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第1章：飞机制造——一个空间庞大的世界

数百万个部件—耗时四个多月才能制造完成飞机由数百万个零部件组成。根据配置和设备的不同，空客A350大约有265万个独立零件，而波音787甚至可能拥有多达300万个零部件！组装一架完整的飞机需要四个多月的时间。

大型客机主要由铝、钛、钢和纤维增强复合材料制成。铝制结构件等轻型部件通常由实心材料加工而成。这意味着需要去除高达95%的材料。

制造一架客机所需的人力物力也是惊人的。波音最大的工厂位于美国华盛顿州西雅图附近的埃弗雷特。波音公司在这里占地约415公顷的工厂、生产车间、喷漆车间、道路和滑行道以及办公室雇佣了超过30,000名员工。“

空中客车公司三大基地之一位于德国汉堡，约有14000名员工从事A350 XWB、A320和A330型号的飞机结构组装以及A320的最终组装。飞机的零部件来自世界各地，通过货机、轮船或卡车运往汉堡。

巨头纷纷退役

四引擎宽体飞机（如空客A380和波音747）的退出标志着航空业的一个显著趋势。航空业正从枢纽辐射式系统转向点到点连接，而之前乘客往往需要通过中心枢纽转机。因此，双引擎远程“窄体”飞机更适合在众多支线

机场之间

提供直达连接。另一个原因是：双引擎飞机的运营成本通常更低。例如，空客A321-XLR比A321系列的标准机型航程更远，可搭载更多乘客。同时，其运营成本也大大低于A380或747等双层客机的运营成本。此外，现代双引擎机型使用更高效的发动机，从而降低油耗。

少即是多

重量越轻，能源效率越高，航程也越长。 每一克都很重要！例如，当联合航空公司的机上杂志改用更轻的纸张时，该公司每年节省了超过17万加仑的燃料。 我们需要的是能够显著减轻飞机重量的特殊材料和制造工艺。只有这样，才能提高飞行性能，降低油耗，二氧化碳排放量。在下一章中，我们将仔细研究飞机制造中使用的轻质材料及其特殊性能。

第2章：材料—在减轻重量和增强安全性之间取得平衡

飞机材料必须满足两个相互矛盾的要求：一方面，它们应该尽可能轻，以减少燃料消耗并提高飞行性能。另一方面，它们必须具有很强的弹性，以承受飞机所承受的巨大 力量，特别是在起飞和降落期间。根据根据材料的使用位置和用途（例如机翼或发动机），挑战可分为两类。

挑战1：机械力

飞机 部 件 在 起 飞、着 陆 和 飞 行 过 程中必 须 承 受极端的力。这些力主要是空气阻 力、升力以及发动机推 力产 生 的 空 气 动 力 。根 据 飞 行 速 度 的 不 同，这些 力可能 非 常大 。湍 流 也会导 致 材 料 受 到 冲 击 和振动，而腐蚀会降低强度。简而言之：机械力多种多样，会导致应力、材料疲劳、变形甚至断裂。

挑战2：热负荷

飞机发动机是非常复杂的设备，由数千个独立部件组成。其中一些部件在发动机的“热端”承受着巨大的 热 量 。这 是因为燃 料 燃 烧 时产生的 气体 温 度高达1300°C。为了承受这种“地狱之火”，发动机部件由所谓的“超级合金”制成，能够承受高温而不会损坏。然而，热应力不仅会影响发动机部件，还会影响其他受热循环影响的部件。例如，在飞机起飞和降落期间，外部温度可能达到+120°C或更高。在飞机内部，温度变化范围在-50°C到+50°C之间，具体取决于高度和负载。空气与飞机之间的摩擦也会产生热量，必须及时散热，防止过热损坏。

在选择材料时，必须考虑这些挑战。在减轻重量、稳定性和抗性热、冷和腐蚀。

材料——飞机制造的“神奇五侠

铝、钛和合金钢、耐热超合金以及越来越多的所谓“纤维增强复合材料”，例如碳纤维增强塑料（CFRP）。这五种材料组在同时赋予天空巨无霸稳定性和轻量性的方面最为重要。

在飞机部件方面，“全铝！”适用于约60%的机身框架、门框和窗框、轮辋、机翼肋、机身蒙皮、外壳…像空客A320这样的现代飞机约有60%由铝或铝合金制成。对于外部部件，合金通常镀有纯铝。这是因为纯铝具有高度耐腐蚀性。为了进一步减轻重量，工程师甚至用铝代替铜来制作电线！

轻质、耐腐蚀、经济：铝合金

大部分飞机部件由铝合金制成。原因如下：

轻质：铝的密度为2.75 g/cm3，非常轻。这降低了飞机的整体重量，提高了飞行性能和燃油效率。

稳定：与铜、镁、锰和锌结合后，相对较软的铝成为高强度合金，用于制造稳定部件。

防锈：铝合金形成一层氧化层，可防止腐蚀—非常适合经常暴露在环境因素下的飞机。

易于加工：铝合金易于加工和成型。这使得生产复杂形状成为可能。

导电：良好的导热性有助于冷却。

可回收：铝合金可回收性高，从而改善航空业的生态足迹。

价格低廉：目前一吨铝的成本 (到2023年) 将低于2000欧元。

强度堪比钢材，但重量只有其一半：钛合金几乎没有任何其他材料比钛更适合用于飞机制造。它的抗拉强度高达 (1380兆帕，)同时具有极强的耐腐蚀性和耐高温性。但最重要的可能是，钛的重量只有钢的一半左右！这使得钛合金可以作为发动机、结构部件或起落架，因此钛合金是首选材料。

但好东西总是要付出代价的。钛比其他材料贵很多倍。目前一吨钛的价格为 (截至2024年10月，) 一吨钛的成本约为5万欧元。相比之下，一吨钢的成本约为1000欧元，而同等重量的铝的成本约为5000欧元。

挑战不断：超级合金

“超级合金”一词是指适用于极端温度和/或高强度机械负荷的金属材料。超级合金分为三大类：镍基、钴基和铁基。

镍基高温合金在飞机制造中非常重要。这是因为它们具有卓越的耐热性和抗蠕变性，可在高达自身熔点80%左右的温度下使用。

Inconel 718和Waspaloy—飞机制造中的两种重要材料Inconel 718和Waspaloy是高合金镍基合金，具有飞机制造所需的一系列特性。它们具有：

高度耐用性: Inconel 718的抗拉强度在室温下约为1300兆帕；在700°C时仍约为800兆帕。Waspaloy的抗拉强度在室温下为1400兆帕，在700°C时为900兆帕。

耐腐蚀: 两种合金都能耐受各种腐蚀性介质。

极耐高温: 两种材料即使在极端温度下也能保持稳定。Inconel 718可在高达1200°C的温度下使用，Waspaloy可在高达1300°C的温度下使用。Waspaloy的数值略高，但物有所值。因此，这种材料通常比 Inconel 718更贵。这两种超级合金都用于制造飞机发动机的各种部件，如涡轮叶片、涡轮机匣、涡轮盘和叶盘。

第三章：高端塑料是否宣告了金属时代的终结？

CFRP的使用(碳纤维增强塑料) 等材料在飞机制造中早已司空见惯。以空客为例：从A300到A350，垂直尾翼现在主要由超轻碳制成。然而，固定方向舵的支架由钛制成。

然而，超过一半的飞机组件仍然由金属制成。下一代机型也不太可能发生太大变化。为什么？碳纤维增强塑料的优势显而易见：重量轻、强度高、不易腐蚀只是其中的一部分！这是因为这里使用了热塑性塑料和热固性塑料。例如，A350的整个外壳由M21E构成，这是一种基于环氧树脂（硬质塑料）的碳纤维增强塑料。总体而言，这些材料都是根据其特性进行安装的：内窗玻璃由丙烯酸玻璃制成，外窗玻璃由聚碳酸酯制成，墙壁和天花板由可能含有玻璃纤维的塑料制成，驾驶舱门则由凯夫拉制成。

地板或头顶的隔间由蜂窝材料制成，空客机翼的机头由碳纤维增强塑料制成。

但事实上，CFRP不能也不应该取代铝。一方面，CFRP的抗拉强度更高，比铝更轻、更高效。但与此同时，它也更为昂贵，而且加工难度更大。

如果你看一下机身部分的生产(例如波音787“梦想飞机”的机身部分，)就会发现即使在这里，不使用金属也仍然有很长的路要走。尽管飞机外壳采用碳纤维复合材料，但平均厚度只有6毫米。只有框架（就像人体的肋骨）支撑着外壳，并通过众多金属部件连接，才能确保结构所需的稳定性和强度。此外，连接碳纤维复合材料机身部分所需的铆钉数量远远超过金属机身。铝制机身使用的铆钉由铝制成，而梦想飞机使用的铆钉则必须由钛制成。简而言之：重量优势被削弱了！另一个缺点是：制造碳纤维复合材料需要约2500°C的高温。这需要消耗大量能源，因此碳纤维增强材料的使用成本更高。

飞机制造中金属的使用前景无限一段时间以来，新型铝锂合金已成功用于飞机制造。这些合金比以前的复合材料轻得多。铁铝化合物的生产成本相对较低，也有可能取代发动机部件中昂贵的材料。

金属部件在可修复性方面具有无可匹敌的优势：例如，与维修车辆碰撞后车门和舱门周围出现的凹痕和裂纹可以轻松修复。仅凭这一点，许多航空公司就偏爱金属材质的中短途飞机。从长远来看，铝、钛、钢和超合金将继续成为飞机制造中不可或缺的材料。为了取代飞机制造中的其他材料，必须积累更多的长期经验，并且碳纤维增强塑料及其加工成本必须比目前大大降低。

但 昂 贵 的 部 件 除 外 ， 这 些 部 件 的加工率 (在某些情况下，加工率超过90%，)例如飞机舱门的框架。由于成本效益更高，CFRP的生产越来越成熟。从材料到部件，最重要的步骤是加工。每种材料都有特定的挑战。第四章将讨论这些挑战。