近日，美國空軍(USAF)宣布授予Exosonic、Hermeus和Boom超音速小型商業(yè)合同，用于研制一種潛在的超音速運(yùn)輸機(jī)。

Boom Supersonic在9月8日的聲明中說，公司獲得的合同資金將資助基于Overture飛機(jī)的配置探索，該公司正在為商業(yè)超音速飛行開發(fā)該飛機(jī)。Overture將采用碳纖維復(fù)合材料在高溫下保持強(qiáng)度，比超音速協(xié)和式飛機(jī)上使用的鋁合金更好。根據(jù)該公司的一份聲明，復(fù)合材料在超音速條件下的膨脹和收縮比金屬小得多，使Overture在概念上能夠以更高的速度飛行。

此前，Boom宣布，其超音速演示機(jī)XB-1將于2020年10月7日推出。XB-1是世界上第一架自主研發(fā)的超音速噴氣機(jī)，將展示Overture、Boom商用客機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，如先進(jìn)的碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)優(yōu)化的高效空氣動力學(xué)和高效的超音速推進(jìn)系統(tǒng)。分析建造的XB-1的材料也讓我們距離了解Overture更進(jìn)一步。

制造超音速飛機(jī)的材料

木頭易腐爛，織物太脆弱，鋼鐵過于笨重，鈦則太昂貴，而鋁不能一直承受熱量，于是，碳纖維復(fù)合材料刺激了創(chuàng)新。

其實(shí)，飛機(jī)材料的歷史——部件是由什么構(gòu)成的——就像一部現(xiàn)代工程編年史。

今天的飛機(jī)包括多種材料，其中許多材料在50年前并不廣泛使用或根本不可行。在過去的兩年里，抓狂的工程師們一直在測試超音速飛行的材料，他們將創(chuàng)新材料和傳統(tǒng)材料結(jié)合在了超音速演示飛機(jī)XB-1上。

XB-1的材料是根據(jù)幾十個(gè)因素選擇的。在建造的每一步，工程師們都要平衡性能、成本、強(qiáng)度和重量的要求。在設(shè)計(jì)中每減少一磅重量，就會增加一磅燃料，從而使XB-1在超音速飛行時(shí)飛行時(shí)間更長。因此，對每一種材料及其后續(xù)部件的分析都是有條不紊的。材料也要經(jīng)過時(shí)間的檢驗(yàn)，看它們的性能如何；在整個(gè)飛機(jī)使用壽命中，每個(gè)部件都必須保持其機(jī)械性能，這意味著在飛行500小時(shí)后，性能要與飛行50小時(shí)后一樣好。

對于超音速飛機(jī)來說，由于空氣動力加熱的獨(dú)特問題，材料還必須提供熱阻。超音速飛行時(shí)，飛機(jī)上的空氣壓縮更大，從而產(chǎn)生更多的熱量。由于所有的金屬在受熱時(shí)都會膨脹并失去強(qiáng)度(在速度超過5馬赫時(shí)，大多數(shù)金屬會融化或變得非常柔軟，于是彎曲，失去其特性)，所以超音速飛機(jī)的材料在選擇時(shí)都必須考慮空氣動力加熱。

在維持強(qiáng)度和耐熱性的基礎(chǔ)上，XB-1主要材料如下：

碳纖維復(fù)合材料

XB1的大部分機(jī)身結(jié)構(gòu)以及一些支架都是由輕質(zhì)碳纖維復(fù)合材料制造的，這種材料具有較強(qiáng)的強(qiáng)度和較低的CTE(熱膨脹系數(shù))。它們的膨脹速度更接近于鈦，而鈦也是XB-1的關(guān)鍵材料。復(fù)合材料被證明能夠經(jīng)受腐蝕和磨損，使它們成為機(jī)身結(jié)構(gòu)選擇的一種元素。

在協(xié)和式飛機(jī)的設(shè)計(jì)過程中，復(fù)合材料并沒有經(jīng)過充分的航空測試和證明，盡管飛機(jī)確實(shí)包括了它們。協(xié)和式飛機(jī)設(shè)計(jì)于20世紀(jì)60年代，其制造材料從獨(dú)特的鋁合金和鋼，到不銹鋼蜂窩和樹脂粘結(jié)玻璃纖維(一種復(fù)合材料)。這些材料可以承受極高的溫度，但并不都是輕質(zhì)的(這就需要更多的燃料)。我們只能想象協(xié)和式飛機(jī)的工程師會如何使用今天的復(fù)合材料來改善重量和熱挑戰(zhàn)。

鈦

鈦具有超強(qiáng)的強(qiáng)度，還可以與碳纖維復(fù)合材料兼容。這兩種材料具有相似的熱特性，膨脹速度也比較接近，使它們成為超音速飛機(jī)制造的理想搭檔。

XB-1的主起落架艙壁由重66磅的4英寸厚的鈦板制造。它是XB-1中強(qiáng)度重量比最高的材料之一，在著陸速度下艙壁將承擔(dān)大部分載荷。當(dāng)XB-1著陸時(shí)，艙壁將吸收來自每個(gè)起落架的112,000磅的力。出于強(qiáng)度的要求，大多數(shù)后機(jī)身由鈦制造。

雖然在這些特定的情況下，鈦是理想的，但也可能在整個(gè)飛機(jī)制造中全采用這種金屬。原因很簡單，成本！鈦極難獲得，所以非常昂貴，目前平均每磅40美元，而鋁每磅約1美元(兩種價(jià)格因市場條件和金屬購買方式的不同而差異很大)。

鈦也很難制造。然而，鈦皮飛機(jī)確實(shí)存在:其中最著名的是洛克希德·馬丁SR-71黑鳥。在飛機(jī)的發(fā)展過程中，鈦皮是間諜飛機(jī)家族的一部分，必須制造專門的鈦工具，因?yàn)槠胀ǖ慕饘俟ぞ邥蹟喔嗟拟?。巧合的是，SR-71包含了一些最早用于飛機(jī)制造的碳纖維復(fù)合材料。

Ultem 9085

Ultem（聚醚酰亞胺）9085這種熱塑性材料不僅可以3D打印，而且堅(jiān)固、輕便、阻燃。在XB-1中，三次支架、夾塊、墊片、導(dǎo)管和燃料關(guān)閉器大部分是在內(nèi)部生產(chǎn)的，使用3D打印Ultem 9085。

由于允許設(shè)計(jì)迭代快速，3D打印的Ultem 9085可以節(jié)省時(shí)間和金錢。在3D打印技術(shù)出現(xiàn)之前，復(fù)雜的飛機(jī)部件都是用一塊堅(jiān)實(shí)的材料加工出來的，通常需要花費(fèi)昂貴、艱苦和費(fèi)時(shí)的努力。

最后，雖然XB-1具有許多較新的材料，它也包括經(jīng)過試驗(yàn)和測試的材料，如鋁、不銹鋼、橡膠、黃銅、青銅、丙烯酸和銅。每一個(gè)都非常適合每個(gè)部件的特定用途，并提供所需的強(qiáng)度、耐熱性、耐久性、重量、可加工性和超音速飛行性能。這些材料需要接受Boom的XB-1在今年10月7日第一次飛行考驗(yàn)。

編譯/前瞻高端裝備研究組

原文來源：

https://www.janes.com/defence-news/news-detail/us-air-force-awards-contracts-for-supersonic-executive-transport-aircraft-work

https://blog.boomsupersonic.com/going-the-distance-materials-made-for-supersonic-c626350f74cd