也有觀點(diǎn)認(rèn)為是機(jī)身膠合板上所使用的酪蛋白基膠水在高溫、悶熱潮濕環(huán)境下發(fā)生了變質(zhì)。同樣，在炎熱沙漠、過于干燥的環(huán)境下，也會在一定程度上造成膠合板的膠接處開裂等情況。

木材的天然問題與防水防腐措施

木材是自然界最原始的材料。如果能將木材保存在最小的濕度和避開陽光的良好環(huán)境下，木材的壽命可以和其它材料一樣長久有效。木材較于金屬，看似不會氧化生銹或腐蝕，但作為有機(jī)物，它也是大自然食物鏈的一部分，如果不能將木材的水分含量保持在理想的范圍內(nèi)，它同樣會“腐爛”，真菌或細(xì)菌這類微生物會在木材上生長并侵入木材組織，分解破壞木材。比如由褐腐真菌、軟腐真菌、白腐真菌等木腐真菌所引發(fā)的木材“干腐病”，在我們?nèi)粘Ｉ睿ㄈ鐚?shí)木家具、公園中的枯樹）中就能看到。

所以，用來建造飛機(jī)的木材，從砍伐下原木鋸成適當(dāng)尺寸的木料后，就要進(jìn)行充分風(fēng)干或烘干以調(diào)理木材的水分含量（在10%至17%之間）。同時，這些木材部件還都要刷上清漆，以在一定程度上隔絕水分，防止微生物的侵蝕，而有些漆面還有意使用有毒的來殺菌。不僅如此，在裝備使用階段，對大量使用了木材和織物的飛機(jī)的維護(hù)保養(yǎng)同樣要多加用心。

造飛機(jī)要請裁縫

航空先驅(qū)喬治·凱利（George Cayley）和奧托·李林塔爾（Otto Lilienthal）早在他們的載人滑翔機(jī)的設(shè)計中就使用了棉布來做蒙皮，覆蓋在結(jié)構(gòu)框架上。在萊特兄弟的“飛行者”號、前期飛行測試中的各型滑翔機(jī)上都使用了名為“西方驕傲”的棉布（平紋細(xì)布，當(dāng)時用于女性的內(nèi)衣面料）來做飛行器的蒙皮。除了棉質(zhì)的，當(dāng)時飛機(jī)機(jī)翼、方向舵和機(jī)身上的蒙皮所用織物通常還有絲綢和亞麻布，甚至還有用紙來做蒙皮的。

美國國家檔案館的影片《1917～1918年軍用飛機(jī)制造》完整地介紹了建造一架飛機(jī)的全流程，其中包括了木材的加工環(huán)節(jié)：深山老林中的采伐原木、運(yùn)輸，初步分切木料，木料的質(zhì)量檢測，將木料送進(jìn)干燥爐中進(jìn)行為期10天的干燥處理

一戰(zhàn)時飛機(jī)的機(jī)體結(jié)構(gòu)普遍是木質(zhì)框架加金屬拉線（上圖），雙翼機(jī)的上下兩翼間也是既有木質(zhì)的撐桿又有金屬拉線（下圖），目的都是用來固定強(qiáng)化結(jié)構(gòu)。上圖中的女工在給木質(zhì)框架刷防護(hù)漆

既然蒙皮是織物，所以萊特兄弟在1909年正式開廠、開始批量生產(chǎn)飛機(jī)時就聘用了多名全職裁縫來縫制蒙皮。當(dāng)時也已使用粘合劑來將織物蒙皮直接粘貼在機(jī)身框架、翼肋上，不過飛行較快的機(jī)型、弧度較小的機(jī)體區(qū)域還是需要縫制，以確?？椢锩善ぞo貼在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上，特別是在受到螺旋槳?dú)饬鳑_洗的區(qū)域，針腳還要更密一些。這樣的縫制蒙皮工序也一直延續(xù)到了一戰(zhàn)時期。

“蚊”式堪稱木質(zhì)飛機(jī)的發(fā)展頂峰。采用木材制造飛機(jī)，讓英國境內(nèi)的一些家居廠、大量的木匠加入了戰(zhàn)機(jī)的生產(chǎn)。上兩圖中的“蚊”式機(jī)體部件生產(chǎn)車間也的確有幾分像木匠工坊。左下圖中可見機(jī)體在生產(chǎn)時分成了左右兩部分，兩邊的機(jī)載設(shè)備安裝同步進(jìn)行，從而提高了生產(chǎn)效率。右下圖中“蚊”式的木質(zhì)機(jī)體外還覆上了一層平紋棉織物蒙皮，并涂有多層涂料

萊特家族捐贈給美國國家航空航天博物館的“飛行者”號的機(jī)翼蒙皮。這塊不一般的“棉布”在下半面的內(nèi)側(cè)有11 個翼肋口袋（蒙皮與翼肋的固定處），圖中還能看到蒙皮邊緣細(xì)密的針腳

為了節(jié)省工時、提高生產(chǎn)效率，一些飛機(jī)的大型織物蒙皮也有簡化成通過孔眼來與機(jī)身結(jié)構(gòu)捆綁或直接釘?shù)揭黄鸬墓に?，省去了人工的一針針縫制環(huán)節(jié)，額外的一個好處是戰(zhàn)場上飛機(jī)蒙皮受損后更換相對便捷了些。在今天美國聯(lián)邦航空管理局FAA的官方文檔中，就織物蒙皮的粘合劑這一項(xiàng)的推薦是間苯二酚膠，稱之是經(jīng)過認(rèn)證的最長久、最可靠的粘合劑。

從萊特兄弟的工廠開始（左上），到一戰(zhàn)時期歐美各國的飛機(jī)工廠中，都少不了縫制飛機(jī)蒙皮的女工身影

作為飛機(jī)蒙皮，僅僅是棉麻綢類的織物還是不夠的。為了保證蒙皮的緊密性、韌性、堅挺度，更耐用、更防水、抗撕裂與“不兜風(fēng)”（降低空氣阻力）等，蒙皮表面還會覆蓋橡膠或塑料，或者是用會硬化的涂料來刷在織物表面，以增強(qiáng)蒙皮的總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，再精細(xì)的還會刷上包含鋁粉的涂料以保護(hù)蒙皮織物免受紫外線的傷害。

一戰(zhàn)時飛機(jī)制造工廠內(nèi)給飛機(jī)蒙皮的刷漆涂裝過程，一般是先給翼肋處刷膠，貼上強(qiáng)化布條，再給整個翼面刷上涂料，之后是涂上機(jī)徽

為戰(zhàn)機(jī)涂上了機(jī)徽，也就基本宣告飛機(jī)蒙皮這一工序環(huán)節(jié)的完成。而戰(zhàn)機(jī)上的機(jī)徽，有時候又會成為戰(zhàn)場上另一方的勛章

不過，一戰(zhàn)的空戰(zhàn)情況已經(jīng)顯示，這些木質(zhì)機(jī)身結(jié)構(gòu)+ 織物蒙皮（包括使用的硝化纖維素涂料）的雙翼飛機(jī)實(shí)屬“易燃物”，也由此在當(dāng)時形成的一種戰(zhàn)場文化便是，看著敵機(jī)被擊落后，地面士兵們趕在飛機(jī)燃燒焚毀前，將涂在敵機(jī)織物蒙皮上的機(jī)徽完好切下來，以作為戰(zhàn)利品。

在飛行年代的開端，出于可用、重量輕和制造經(jīng)驗(yàn)等多方面因素的考慮，大多數(shù)的早期飛機(jī)都設(shè)計成了木質(zhì)機(jī)體和織物蒙皮的“木布結(jié)構(gòu)”。到了1915 年，就在萊特兄弟完成了人類歷史上首次航空器受控且持續(xù)的載人動力飛行后僅12 年 ，“全金屬飛機(jī)能飛起來嗎？”一時成為航空界討論的熱門話題，并有人用再一個“首次”給出了明確答案。（未完待續(xù)）