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航空航天的未來范文1
關鍵詞：計算力學；多物理場耦合；先進復合材料；有限元技術（FEM）
中圖分類號：V211 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）12-0252-02
1 力學在航空航天領域的支柱地位
作為與材料科學、能源科學并肩的航空航天領域三大基礎學科之一，力學在航空航天領域擁有無可辯駁的支柱地位。航空航天技術的發展與力學學科的發展有著舉足輕重的關系。同樣，力學學科的發展也推動了航空航天技術的發展。從航空航天的歷史開端，力學便扮演著開天辟地的角色：萊特兄弟發明飛機前的時代，人類的航空器長期停留在熱氣球與飛艇的水平，人們普遍認為任何總密度比空氣重的航空器是無法上天的；而隨著流體力學的發展，越來越多總密度大于空氣的航空器被發明出來進行試驗，而萊特兄弟的飛機即為第一個成功的嘗試，萊特兄弟的L洞也成為一個經典（圖1）。從此，航空器的發展步入了快車道，各種結構的飛機翱翔于藍天，從不到一噸的輕型飛機到上百噸的運輸機，直至今天我們對機已經習以為常。
時至今日，航空航天的總體設計已由龐大的力學各分支支撐起來，從最基本的方面分類，可包括：飛行器整體氣動外形歸屬于空氣動力學；整體支承結構歸屬于結構力學以及材料力學；復合材料歸屬于復合材料力學；材料疲勞性能歸屬于疲勞分析；結構動力特性歸屬于振動力學；缺陷結構分析歸屬于損傷力學以及斷裂力學。而對于具體的問題細分，則還有如：針對超高速飛行器的高超空氣動力學；針對紊流等大氣不穩定情況的非定常空氣動力學；針對流固耦合問題的氣動彈性力學；以及針對非金屬材料的粘彈性力學等。此外，還有眾多與力學相關的技術被發展起來，如有限元技術（FEM）等。
展望未來，力學發展的源動力在于航空航天綜合多學科的交叉與技術。被譽為“工業之花”的航空航天工業，其研發生產涵蓋了目前已知的所有工科門類，如此多的學科交叉下，力學的發展勢必會與其他學科進行技術交流，這會帶來問題的進一步復雜化，同時也豐富了力學的研究內容。
2 航空航天領域力學發展新挑戰
航空航天的發展，給力學帶來了新的挑戰。結構的日趨復雜，給力學計算帶來困難；繁瑣的理論公式，需根據工程需要進行必須的簡化；新材料的應用在航空航天領域最為敏感，在為飛行器降低結構重量的同時，也帶來諸多的不利因素如耐熱性能差、環境敏感度高等；而在某些關鍵部件的多物理場耦合問題也將成為重要的研究方向。
2.1 程序化
航空航天器和大型空間柔性結構的分析規模往往高達數萬個結點、近十萬個自由度的計算量級，這些問題包括但不限于：飛行器的高速碰撞間題，如飛機的鳥撞， 墜撞，包容發動機的葉片與機匣設計，裝甲的設計與分析，載人飛船在著陸或濺落時的撞擊等。為了解決這種計算量龐大的問題，上世紀50年代初，力學便發展出一門嶄新的分支學科――計算力學。伴隨著電子計算機以及有限元技術的發展，計算力學取得輝煌的成績，這也說明了其本身發展潛力巨大。
力學分析技術的發展，特別是對于各種非線性問題（幾何非線性、材料非線性、接觸問題等）分析能力，是長期存在的。然而在很長一段時間內，受到計算機能力的制約，以及模型建立本身的局限性，力學分析求解停留在解析方法和小規模數值算法中。這對于工程人員的設計工作是一個極大的限制，對于航空航天領域而言則尤甚如此。計算力學的發展，帶來的效益是巨大的。首先其可以用計算機數值模擬一些常規的驗證性試驗和小部分研究型試驗，這可以節省很大一筆試驗費用。其次，其可以求解某些逆問題，逆問題的理論解往往無法通過非數值的手段得到。最后，從工程管理角度考慮，數值模擬方法大大節省了產品研發的周期，由此單位時間內產生了更多的經濟收益。有限無技術分析機翼見圖2。
上述計算力學給工程設計方面帶來的種種好處，都基于一個很重要的前提。那就是力學問題程序化。如何將力學問題轉化為一個計算機可以求解的程序，一直是計算力學研究的重點，比如有限元技術就是其中一個典型代表。目前，有限元技術已經涵蓋了大部分力學問題，包括：靜力學求解，動力學求解，各種非線性問題，以及多物理場耦合等。但值得注意的是，除了靜力學以及相對簡單的問題外，其余問題所用的算法目前精度仍然有限，相較于工程運用而言仍存在諸多壁壘。對于這些問題算法的更新，是力學問題程序化必須面對的挑戰，仍需研究人員不斷探索。
2.2 工程化
力學工程化依然是基于計算力學而討論的。所不同的是，程序化是針對一項力學問題能不能解決，工程化關注的問題是如何使得力學問題的解決過程更符合工程需求。
21世紀的航空航天，已經越來越趨向于商業化，美國已有數家私有航天企業成立，我國的航天科技集團也在進行著一些商業衛星發射。而商業化的工程問題，所追求的目標永遠是效益。因此，力學工程化發展也應基于這一要求。航空航天工程的研發工作，一直給人周期長的印象，動輒10年以上的研究周期，對于目前商業化的運營是不適用的。如何快速的給出解決方案，是今后力學工程化的重要考量。隨著軟件技術的發展，越來越多的數值計算可以通過可視化、圖表化等快捷的交互式設計方法呈現出結果，這可以直觀地給予工程師設計反饋，從而達到加快設計進程的目的。同時，直觀的結果反饋，也能避免數據分析過程出現人為失誤，起到規避風險的作用。
2.3 非均質化
新材料往往首先出現在航空航天領域，其中典型代表便是先進復合材料。先進復合材料具有高比強度、高比模量、耐腐蝕、耐疲勞、阻尼減震性好、破損安全性好以及性能可設計等優點。由于上述優點，先進復合材料繼鋁、鋼、鈦之后，迅速發展成四大結構材料之一，其用量成為航空航天結構的先進性標志之一。
復合材料的運用給力學提出了新要求，相比于傳統各向同性的金屬材料，其各向異性的力學特性使得非均質力學應運而生，代表便是復合材料力學的誕生。非均質化力學需要將材料的承力主方向設計為結構中的主承力方向，而非主承力方向則需要保證一定強度，不至于破壞，這是其主要的設計特點。相比各向同性材料，其理論模型更為復雜，相應的數值求解方法也沒有那么完善。同時，實際中復合材料的性能分散性和環境依賴性相當復雜， 設計準則和結構設計值的確定還很保守，導致最終設計結果并沒有理論中那么完美，很大程度上制約了工程領域大規模使用復合材料。對于國內而言，復合材料研究工作相比國外則更為落后，無論是設計經驗還是試驗數據積累都有不小差距。
建立完備的非均質化力學模型，積累足夠的原始參數，大膽嘗試提高復合材料的設計水平以及用量是今后力學非均質化的主要任務，需要研究人員付出更多的努力。
2.4 多物理場耦合
2.4.1 電磁與力學耦合
新時代下的航空航天材料，已不僅僅局限于提供簡單的支承作用，功能化是航空航天器新材料發展的重點和熱點，其最終目的是為了未來航空航天器發展智能化目標。
目前，越來越多的具有電-力耦合功能的新型材料正成為航空航天器結構材料的選擇。因為在對飛行器的自我檢測技術方面，具有電-力耦合功能的材料的受力狀態與電磁性能存在特定的函數關系，由此系統能通過檢測電磁性能達到檢測受力狀態的效果，這大大方便了對飛行器的健康監測，也有效保證了飛行器的安全。這其中耦合函數的準確性便成為關鍵，電-力耦合的發展能促進這些技術的健全，具有十分積極意義。
2.4.2 溫度與力學耦合
溫度場與力場的耦合主要體現在發動機上，對于發動機內部涵道的設計最優化一直是熱力學著力解決的問題。
目前大部分飛機均采用噴氣式發動機，包括：渦噴發動機、渦扇發動機以及渦槳發動機。上世紀40年代末，渦噴發動機出現，飛機飛行速度第一次能超過音速，帶來了一場飛機發動機的技術革命。由此，包括進氣道以及發動機涵道的設計成為發動機研發的一個關鍵點，早期的渦噴發動機，由于涵道上的設計缺陷，導致燃料燃燒產生熱能轉化為推進力的轉化比很低，同時伴隨著燃燒不充分，因此發動機耗油量很高且推力較小。經過幾十年的發展，目前無論軍用還是民用飛機發動機，大部分均采用渦扇發動機，通過優化得到的涵道形狀最大化了單位燃油所提供的推力。圖3為民用客機發動機涵道。
我國的飛機發動機工業水平距離世界領先水平仍有較大距離，特別是在大涵道比的商用發動機研發上。發展熱力學，對熱-力耦合問題進行更深入的研究，是發展我國飛機發動機事業的奠基石。
2.4.3 流固耦合
流固耦合是飛行器研制最基本的問題之一。幾十年的發展歷程中，基于流固耦合研究的飛機外形設計取得了諸多進展，包括整體機身外形的優化，翼梢小翼的出現等。隨著飛機飛行速度的不斷提高，特別是軍用飛機機動性的要求，出現了許許多多新的流固耦合問題。比如針對飛機在大攻角飛行時（一般出現在軍機上），傳統小攻角氣動表示法、穩定理論等均不再適用。因此，解決大攻角非定常問題，需要從飛行器運動以及流動方程同時出發，建立多自由度分析和數值模擬模型。這是典型的流固耦合問題。
同時，以往舊的流固耦合理論，在先進復合材料大量運用的今天，顯然已經不再使用。對舊有理論進行必要的修正，也將成為流固耦合問題亟需完成的工作。
3 結語
當前，國家大力發展航空航天事業，作為高精尖產業，其所運用的理論與技術絕不能落后。力學作為一門古老而又應用廣泛的學科，其對航空航天事業的發展起著舉足輕重的作用。為符合未來航空航天領域發展，航空航天領域的力學應著力向著程序化、工程化、非均質化、以及多物理場耦合化綜合發展。
參考文獻
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航空航天的未來范文2
關鍵詞：先進復合材料；航空航天領域；飛船；衛星；火箭；飛機 文獻標識碼：A
中圖分類號：V257 文章編號：1009-2374（2016）13-0039-04 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2016.13.019
1 概述
現階段，我國航空航天事業得到前所未有的發展，航空航天領域對材料的要求不斷提升，為了滿足航空航天領域對材料性能的要求，應該研發新型、高性能的材料，先進復合材料應運而生，其具有多功能性、經濟效益最大化、結構整體性以及可設計性等眾多特點。將先進復合材料應用在航空航天領域，能夠有效地提高現代航空航天器的性能，減輕其質量。和傳統鋼、鋁材料相比，先進復合材料的應用，能夠減輕航天航空器結構重量的30%左右，在提高航空航天器性能的同時，還能降低制造和發射成本?，F階段，先進復合材料已經成為飛船、衛星、火箭、飛機等現代航空航天器的理想材料，同時，先進復合材料已經和高分子材料、無機非金屬材料及金屬材料并列為四大材料。因此，文章針對先進復合材料在航空航天領域應用的研究具有重要的現實意義。
2 我國先進復合材料發展現狀
自20世紀70年代開始，我國就開始了對復合材料的研究工作，經過40多年的研究與發展，我國先進復合材料的技術水平不斷提高，并且取得了可喜的進步?，F階段，我國先進復合材料在航空航天領域中的應用，逐漸實現了從次承力構件向主承力構件的轉變，被廣泛地推廣和應用在軍機、民機、航空發動機、新型驗證機和無人機、衛星和宇航器、導彈以及火箭等領域，即先進復合材料已經進入到實踐應用階段。但是，我國先進復合材料技術的發展和研究成果與國外發達國家的水平還具有一定的差距，現階段我國先進復合材料的設計理念、制備方法、加工設備、生產工藝以及應用規模等都相對落后。例如，我國軍用戰斗機中復合材料的用量低于國外先進戰斗機的復合材料用量，僅有少數的軍用戰斗機超過20%，例如J-20其復合材料的用量約為27%。我國成功研制的C9型民用飛機，單架飛機的先進復合材料的用量超過16噸，標志著我國先進復合材料在航空航天領域的應用水平在不斷提高。
3 先進復合材料簡介
3.1 先進復合材料的組成
復合材料是由金屬、無機非金屬、有機高分子等若干種材料采用復合工藝組成的新興材料，先進復合材料不僅能夠保留原有組成材料的特點，還能夠對各種組成材料的優良性能進行綜合，各種材料性能的相互補充和關聯，能夠賦予新興復合材料無法比擬的優越性能。先進復合材料簡稱ACM，指的是碳纖維等高性能增強相增強的復合材料。先進復合材料的多種性能都優于普通鋼、鋁金屬材料，在航空航天領域的應用，能夠有效地減輕航空航天設備的重量，同時賦予航空航天設備特殊的性能，例如吸波、防熱等。
3.2 先進復合材料的特性
先進復合材料的特性主要表現為：
3.2.1 多功能性。先進復合材料經過多年的發展，結合了眾多優異的物理性能、力學性能、生物性能以及化學性能，例如防熱性能、阻燃性能、屏蔽性能、吸波性能、半導性能、超導性能等，并且不同的先進復合材料的組成不同，其功能性存在一定的差別，綜合性、多功能性復合材料已經成為先進復合材料發展的必然趨勢之一。
3.2.2 經濟效益最大化。先進復合材料在航空航天領域的應用，能夠減少產品部件數量。由于復雜部件的連接不需要進行鉚接、焊接，因此對連接部件的需求量降低，有效地減少了裝配材料成本、裝配和連接時間，進一步降低了成本。
3.2.3 結構整體性。先進復合材料可以加工成整體部件，即采用先進復合材料部件能夠替代若干金屬部件。某些特殊輪廓和表面復雜的部件，用金屬制造的可行性較低，采用先進復合材料能夠很好地滿足實際需求。
3.2.4 可設計性。采用樹脂、纖維、復合結構方式，能夠獲得不同形狀、不同性能的復合材料，例如選擇合適的材料、鋪層程序，能夠加工出膨脹系數為零的復合材料，并且復合材料的尺寸穩定性優于傳統金屬材料。
4 先進復合材料在航空領域的應用
傳統的飛機制造以鋼、鋁、鈦合金為主要材料，而傳統飛機上應用比例最大、構成輕質結構主體的鋁合金正在被越來越流行的復合材料所替代。我們所指的復合材料主要是以高性能纖維作為增強體，用樹脂作為基體將纖維粘結在內部并固化成型的高性能塑料。隨著復合材料的迅速發展和廣泛應用，當前先進的復合材料在飛機上的關鍵應用部位和用量的多少，已成為衡量飛機結構先進性的重要指標之一。由于碳纖維材料具有耐高溫、密度低、強度大等特點，目前在航空航天領域運用最為廣泛。與密度達到2.8g/cm3左右的鋁合金相比，先進的碳纖維復合材料密度一般在1.45～1.6g/cm3左右；而拉伸強度可以達到1.5GMPa以上，超過鋁合金部件的3倍，接近超高強度合金鋼制部件的水平。這種密度低、強度剛度高的優勢，使飛機的復合材料結構部件在獲得與先進鋁合金部件在強度剛度等綜合性能方面相當的水平時，重量可以大幅減少20%～30%。復合材料在飛機結構中的應用情況大致可以分為三個階段：第一階段是應用于受載不大的簡單零部件，可減重20%；第二階段是應用于承力大的部件，可減重25%～30%；第三階段是應用于復雜受力部位，如中機身段、中央翼盒等，可減重30%。復合材料主要用于制造航空器的外飾和內飾部件，如飛機的一次構造材料：主翼、尾翼、機體，二次構造材料，副翼、方向舵、升降舵、內裝材料、地板材、桁梁、剎車片等及直升飛機的葉片。根據統計，小型商務機和直升飛機的碳纖維復合材料用量已占55%左右，軍用飛機占25%左右，大型客機占20%左右。
4.1 軍機上的應用
為滿足新一代戰斗機對高機動性、超音速巡航及隱身的需求，20世紀90年代后，西方戰斗機全部大量采用復合材料結構。先進的復合材料也大大增加了軍用運輸機的有效載重，增大了軍用飛機的載油量，克服常規材料在高超聲速飛行器研制中存在的瓶頸問題。因此，先進復合材料被廣泛地應用在軍機上，例如，碳纖維增強樹脂基復合材料，在軍機主結構、次結構以及特殊部位等方面的應用，有效地提高了軍機的耐腐蝕性、抗疲勞性，同時還具有明顯的減重效果；再如，F22由于存在超聲速巡航需求，飛機外表面會長時間與空氣高速劇烈摩擦，因此在機翼復合材料上放棄了環氧基樹脂，而使用雙馬來酰亞胺樹脂基體以獲得260℃的最大工作溫度。
4.2 民機上的應用
民機和軍用飛機不同，民用飛機作為以載客飛行和運營為目的的交通工具，對安全可靠性和經濟性要求更加嚴格。復合材料在飛機上大量應用的時間還比較短，在對材料工藝穩定性和有關試驗數據尚不十分充分的情況下，應用較多含量的復合材料需要大量時間和實踐的積累。民航上的復合材料應用受限，使用分為兩類：結構件用復合材料、艙內材料。
以波音787為例，每架飛機的結構比例中有50%是重約35噸的復合材料，這意味著它從材料密度上就減輕了15噸左右的重量。而空客也不甘示弱，新的A350客機改名為A-350 XWB，XWB意為超寬機身，復合材料的比例達到了52%，是現在所有大型商用飛機中最高的。A-350XWB的機體比B-787還寬13cm。作為世界上僅有的兩個大型商用飛機研制巨頭，波音、空客先后推出復合材料占結構比例50%的主力型號，這意味著大型客機結構設計以復合材料為主要材料的時代已經拉開序幕。波音787等新一代復合材料飛機上實現的性能提升，并不僅僅是依靠低密度材料減重得來。實際上復合材料在工藝、結構力學設計上，都有著傳統金屬材料所完全無法比擬的優勢，比如復合材料可以做出超大尺寸的整體結構部件，而且尺寸大小不會隨著溫度高低而產生變化。
國產大飛機在復合材料的應用上還比較保守，公開的報道顯示，復合材料的使用量約占C919飛機結構重量的20%。飛機上使用的復合材料主要是碳纖維增強樹脂基復合材料，它們具有高耐腐蝕、質量輕等特點，在這些性能上的確要超過一般的金屬材料。通常復合材料的價格大約是常規鋁合金材料的幾十倍，即便是我們看起來已經很金貴的鋁鋰合金材料，其價格也比復合材料低得多，所以C919僅為波音737價格的1/2左右。
4.3 航空發動機上的應用
對于航空領域，特別是發動機的結構設計制造而言，高性能系統所需的輕質和耐高溫等特性越來越重要。航空發動機產業是指渦扇/渦噴發動機、渦軸/渦槳發動機和傳統傳動系統以及航空活塞發動機的集研發、生產、維修保障服務于一體化產業集群。新的材料和工藝不斷研發以應對新一代航空發動機的發展趨勢，尤其是先進復合材料的應用，GE-AEBG公司、惠普公司在制造飛機發動機零部件時都采用了先進復合材料，主要包括風扇出風道導流片、風扇罩、推力反向器等部位。先進復合材料在航空發動機上的應用具體表現在以下兩個方面：
4.3.1 陶瓷基復合材料的應用。陶瓷基復合材料是將碳化硅陶瓷纖維與碳化硅基底材料復合后，再涂覆一層專用涂層提升其性能，密度僅為金屬材料的三分之一。由于陶瓷基復合材料具有的耐高溫屬性，因此在發動機流道中使用空氣代替，在發動機高溫區只需要較少甚至不需要冷卻氣體，渦輪扇發動機大幅減重，意味著發動機運轉效率更高，提高了發動機的性能、耐久性、燃油經濟性和高推重比。F-35戰斗機使用的F135發動機是有史以來戰斗機上安裝過的推力最大的噴氣式發動機，F135使用了陶瓷基復合材料（CMC），主要用在F135-PW-600噴管的外側部分。
以GE航空集團為例，陶瓷基復合材料在GE航空集團的技術路線圖上是一條關鍵路徑。通用電氣航空集團將于2016年新建兩個復合材料制造廠，用于碳化硅和陶瓷基復合材料的批量制造，這兩種復合材料都是制造噴氣式發動機零部件的必備材料。GE公司是所有廠商中第一個決定使用CMC制造旋轉葉片的，通過把陶瓷基復合材料葉片安裝在發動機上試車，它們已經證明了旋轉CMC葉片的性能，這是一個重要的里程碑。
4.3.2 樹脂基復合材料的應用。樹脂基復合材料具有降噪能力強、耐腐蝕性強、耐疲勞能力好、比模量高、強度高等眾多優點。通過將樹脂基復合材料應用在航空發動機的冷端結構、反推力裝置以及發動機短艙等結構上，不僅能夠降低發動機的重量，還能夠提高發動機的耐腐蝕性、抗疲勞性以及強度等。例如，JTAGG驗證機的進氣機匣利用PMR15樹脂基復合材料，該種先進復合材料的應用比傳統鋁合金進氣機匣的重量降低了25%。
4.4 新型驗證機及無人機上的應用
現代戰爭理念的改變，使無人機倍受青睞，無人戰斗機是未來航空武器的一個重點發展方向。無人機除在情報、監視、偵察等信息化作戰中的特殊作用外，還能在突防、核戰、化學和生物武器戰爭中發揮有人軍機無法替代的作用。無人機的發展方向是飛行更高、更遠、更長，隱身性能更好，制造更加簡便快捷，成本更低等，其中關鍵技術之一就是大量采用復合材料，超輕超大復合材料結構技術是提高其續航能力、生存能力、可靠性和有效載荷能力的關鍵。和傳統的鋁合金混合結構相比，以復合材料為結構的無人機，例如“全球鷹”“捕食者”等無人機都采用先進復合材料。以“全球鷹”為例，該種無人機的機翼、尾翼都采用石墨/環氧復合材料，采用該種復合材料制造的無人機，和傳統鋁合金混合結構的重量相比降低了65%。再如，諾斯羅普?格魯門公司研發的X-47無人戰斗機，為了滿足生存力、機動性、隱身性能等特殊要求，該無人機除了接頭部位采用了少量的鋁合金外，幾乎整個機體都采用先進復合材料。依靠復合材料，設計師還可以做出傳統金屬材料所無法達成的氣動力學設計，比如超聲速飛行的前掠翼飛機。
5 先進復合材料在航天領域的應用
5.1 衛星和宇航器結構材料
衛星結構的質量會影響對運載火箭的要求以及衛星功能，衛星結構的輕型化設計已經成為衛星結構發展的趨勢之一。國際通訊衛星中心的推力桶采用先進復合材料，該種推力桶質量比傳統鋁結構的質量降低了30%左右，降低的重量可以增加460條電話線路，同時還能夠有效地降低衛星的發射費用。歐美國家衛星結構的質量為總質量的1/10，其原因就是大量的應用了先進復合材料?，F階段，我國神州系列飛船、風云二號氣象衛星等都采用碳纖維/環氧復合材料，有效地降低了總體重量，同時發射成本也顯著降低。
5.2 導彈用結構材料
現階段，美國已經將先進復合材料作為導彈彈頭結構殼體、級間段、儀器艙等部件的主要材料，洛克希德導彈與宇航公司指出，采用碳纖維/環氧復合材料制造的導彈比傳統鋁結構導彈的重量減輕40%?，F階段，采用先進復合材料的導彈發射筒也被國外發達國家應用在戰術、戰略型號上，例如，俄羅斯的“白楊M”導彈、美國的“MX”導彈都采用復合材料發射筒。因為先進復合材料導彈發射筒和傳統金屬結構相比，其結構質量顯著降低，能有效地提高戰略、戰術導彈的靈活性。在戰術導彈領域，先進復合材料結構的導彈發射筒更加靈活、應用范圍更加廣泛?，F階段，我國也研發了先進復合材料結構的戰略導彈和導彈發射筒，還研發了先進復合材料儀器艙，有效地提高了戰略導彈的靈活性和機動性，應用效果良好。
5.3 運載火箭結構材料
國外發達國家于20世紀50年代開始應用纖維纏繞成型的玻璃鋼殼體代替傳統的鋼殼，例如，美國的“北極星A-3”潛地導彈，采用纖維纏繞成型的玻璃鋼殼體，其重量比采用傳統鋼殼的“A-1”輕了55%左右，隨后研發的“MX”“三叉戟1”的三級發動機殼體，全部都采用芳綸/環氧復合材料，該種結構形式的殼體質量比纖維纏繞成型玻璃體殼體的重量減輕了50%左右。隨著先進復合材料的發展，其在運載火箭發動機殼體中的應用優勢越來越明顯，并且先進復合材料被應用在三叉戟Ⅱ、德爾塔Ⅱ-7925運載火箭等型號中?，F階段，我國運載火箭發動機殼體制造業逐漸的開始應用先進復合材料，雖然起步較晚，但是經過40多年的發展獲得了巨大的進步，經過多年的研發，已經成功地將芳綸/環氧復合材料、玻璃纖維/環氧復合材料應用在運載火箭發動機殼體中。先進復合材料在運載火箭結構設計中的應用，有效地降低了運載火箭發動機的重量，同時提高了運載火箭發動機的性能。
6 復合材料在航空航天領域的發展前景
先進復合材料的應用已經成為評價航空航天器水平的重要標準，同時也是提高航空航天器結構先進性的重要物質基礎和先導技術。由于我國先進復合材料的應用水平和國外發達國家還存在一定的差距，但是我國已經進行大量投入來強化先進復合材料方面的研究，其發展前景良好。未來先進復合材料的發展主要表現在以下四個方面：
6.1 智能化
智能型先進復合材料和結構的研究，能夠創造巨大的經濟效益和社會效益，智能型先進復合材料在航空航天器外表的應用：在未來航空器表面增加各種傳感器，能夠對周圍環境進行實時、全面、智能的檢測，同時為通訊系統、電子戰以及雷達系統提供瞬時模態，以此保證航空器能夠安全、穩定地飛行。
6.2 多功能化
在減小航空航天器體積的基礎上，為了提高航空航天器的突防能力，許多結構部件需要具備多種功能，多功能先進復合材料的應用能夠賦予航空航天器新的功能，現階段，多功能先進復合材料的研究已經從雙功能型向三功能型方向轉變。
6.3 質量輕、性能高
目前，我國先進復合材料能夠減輕航空航天器的質量占總重的20%左右，和國外25%以上的減重效率還存在一定的差距。導致該種現狀的原因是我國先進復合材料的整體性能較低，并且結構的整體性相對較差。因此，在未來的發展過程中，應該加強對復合材料強度、韌性以及整體性等方面的研究，研發整體性好、強度高和韌性高的先進復合材料，同時使復合材料的減重率超過25%。
6.4 低成本
成本較高是限制先進復合材料在航空航天領域應用和發展的主要原因之一，為了解決該問題，應該對先進復合材料的制造工藝進行研究，采用科學的制造工藝進行先進復合材料結構、尺寸以及形狀的加工和制造，同時采用先進的質量控制技術、自動化技術、機械化技術等，提高先進復合材料的生產效率，提高其成品率，以此降低先進復合材料的成本。
7 結語
綜上所述，經過40多年的發展，我國先進復合材料工業逐漸形成了一個完整的體系，并且部分先進復合材料已經成功地應用在航空航天器生產實踐中，獲得了良好的效果。但是，從整體上來說我國先進復合材料技術水平和發達國家還存在一定的差距。因此，我國先進復合材料研究、研發人員和生產企業應該加快先進復合材料結構、制造技術、生產工藝等方面的研究，同時借鑒國外的先進技術和經驗，解決我國先進復合材料在航空航天領域應用的各種難題，以此提高我國航空航天器的各種性能，進一步促進我國航空航天領域的全面、高速發展。
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航空航天的未來范文3
進入火星大氣層的“好奇”號飛行器，時速達到2.1萬千米。展開巨大減速傘后，飛行器墜落時速降到320千米。接著再利用制動火箭，以每小時3.2千米的速度下降。最后以纜繩從飛行器上垂降放下龐大的探測車。當探測車順利著陸后，飛行器隨即飛離。從進入大氣層到著陸，整個降落過程被工程團隊稱為“驚魂7分鐘”。
在空中垂降探測車的想法聽起來很瘋狂，不過這是“輕放”如此龐大的探測車的最佳方式?！?001火星奧德賽”號衛星和火星勘測軌道飛行器構成的美國航空航天局太空通訊網會監控整個登陸過程。這樣的登陸任務很難不令人緊張，而緊張可能需要借由花生來消除。美國航空航天局的任務指揮中心有一項傳統，會在登陸前打開一包花生，然后傳遍指揮中心。這一“幸運豆”的傳統可以追溯到1964年的“徘徊者7”號月球近距離拍攝任務?；鹦侨蝿盏目偙O阿瑟，阿曼達表示：“我們有很多花生，通常任務總監會假定花生不會被消耗完?！?/p>
航行8個月半，2.5億千米的旅程，這位“大男孩”平安到達目的地后，得向地球上焦急的美國航空航天局任務指揮中心報平安。不過，這通長途電話卻不簡單。
地球和火星的距離為2.5億千米，即使以接近光速的無線電波，在兩星球間傳遞信息也需要13分鐘。這意味著“好奇”號發生狀況13分鐘后，位于地球的指揮中心才會接到消息，再花13分鐘才能將指令送達火星上的“好奇”號。對于在地球上收聽實時廣播的我們來說，非常難想象這有多困擾。因此，“好奇”號具備一定的自動反應能力，能實時應付在火星上遇到的狀況。
另一個大問題是，火星和地球都會自轉，要是“好奇”號在火星上的位置背對地球，便無法順利將電波信號直線傳送到地球。對此，兩部先前由美國航空航天局發射，環繞在火星軌道上“2001火星奧德賽”號衛星和火星勘測軌道飛行器就派上用場了。
航空航天的未來范文4
美國自以為豪的航天飛機為什么要退役呢?在制定航天飛機計劃時，人們贊揚它是一種集火箭、衛星和飛船技術優點于一身的、最經濟實惠的新型航天器；同時也一致認為它是一種“巧奪天工”的航天技術大飛躍。但是，經過27年的飛行實踐證明，盡管它在載人航天的發展中起到不可磨滅的作用，可也不是一種理想的天地往返運輸工具，尤其是“挑戰者”號和“哥倫比亞號”的爆炸，5架航天飛機只剩下了3架后，人們普遍認為航天飛機在很多方面都沒有達到原定的設計要求，特別是沒有能大幅度降低載人航天的費用，而且它的致命弱點是技術復雜、機上結構件和設備老舊、安全可靠性很低，使美國人對航天飛機完全喪失了信心。所以，美國航空航天局早就有淘汰航天飛機、發展新一代乘員航天器的想法。
那么，接替航天飛機任務的將是誰呢?誰來完成今后空間站的運送任務和月球、火星的探險任務呢?對于采用什么類型的乘員航天器，美國航空航天局也有一個認識的過程，經歷了三個階段。第一階段是在1986年“挑戰者”號航天飛機爆炸事故發生后數周，美國總統里根提出了發展空天飛機作為航天飛機的替換品。空天飛機是一種能夠以普通飛機的方式起飛，既能在30千米～100千米高的大氣層中飛行，執行航空任務，也能直接進入低地球軌道，完成航天任務的飛行器。由于空天飛機的技術難度大，所需投資多，研制周期長，美國航空航天局沒有成功的把握，因此于1994年取消了這項計劃。第二階段是起始于1996年6月，美國航空航天局提出了發展x－33航天器的計劃。這種航天器與航天飛機很相似，只是它靠自身發動機和內置燃料，無需外掛燃料箱就能進入軌道，其優點是不僅能節省大量人力物力，同時還能節省約90％的發射費用和縮短兩次任務之間的準備時間。但此計劃也因技術困難和經費超支，在經過5年的研究、耗資12.6億美元后，于2001年中止了此計劃。第三個階段是在“哥倫比亞”號航天飛機發生事故后，美國航空航天局又宣布了發展軌道載人航天器的計劃，這個軌道航天器比現在的航天飛機小巧，僅能乘坐4名航天員，優點是其準備升空的時間較短。主要執行兩項任務：一是運送航天員到國際空間站，=是充當備用救生船，以便空間站發生緊急情況時航天員逃生使用。2003年，當軌道載人航天器正在緊張研制之際，對于新一代載人航天器是采用太空艙式結構還是采用帶機翼的飛機式結構發生了爭論。經過對兩種結構的比較，人們普遍認為俄羅斯的“聯盟”號飛船是目前世界上最安全的飛船，飛行36年僅發生過兩起重大事故，因此很多人轉向建造太空艙式載人航天器的一面，最終的結果是決定采用飛船式的結構。為了重返月球，一些人提出采用類似于阿波羅飛船的結構，其優點是阿波羅飛船結構不僅簡單和安全，生產和使用的成本都比較低。而且，阿波羅飛船經過登月的實踐考驗，是一種比較成熟的技術，采用這種技術可以大大縮短開發研制的周期和經費。最后，在2006年8月31日，美國航空航天局正式宣布選用洛克希德一馬丁公司提出的新一代載人航天器“奧賴恩”，這個圓錐狀的飛行器將承擔美國航天員未來重返月球乃至登陸火星的飛行任務，此舉標志著美國新一階段載人航天計劃正式啟動。
新一代載人航天器“奧賴恩”是一個混血兒，它采用了“水星”飛船的火箭發射和返回方式、“阿波羅”號飛船的外形、航天飛機可重復使用的技術。它在繼承了其前輩優點的情況下，融入了計算機、電子、生命支持、推進系統及熱防護系統等領域諸多的最新技術，在性能、可靠性和軌道工作能力等方面明顯技高一籌。與它的前輩比，它有以下幾個突出的優點：
1 更可靠、安全
與現在的航天飛機相比，“奧賴恩”的安全性能大大提高。首先，在發射時，“奧賴恩”是將乘員艙安置在航天器的頂部，遠離了容易出現問題的推力引擎和燃料箱，這樣航天員就不用擔心發射過程中泡沫絕緣體或是其他脫落碎片撞擊航天器而引起航天器的爆炸了。第二，在這種新型的航天器里有一個“發射中斷系統”，如果航天器在發射過程中發生爆炸或者故障，地面指揮中心的一套計算機系統將能夠自動發射一枚火箭撞擊航天器，使乘載著航天員的太空艙彈離航天器。接著，這個太空艙會垂直降落，一段時間后艙上的降落傘將自動打開，使太空艙濺落在海面上或者降落在陸地上，從而大大增強航天員生存的機會。第三，它的外形為圓錐狀，這種形狀被認為是航天器重返地球大氣層時最為安全可靠的外形設計。美國航空航天局認為，采用這些措施后，“奧賴恩”的安全系數將是現在航天飛機的10倍。航天飛機的失敗幾率是1:200，而“奧賴恩”是1:2000。
2、性能更強
“奧賴恩”的外表看上去與當年登月的“阿波羅”號飛船很相似，故有人說它是2.0版的“阿波羅”飛船。但是，它們之間是有很大差別的，“奧賴恩”只是選擇性地吸取了阿波羅計劃中可取的部分，而在很多方面進行了技術改進，表現在：1)“奧賴恩”號有5米寬，重量達到25噸，最多可容納6名航天員，而“阿波羅”飛船則遠比它小，一次只能搭乘3名航天員；2)“奧賴恩”配備了太陽能電池板，這將大大減少飛行器對燃料電池和普通電池的需求；3)“奧賴恩”使用了降落傘和氣囊相結合的降落設計，使載人艙在落地后還可重復使用，另外也節省了在海上降落的昂貴搜救成本，“阿波羅”飛船只能濺落在海上；4)“奧賴恩”由高科技合成材料制成，重量降低，運載量更大，生存和生活環境更優越；5)“奧賴恩”攜帶的燃料比“阿波羅”多，這樣航天員可以到月球表面的任何地方，而“阿波羅”僅攜帶了可在月球赤道著陸的燃料；6)“奧賴恩”上的計算機功能強勁，其內裝的自動駕駛儀可保障飛行器自動繞月運行，所有4名航天員均能降落到月球表面；7)“阿波羅”飛船只能使用一次，但“奧賴恩”按照設計方案可重復使用10次，這樣大大降低了每次發射的成本。
3、可承擔多種探險任務
航空航天的未來范文5
關鍵詞：復合材料；制造裝備；應用；發展趨勢
復合材料是由兩種或兩種以上不同性質的材料，通過物理或化學的方法，在宏觀上組成具有新性能的材料。先進復合材料自問世以來，由于其輕質、高強、耐疲勞、耐
腐蝕等諸多優勢，在航空、航天、造船、汽車和風電等工業領域得到高度重視，而且這種趨勢仍在繼續。如圖1所示。先進復合材料應用機結構中可減重20%～30%，因此復合材料在軍民用飛機上的用量逐年增加，大型飛機尤為突出（A380用
60.5噸、占25%，787用25噸、占50%）。且其裝機應用水平已成為現代航空裝備先進性的標志。
圖1 國外飛機的復合材料用量年譜
先進復合材料最近10年在航空航天、汽車、船舶、風電上井噴式的應用，已經證明了先進復合材料在未來航空航天、汽車、船舶、風電等領域的重要地位。先進復合材料制造裝備顯的尤為重要，自動化制造、檢測裝備可增加復合材料用量、提高制造技術水平、保證產品質量和降低成本的關鍵，是武器裝備用復合材料構件快速研制與大批量穩定生產、實現敏捷制造的必由之路。
一、復合材料制造工藝及主要設備
先進復合材料裝備是重要的基礎制造裝備之一，其水平從一個方面反映了國家制造裝備的整體水平。目前，復合材料裝備制造技術已發展成為集材料、冶金、結構、力學、電子等多學科為一體的先進技術。
復合材料制造裝備工藝及檢測方法主要有：手動鋪層、預浸料和預制體成型、纖維纏繞成型、自動鋪帶（ATL）、自動絲束鋪放、熱壓罐固化成型、三維縫合成型、復合材料液體成型、隔膜成型、復合材料制件加工及裝配、復合材料自動化無損檢測等。
與復合材料制造裝備工藝及檢測方法相對應的制造裝備主要有：預浸料制造裝備、預浸料自動裁剪設備、預制體成型裝備（如圖2所示）、纖維纏繞成型設備、自動鋪帶、自動鋪絲機（如圖3所示）、熱壓罐成型裝備、三維縫合成型裝備（如圖4所示）、復合材料液體成型裝備、隔膜成型裝備、機器人制孔系統、自動鉆鉚設備、超高壓水切割設備、超聲C掃描檢測系統等。
圖2 國外預制體成型裝備
圖3 Viper6000大型ATP機，代表了當今自動絲束鋪放最高水平
圖4 美國研制三維縫合成型裝備
二、復合材料制造檢測裝備的應用
復合材料制造檢測裝備在航空航天、汽車、船舶及風電等領域的應用之處如下：
（一）預浸料制造裝備、預浸料自動裁剪設備、纖維纏繞成型設備、自動鋪帶機、自動鋪絲機。適用于各種復雜零部件的成型制造，例如航空航天器中采用復合材料的垂尾、腹鰭、空中受油飛機的S型受油管；直升機機身結構件（尤其是大開口構件）、縱列式重型直升機協調軸；輕型飛機機身；S型進氣道、發動機機匣；大開口衛星承力筒、構架式衛星構架節點接頭、大型運載火箭殼體、帶裙固體火箭發動機以及民用氧氣瓶、壓力容器等復雜型面零件。汽車結構件、功能件、覆蓋件的成型制造。船用螺旋槳、船體部件的成型制造。風電領域大葉片的成型制造。
（二）熱壓罐成型裝備。熱壓罐可用于金屬/非金屬膠接構件和樹脂基高強度玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維等復合材料制品。如飛機艙門、整流罩、機載雷達罩，支架、機翼、尾翼等，汽車結構件、功能件、覆蓋件；船用螺旋槳、風電領域大葉片等。
（三）三維縫合成型裝備。適用于各種復雜零部件的預成型制造，例如航空航天器中采用復合材料的垂尾、腹鰭、空中受油飛機的S型受油管；直升機機身結構件（尤其是大開口構件）、縱列式重型直升機協調軸；輕型飛機機身；S型進氣道、發動機機匣；大開口衛星承力筒、構架式衛星構架節點接頭、大型運載火箭殼體、帶裙固體火箭發動機以及民用氧氣瓶、壓力容器等復雜型面零件。汽車結構件、功能件、覆蓋件的預成型制造。船用螺旋槳、船體部件的預成型制造。風電領域大葉片的預成型制造。
（四）機器人制孔系統、自動鉆鉚設備?？捎脵C的機翼、機身、艙口、尾翼及機身的加工及連接。
（五）超高壓水切割設備?？捎脵C制造中的復合材料壁板切割的切割。
（六）超聲C掃描檢測系統。航空航天、汽車、船舶和風電領域中采用復合材料制作的構件（尤其是大型復雜曲面）進行檢測。
三、國內外發展現狀
目前，在國外，復合材料制造、檢測裝備已經達到實用階段，如美國辛辛那提機床公司Viper6000大型ATP機，代表了當今自動絲束鋪放最高水平。德國凱爾曼特種機械制造有限公司是世界上唯一生產復材縫合設備的制造公司，擁有多項專利技術，也是目前世界航空航天工業領域復材縫合加工設備市場占有率高達95%以上的企業。世界各大航空企業都是凱爾曼的客戶，從歐洲的空中客車公司，歐洲直升機公司，美國的波音飛機公司到中國的哈爾濱飛機制造集團，北京的航空制造工程研究所都是他們的客戶，都應用凱爾曼的設備生產最先進的復材輕型節能飛機。意大利特魯茲公司的熱壓罐已經被用于歐洲阿麗亞娜火箭和空客A380，A320，A316和A400M軍用運輸機的復合材料部件制造，迄今特魯茲已為用戶提供600多套熱壓罐，并已進軍中國。
目前，國內復合材料低成本產業起步較晚，技術水平較低，特別是高端的航空航天產品的低成本制造，目前僅停留在實驗階段，這也從一個側面反映出我國復合材料產業的總體現狀和水平。雖然復合材料加工的中小型民營企業數量巨大，但都普遍存在諸如生產工藝落后，產品多為來樣加工，缺乏自主設計能力，無嚴格的質量檢驗體系，生產過程對空氣污染嚴重，生產環境惡劣，工人缺乏必要的防護服等著一系列的問題。國內主機場、航空發動機廠商使用復合材料制造、檢測裝備全部靠國外進口，成本相當昂貴。
四、前景分析
在航空航天和國防工業領域中，航空材料專家曹春曉院士指出：50%復合材料是新型飛機復合材料用量的起點，飛機用材料正由鋁合金時代進入復合材料時代。中國商用飛機有限責任公司專家咨詢組2008年9月10日的咨詢報告指出：“復合材料應用是當代大型民機的一項關鍵技術，大量使用復合材料是減輕結構重量、提高結構效率，提高民用飛機的經濟性、舒適性，體現先進性的重要舉措?！蔽覈笮涂蜋CC919基本型的復合材料設計用量2014年為15%、2016年達到23%，接近A380復合材料用量25%的水平。
在汽車領域中，隨著汽車復合材料應用水平的不斷提高，復合材料單車用量將逐漸增加。2010年我國汽車工業所需塑料、復合材料總量約為72.2萬噸，2015年將達到150-180萬噸。隨著成形技術與裝備的不斷發展，復合材料汽車零部件在汽車領域的應用將日益擴大。
在船舶領域中，到目前為止，大中型船艇的船體和上層建筑等多采用玻璃鋼制造，而高性能船舶，如軍艦等也開始逐漸采用先進復合材料進行生產和制造。船舶上使用復合材料的比例逐漸升高，制造的復合材料船舶也越來越大，并且力學性能要求比較高的螺旋槳也開始采用復合材料制造，復合材料在船舶與海洋行業的發展趨勢正在不斷的加速。
在風電領域中，隨著風機容量增加，葉片長度不斷增大，同時對葉片的制造技術及葉片的材料會提出新的更高要求，比如，隨著葉片長度的增加，高性能碳纖維的用量會越來越多。風電行業上的應用，風機正在向著大型化發展，相應地對葉片材料也提出了更高的要求，復合材料高比強度、高比剛度特性滿足了風機葉片對強度和剛度的要求。風機的用材也正由玻璃鋼向碳纖維復合材料或混合復合材料轉變，風電行業的快速發展，對復合材料的需求也會越來越大。
五、結束語
先進復合材料在航空航天、汽車、船舶、風電上井噴式的應用，已經證明了先進復合材料在未來航空航天、汽車、船舶、風電等領域的重要地位。先進復合材料制造裝備可保證材料的用量、制造技術水平、產品質量和降低成本，先進復合材料制造裝備的重要性不可忽視。
目前，復合材料制造裝備，在國外，已經達到實用階段；在國內僅停留在實驗階段。國內幾乎所有的復合材料制造裝備全部為進口。所以緊跟國際最新發展趨勢，成為達到國內領先、國際一流技術水平的復合材料制造裝備，最大限度的推動航空、航天、汽車、船舶、風電等制造業發展，提升國家綜合實力。
航空航天的未來范文6
并購背后
在2011年用戶大會上，LMS公司宣布LMS的中國市場發展迅速，新增業務已經占到全球的18％，2012年LMS中國的目標是達到25％。
從LMS近年來的發展來看，這個目標絕非口號。
2007年，LMS并購法國Imagine公司，使其從早期的試驗和NVH(振動噪聲)仿真領域，拓展到三維仿真，再到一維仿真：2010年，并購美國Emmeskay公司，實現了“基于模型系統工程的仿真”，幫助企業實現復雜產品的機械系統和控制系統；2011年8月，LMS成功收購比利時SAMTEOH公司，進一步深化LMS公司在航空航天領域的仿真技術優勢。
SAMTECH是歐洲領先的CAE解決方案開發商，其軟件被公認為線性和非線性力學仿真領域中的標桿，并擁有優秀的復合材料仿真分析解決方案：在過去的二十幾年中，SAMTECH在航空航天和風力發電領域的成績斐然，從技術產品的角度來看，SAMTECH公司的仿真技術與LMS公司的仿真技術有著極大的互補。SAMTECH公司過去約80％的業務主要集中在歐洲，并購后，通過LMS的全球銷售力量，能夠幫助SAMTECH將原有的在歐洲開發出來的成熟解決方案迅速推廣到全球。可以看到，通過五年來的三次并購，LMS公司的產品覆蓋領域逐漸加大；在銷售方面加強在不同地區的銷售力量，并逐步完成不同行業領域解決方案的拓展，使其LMS優勢從汽車制造業擴展到航空航天領域，進一步增強了LMS公司的核心競爭力。
創新驅動
LMS是一家將創新作為驅動力的公司，其中包括了產品技術和服務上的創新，以更好地滿足客戶需求。目前，機電產品的復雜程度越來越高，如汽車，既要求具有很好的舒適性，又要求降低油耗和排放，而且其電控系統越來越多、越來越復雜，若基于傳統流程進行產品開發，開發成本會增加很多，開發周期也會變長。因此，LMS推出基于MBSE的系統級解決方案：MBSE面向開放的多物理領域、多性能屬性和系統級集成，將產品開發流程中的仿真分析進一步向上游前移，使用戶在設計早期就可以綜合考慮產品的一維模型，三維模型、試驗模型、控制模型等，即在概念階段就更好地優化復雜產品的架構，使得大量的機械系統，電控系統設計問題得以在早期得到發現和解決。
