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輸機。

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。Overture將采用碳纖維復(fù)合材料在高溫下保持強度，比超音速協(xié)和式飛機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，將展示Overture、Boom商用客機的關(guān)鍵技術(shù)，如先進的碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、計算機優(yōu)化的高效空氣動力學(xué)和高效的超音速推進系統(tǒng)。分析建造的XB-1的材料也讓我們距離了解Overture更進一步。

制造超音速飛機的材料

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，飛機材料的歷史——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XB-1上。

XB-1的材料是根據(jù)幾十個因素選擇的。在建造的每一步，工程師們都要平衡性能、成本、強度和重量的要求。在設(shè)計中每減少一磅重量，就會增加一磅燃料，從而使XB-1在超音速飛行時飛行時間更長。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)過時間的檢驗，看它們的性能如何；在整個飛機使用壽命中，每個部件都必須保持其機械性能，這意味著在飛行500小時后，性能要與飛行50小時后一樣好。

對于超音速飛機來說，由于空氣動力加熱的獨特問題，材料還必須提供熱阻。超音速飛行時，飛機上的空氣壓縮更大，從而產(chǎn)生更多的熱量。由于所有的金屬在受熱時都會膨脹并失去強度(在速度超過5馬赫時，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)，所以超音速飛機的材料在選擇時都必須考慮空氣動力加熱。

在維持強度和耐熱性的基礎(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，這種材料具有較強的強度和較低的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，使它們成為機身結(jié)構(gòu)選擇的一種元素。

在協(xié)和式飛機的設(shè)計過程中，復(fù)合材料并沒有經(jīng)過充分的航空測試和證明，盡管飛機確實包括了它們。協(xié)和式飛機設(shè)計于20世紀60年代，其制造材料從獨特的鋁合金和鋼，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

鈦具有超強的強度，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中強度重量比最高的材料之一，在著陸速度下艙壁將承擔大部分載荷。當XB-1著陸時，艙壁將吸收來自每個起落架的112,000磅的力。出于強度的要求，大多數(shù)后機身由鈦制造。

雖然在這些特定的情況下，鈦是理想的，但也可能在整個飛機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，鈦皮飛機確實存在:其中最著名的是洛克希德·馬丁SR-71黑鳥。在飛機的發(fā)展過程中，鈦皮是間諜飛機家族的一部分，必須制造專門的鈦工具，因為普通的金屬工具會折斷更脆的鈦。巧合的是，SR-71包含了一些最早用于飛機制造的碳纖維復(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)計迭代快速，3D打印的Ultem 9085可以節(jié)省時間和金錢。在3D打印技術(shù)出現(xiàn)之前，復(fù)雜的飛機部件都是用一塊堅實的材料加工出來的，通常需要花費昂貴、艱苦和費時的努力。

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。每一個都非常適合每個部件的特定用途，并提供所需的強度、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。

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