一文了解2020年民机结构强度技术发展现状

结构是支撑航空平台实现预期功能和性能的基础，在提高飞机效率、控制研制成本和保障服役寿命等方面均发挥举足轻重的作用。2020年，国外在航空结构强度领域继续开展大量研究，减轻结构重量、探索新型结构形式、提升结构性能成为年度研究焦点。

一、继续挖掘复合材料结构的减重、环保潜力

复合材料凭借其高比强度、高比刚度、耐疲劳、抗腐蚀等优点，在飞机结构设计与制造中得到广泛应用。2020年，复合材料结构在民机设计中继续发挥重要作用，一方面，复合材料结构的使用进一步降低了飞机结构重量，实现轻量化设计；另一方面，热塑性复合材料成为提高民机经济性、环保性的重要选择。

1.罗罗公司“超扇”发动机复合材料风扇叶片可使飞机减重700千克

2020年2月，罗罗公司使用复合材料制造的“超扇”(UltraFan)发动机风扇叶片开始在英国布里斯托尔技术中心投入生产。此叶片直径355厘米(140英寸)，使用几百层预先填充树脂材料的碳纤维加热压制而成，叶片前缘涂有薄层钛金属。罗罗公司表示，“超扇”发动机叶片和风扇罩性能的提高，可使双发飞机的重量降低约700千克。该发动机将于2021年底开始地面测试，2030年前上市，能提供25,000磅(112千牛)到100,000磅(448千牛)的推力。

2.Flight Design选用碳纤维预浸料作为超轻型飞机用材

2020年4月，德国飞行设计公司(Flight Design)选择美国赫式公司的HexPly M79碳纤维预浸料作为其超轻型飞机结构。HexPly M79预浸料采用非热压罐(OOA)低温固化，可在低至70℃的温度下8个小时完成固化或在80℃的温度下4个小时完成固化，从而降低模具成本并提高制造速度。此外，HexPly M79预浸料空隙率低、力学性能优异，制造工艺一致性高，可稳定输出高质量的层压板和结构部件，生产出结构更轻质、强度更高的飞机。

3.“洁净天空2”完成“高速低成本直升机”碳纤维机盖结构制造

2020年10月，空客直升机公司“高速低成本直升机”（RACER）演示验证机的碳纤维机盖结构在德国多诺沃斯完成制造。该设计将吹塑工艺与单片夹层复合材料结构相结合，将单个零件集成为一个组件整体制造，减少了结构重量和组装时间。

4.Victrex与大合公司合作生产热塑性复合材料飞机增厚壁板

2020年10月，英国Victrex公司与法国大合公司合作生产了高达176层的热塑性复合材料飞机壁板，壁板的尺寸为120×60厘米（47×24英寸），厚度为32毫米（1.26英寸），使用基于VICTREXAE 250 UDT（PAEK聚芳醚酮）的热塑性复合材料和自动纤维铺放（AFP）技术，然后进行真空炉或非热压罐（OOA）固化。该热塑性复合材料壁板达到了前所未有的厚度，孔隙率不到1%，结晶度为25%至30%。与金属相比，比强度和比刚度提高5倍，耐疲劳性提高4倍，耐腐蚀性、加工性和隔热性也得到了改善。与热固性复合材料相比，在强度和刚度相当的情况下，PAEK复合材料可完全回收利用，具有更好的耐损伤性和耐化学性。该热塑性复合材料壁板的应用，除了减轻重量、减少燃料消耗和降低运营成本外，还可以提高生产率和环保性。

5.土耳其和波音公司合作生产航空航天热塑性复合材料

2020年11月，土耳其航空航天公司宣布与波音公司建立合作伙伴关系，增强土耳其的热塑性复合材料零件的生产能力。波音公司帮助土耳其航空航天公司建立用于航空航天工业的热塑性材料生产设施，使土耳其能够生产符合全球最高标准的热塑性复合材料。与传统复合材料相比，热塑性复合材料生产周期和工艺成本降低30%。

二、变体结构仍是研究热点

变体飞机通过改变结构外形，适应不同的飞行条件，可提高飞机气动效率、降低油耗和噪声。2020年，变体结构仍旧是航空结构领域的研究热点。

1.美国马里兰大学设计鱼骨仿生结构可变弯度机翼

2020年初，美国马里兰大学设计了仿鱼骨可变弯度机翼结构，利用3D打印方法将机翼骨架、蒙皮内部的蜂窝状子结构、抗撕裂层和蒙皮表面整体打印，并完成了风洞试验。试验中，风速达到每秒24米，原理样机实现了预期的变形，同时结构没有发生颤振，试验证明了该鱼骨仿生可变弯度机翼结构概念的可行性。

图1 仿鱼骨结构变弯度机翼模型从

2.Hermeus公司高超声速飞机将采用可折叠翼尖

2020年3月，美国初创公司Hermeus完成了高超声速飞机涡轮基冲压组合发动机（TBCC）缩比验证机静态和高速（达到了马赫数5）试验。Hermeus公司马赫数5级高超声速民用飞机采用了大后掠三角翼无平尾加双垂尾布局，翼尖部分采用类似XB-70的可折叠变体翼尖设计，该翼尖在起降和低速段呈平直开展或小角度弯折状态，在高马赫数状态下大角度向下弯折，以强化乘波效应，显著增加升力，同时也起到了垂直安定面的作用，增加高速飞行条件下的航向稳定性。

3.荷兰完成了SmartX-Alpha主动变形机翼原理样机的风洞测试。

2020年8月，荷兰代尔夫特理工大学完成了SmartX-Alpha主动变形机翼原理样机的风洞测试。SmartX-Alpha具有可移动的襟翼和压电控制的垂尾，可根据气流变化改变形状，原理样机上安装了大量的传感器和驱动器，试验中机翼后缘完成了分布式弦向和展向无缝变形。研究团队利用数据融合控制算法，对静态和动态翼型进行优化，以获得实时最优的高升力和巡航性能，同时实现主动机动和阵风载荷减缓。SmartX项目于2016年启动，旨在将智能传感和驱动技术集成到可变形机翼中，实现飞机性能提升。

图2 垂直安装于风洞中的SmartX-Alpha原理样机

4.美国陆军和麻省理工学院使用超材料开发可重构结构

2020年11月，美国陆军和麻省理工学院（MIT）使用类似于乐高的离散晶格系统连接具有独特力学性能的材料，开发具有可重构性能的结构。该结构具有强适应性、可重构性和弹性，采用经济高效的注塑成型工艺和网格连接方式来快速组装宏观结构，使用的材料包括刚性材料、柔顺性材料、膨胀性材料和手性材料等类型。

图3 可重构结构

5.瑞士联邦理工学院研究仿生机翼与尾翼

2020年11月，瑞士联邦理工学院通过对北苍鹰等鸟类的研究，发现其具有调整翅膀和尾部形状以满足在茂密的森林中侵略性飞行和开阔地形中快速巡航的特点。这种变形策略可显著提高无人机在不同飞行状态下的敏捷性、机动性、稳定性和飞行速度，研究团队通过无人机的风洞试验、优化研究和室外飞行试验，对该仿生可变形机翼结构进行验证，研究结果为自适应无人机提供一种设计原则。

图 4 仿北苍鹰无人机设计

6.Skyways为美国海军研发自主折叠机翼无人机

2020年12月，因被选入美国海军（USN）“远洋后勤无人机系统（UAS）计划”，位于德克萨斯州奥斯汀的Skyways公司为其Group 3无人机系统开发自主折叠机翼。公司的目标是使Group 3垂直起降（VTOL）无人机系统能够在起飞后和着陆前的阶段实现机翼自动折叠。折叠机翼的作用是提供更好的操控性能并有利于在舰船上存放。

图 5 可折叠机翼无人机

三、持续开展新材料/新结构/新工艺探索研究

2020年，国外在新材料/新结构/新工艺方面继续开展探索研究，扩展材料和结构的功能性，并提升高性能复杂结构的生产效率。

1.MIT开发出可用于电极材料的新型晶体结构

2020年11月，在美国陆军研究办公室的资助下，麻省理工学院（MIT）研究了一种控制金属-有机框架材料（MOFs）晶体生长的方法，该方法解决了MOFs材料在晶格平面和垂直于晶格平面方向结合强度和生长速率不平衡的问题，从而能够制造出更大的晶体片状结构，为材料的性能分析奠定基础。

图 6 可用于电极材料的新型晶体结构

导电MOFs材料的导电性具有很强的方向性，垂直于晶格平面方向，导电性较弱，沿着材料片的平面内，导电性能较强，再加上材料的高孔隙率，使其成为电池、燃料电池或超级电容器的电极材料的强大候选者，也可以用来制造非常灵敏的化学检测器。

2.“洁净天空”计划瞄准电动飞机开发多功能复合材料

2020年4月，欧盟公布了“洁净天空2”计划的“未来民用飞机的结构动力复合材料”（SORCERER）项目最新进展。该项目旨在评估和验证利用复合材料将储能或其他电子系统功能集成到层压结构中，获得多功能复合材料结构，为未来电动和混合动力推进飞机提供储能手段。项目中设计了结构超级电容器和结构电池，并采用离子嵌入的方式提高碳纤维结构的能量传输效率。

图 7 SORCERER项目中开发的结构超级电容器示意图

与传统电池相比，多功能结构电池的能量集中度大大降低，避免了安全问题，同时能够整体降低飞机结构重量，减小对环境的影响。

3.3DCeram公司开发用于制造发动机涡轮叶片的陶瓷材料与熔模铸造工艺

2020年9月，法国3DCeram公司开发了一种生产发动机涡轮叶片的复杂铸造型芯的工艺，该工艺的基础是激光立体光刻（SLA）技术，通过使用计算机控制的UV激光束选择性固化可光聚合的陶瓷悬浮液来制造零件。此外，3DCeram公司开发了基于二氧化硅的SILICORE材料，该材料具有低的热膨胀系数、良好的热稳定性和抗热震性，以及高的浸出性。经与乌克兰Ivchenko设计局合作，验证了该陶瓷3D打印工艺和SILICORE材料可生产用于航空涡轮叶片的铸造型芯。

四、多种试验手段保障结构性能

试验是确保结构具备预期性能的重要手段。2020年，国外针对不同的设计需求，对多种结构开展功能试验、噪声试验、振动试验、耐久性试验和风洞试验。

1.佛罗里达州中部大学开展了小尺寸机翼结构变形功能试验

2020年3月和9月，在美国海军研究办公室(Office of Naval Research)的资助下，佛罗里达州中部大学开展了小尺寸机翼结构变形功能试验。试验表明，非定常加速时沿展向的翼型动态扭转可增强气动升力。

2.形状记忆合金完成降噪试验

2020年3月，NASA弗吉尼亚州兰利研究中心和德克萨斯州A&M大学研制的SMA缝隙填充物在0.9米×1.2米（3英尺×4英尺）风洞中首次完成声学试验。试验结果将有助于设计基于SMA的自展开板条间隙填料，用于降低运输类飞机的气动结构噪声。

3.NASA开展X-57全电动飞机结构地面振动试验

2020年2月，NASA在阿姆斯特朗飞行研究中心开展X-57全电动飞机巡航电机控制器振动试验。在此之前，X-57飞机已进行了一系列结构地面试验，包括飞机机翼和机身，以验证飞行载荷作用下结构部件的完整性。X-57的目标是帮助美国联邦航空管理局(FAA)为新兴的电动飞机市场设定认证标准。NASA将与监管机构以及工业界共享X-57以电推进为重点的设计和适航过程，推进认证方法的制定和完善。

图 8 X-57全电动飞机结构振动试验

4.罗罗公司预计在2021年完成Trent 1000 TEN高压涡轮叶片耐久性试验

2020年7月，罗罗公司宣称，超过99%的机队已收到改进的中压涡轮叶片，截至2020年第二季度末，由于Trent 1000而停飞(AOG)的飞机仅为个位数，Trent 1000发动机的耐久性问题得到了有效解决。此外，罗罗公司还表示，Trent 1000 TEN的高压涡轮叶片的耐久性试验有望在2021年上半年完成。

5.莱昂纳多公司倾转旋翼短舱和进气管道创新设计顺利通过风洞试验

图 9 倾转旋翼短舱和进气管道风洞试验

2020年9月中旬，莱昂纳多（Leonardo）公司TRINIDAT项目最新模型样机在DNW-LLF风洞中完成试验。试验模型包括短舱、模块化进气管、可旋转的微调轮毂和带有可偏转副翼的机翼样段。试验模型安装在试验区地板的转盘上，可在试验中改变迎角，并对飞机侧滑现象进行模拟。

TRINIDAT项目旨在优化下一代民用倾转旋翼（NGCTR）进气道几何形状的空气动力学特性，将缩短未来低于1000千米的短途和中距离旅行时间。TRINIDAT项目还将使用基于计算流体动力学（CFD）的工具改善NGCTR的进气道几何形状，重新设计进气道结构外形，以使其适用于未来变革性飞机构型。