如果你搭乘一趟由波音787執(zhí)飛的航班出行，除了可以關注炫酷的變色玻璃窗外，你可能也感興趣知道，這架能夠容納300多人的飛機約一半的結構是使用復合材料制造的。

波音787結構材料
或許復合材料在你聽起來有一些陌生，但實際上，除了航空航天等高端制造業(yè)，與我們生活相關的，大到風電葉片、汽車結構，小到自行車、羽毛球拍、釣魚竿都能見到復合材料的影子。
為什么復合材料在越來越多的場景得到應用？先說結論，簡單來說，因為它質量輕、強度高。
eVTOL（電動垂直起降)飛行器作為新興的交通出行載體，對飛行器的結構重量有著嚴苛的要求。這也導致現今市面上能看到的所有eVTOL企業(yè)，幾乎無一例外的使用復合材料作為主要的機體結構。

復合材料結構

復合材料結構復合材料結構與金屬結構相比，絕不僅僅只是簡單的輕一些。事實上，這兩種材料有著迥異的性能表現。
以航空業(yè)常使用的鋁合金材料為例，業(yè)內人經常說的“2系”或者“7系”鋁合金，實際上是鋁金屬中添加了不同比例的合金金屬（銅、鋅、鎂等），從而表現出不同的力學特性（如果你買的產品號稱使用航空鋁，一般也就是這兩個系列的鋁合金）。但，無論怎么調配，鋁合金都是一種韌性材料，有著明顯的屈服特性；而飛機結構常使用的碳纖維復合材料則是脆性材料，在應力-應變圖中我們能夠明顯看出兩種材料的區(qū)別。

應力-應變示意圖
不同的材料特性造成金屬和復合材料有著不一樣的力學性能。
一般來說，金屬結構有著較高的疲勞敏感性，破壞形式的具體表現，就是由于重復的載荷引起疲勞斷裂。這些重復的載荷遠小于結構設計所能承受的極限情況，但在這些載荷周而復始的交變作用下，金屬結構內部萌生了細小的裂紋——也有可能原本就存在微小的缺陷。隨著損傷的累積，這些裂紋/缺陷開始擴展，金屬結構的強度也不斷下降，直到某一次載荷超過了剩余強度，結構就會發(fā)生破壞。
舉個簡單的例子，一段鐵絲想要徒手拉斷，不考慮超能力的情況下一般人往往很難辦到，但只要我們不斷將鐵絲反復彎折，很快就可以將其折斷。
如果放到尺寸相對較大的金屬結構上來說，一次次的飛行使得金屬結構不斷受到反復的拉/壓應力，如果飛行的次數夠多，裂紋總有一天開始萌生并擴展。
實際上，現代飛機由于金屬結構靜強度而引起的問題幾乎很少見，大多數都是疲勞耐久性問題，好在這一現象以現在的技術水平是可以預測的。
所以，飛機也是有壽命的，為了保證乘客和貨物的安全，工程師們會根據材料的固有特性（S-N曲線/裂紋擴展速率曲線）計算出這些裂紋萌生到失效可承受的載荷循環(huán)次數，并給定足夠的分散系數來確定飛機的壽命。此外，工程師們還會制定合理的檢查周期，在飛機服役過程中，對不同部位安排各種各樣手段的檢查，以確保及時發(fā)現并消除這些潛在的裂紋對飛機的威脅。

2024鋁合金S-N曲線

這里補充一個知識點
民用飛機設計壽命通常在20年以上，某種程度上可以認為越新的飛機越安全（機齡低），檢查維護保養(yǎng)越好的飛機越安全（正規(guī)航空公司）。
復合材料眾所周知的特點是輕。碳纖維復合材料結構的密度通常在1.6g/cm3以下，而航空常用的金屬中，鋁合金密度為2.7 g/cm3，鋼的密度為7.8g/cm3。雖然密度小，但復合材料在強度方面卻一點都不弱，甚至表現更佳。目前T700級的碳纖維單向預浸帶拉伸強度可以達到2500MPa，作為對比，強度較高的7075鋁合金拉伸強度約530MPa，而航空用不銹鋼17-7PH的拉伸強度也不過1200MPa左右。要知道，生活中常見的304不銹鋼，拉伸強度只有520MPa。

我們都知道金屬為各向同性材料，復合材料為各向異性材料。通俗的說，金屬制成的結構，在不同方向的強度性能幾乎相同（實際金屬材料由于工藝特性，不同方向力學性能也可能略有差異），而復合材料在各個方向的力學性能與設計有直接關系。
通常情況下，飛行器不同部位的結構在飛行過程中受載形式比較一致，這就意味著工程師完全可以利用復合材料這種可設計的特點，將重量使用到最有利的方向和位置，達到結構優(yōu)化的設計目的，節(jié)省更多的重量空間來提供載重。
復合材料結構相對比于金屬結構，除了重量優(yōu)勢外，還有著較優(yōu)異的抗疲勞特性。經過合理設計后的復合材料結構，一般在壽命期內很難觀察到損傷在疲勞載荷下的擴展，相對比其他設備的老化，幾乎可以做到全壽命周期內不需要維修和更換。

硬幣總有兩面
硬幣總有兩面。復合材料雖然在重量和抗疲勞方面表現優(yōu)秀，但對損傷的靜強度敏感性遠高于金屬材料。通俗點解釋，一塊金屬蒙皮，上面打幾個釘孔對結構的靜強度幾乎沒有太大影響，但如果它是復合材料結構，影響可能超出你的想象——相對于無損結構，含損傷的復合材料結構許用值可能下降一半以上！
濕熱環(huán)境也是一個問題。我們知道，飛行器不是燒水壺，正常使用情況下，一般結構溫度不會超過幾十度，這點溫度對于金屬來說完全不是什么問題。但復合材料結構天生五行缺陷，既怕水又怕火，錯了，是對溫度濕度敏感，在不同的溫度濕度下，不同的力學性能會有不同的改變。變好我們自然是歡迎的，但如果變壞，我們也必須充分了解。
除了上述特點外，復合材料結構與金屬結構之間還有許多的差異點?？垢g性、分散性、導電性、低能量沖擊、玻璃化轉變溫度、遲滯效應……

復合材料的溫濕度影響

關于適航前面介紹了這么多復合材料的優(yōu)點，那么問題來了，怎么在飛行器上安全的使用復合材料結構呢？這就繞不開航空人最熟悉的詞匯——適航?！斑m航指的是航空器適宜于空中飛行的性質及該航空器在預期的運行環(huán)境和使用限制下的安全性和物理完整性的一種品質”。

適航活動
我們今天能夠搭乘的所有航空公司的飛機都經過了適航認證，這是適航當局為保證乘員的安全性對所有運營的飛行器提出的設計要求。我們經常會聽說，航空是最安全的出行方式，這份安全來自于適航當局、航空業(yè)對適航認證的嚴謹態(tài)度和對生命的敬畏。
eVTOL想要最終走入我們的生活，自然也少不了適航認證的過程。
對于復合材料結構來說，航空業(yè)使用了幾十年，自然已經形成了一套較為規(guī)范的適航符合性認證方法，這就是FAA于2009年頒布的AC 20-107B：Composite Aircraft Structure。文件頁數雖然不多，但對大多數人來說也確實是無趣，下面挑幾個關鍵詞給大家介紹一下。

關于積木試驗方法

Building Block Approach
這個名字比較形象，復合材料的這個試驗驗證方法就像搭積木一樣，底層的試驗數量多，考慮因素全面，通過逐步增加試件復雜水平和程度，逐步增大試件尺寸和規(guī)模的作法進行分析和試驗驗證，能夠保證工程項目的研究質量和最終的成功。這種試驗方法邏輯清晰，層層遞進，直到全機結構強度的驗證，為航空業(yè)所認可，有時候也被叫作金字塔試驗。

積木式試驗驗證示意圖
試驗的最底層是材料性能試驗，這些試驗數據用于建立復合材料的材料規(guī)范。我們今天使用金屬材料，例如是7075-T651鋁合金，不需要做額外的試驗就可以立刻知道材料的彈性模量、泊松比、強度等數據，這是因為這些材料遵循著統(tǒng)一的材料規(guī)范生產，正規(guī)供應商提供的出廠合格的材料，拿到我們手中自然也會達到同樣的性能，而且分散性較低。復合材料則不然，且不說不同碳絲和不同配比的樹脂，即使你買的同一款預浸料，不同的工藝方法、不同的設計方式、不同的制件工廠都可能生產出完全不一樣的復合材料產品，這就是我們常說的金屬材料是從結構開始設計，復合材料是從材料開始設計。

復合材料積木式試驗
再往上就是試樣級試驗，這些數據主要是為了獲得材料許用值。常規(guī)的拉壓剪強度就不多說了，剛才提到了復合材料對損傷的敏感性，這里就要靠試驗來測量到底含損傷的結構有多少的強度，常用的試驗包含開孔試驗、充填孔試驗、低能沖擊試驗等，這些試驗項目的設置自然都是實際結構可能遇到的情況。
有必要提一下這里的低能沖擊試驗。由于目前使用的復合材料都是一層一層鋪設而成，這會造成結構在受到各種外來物的低能量沖擊時，表面留下一個較淺的凹坑，目視很難發(fā)現，但復合材料結構內部卻可能發(fā)生了纖維斷裂、基體分層等損傷，使得復合材料的力學性能顯著下降。這種損傷如同家里的蟑螂，最怕的是看不到的。所以為了在設計時能夠涵蓋住這些意外的發(fā)生，工程師在選取材料設計值時會綜合考慮這些可能出現的損傷情況，用最安全的數值進行設計。
試樣級往上還有元件級、次部件級試驗，通過這些試驗后，我們基本就可以搞清楚飛機各個部位的結構的狀態(tài)，最終通過全尺寸的飛機結構強度試驗來完成驗證。

關于“損傷”
前面反復提到了一個詞——“損傷”，這里再展開講一點。
大多數情況下，我們都難以避免結構中出現損傷。它可能來源于材料的缺陷、可能是制造過程中的一個瑕疵、可能是加工過程中的一個紕漏、可能是使用過程中的開裂，甚至，是趕上了一場突如其來的冰雹……
生活教會我們，無法避免就要學會與其共存，這也是當前航空業(yè)理論“損傷容限 ( Damage Tolerance)”。
損傷容限從字面意思上理解，就是結構出現損傷破壞后，仍然維持所需強度的能力。實際上，無論是對于金屬結構還是復合材料結構，損傷容限都是一個重要的考慮。當然，由于材料本身的區(qū)別，兩者基于的理論方法并不相似，對于復合材料結構，AC 20-107B中給出了五種損傷的分類，對應著不同的要求。

損傷分類
第一類損傷叫做“勉強目視可見損傷(BVID)”。
這個詞第一次聽說容易讓人理解不能。實際上它指的是一個門檻值，可以理解為，在目視檢查的手段下，能夠發(fā)現的最小損傷尺寸，在大多數語境里，我們說到BVID，其實是指小于等于這一門檻值的損傷?；趧偛盘岬降摹白钆驴床坏健痹瓌t，這類損傷被默認為存在于復合材料結構中，為了在這種情況下仍然保證較高的安全性，FAA要求飛機在極限載荷下，設計要涵蓋住所有的BVID。極限載荷是飛機可能遭受的最大載荷情況再乘以了一個安全系數，可以認為給與了結構足夠的容錯空間，這也解釋了為什么我們要花大力氣去測試含損傷的材料許用值，就是為了滿足這種底線思維。
第二類損傷叫做“目視可見損傷VID”。
有了剛才的介紹這里就比較容易理解。一開始我就提到，工程師會在飛行器服役過程中安排足夠多次的檢查程序，一旦損傷大到可檢查的程度，我們自然可以對其進行維修和更換。在這種損傷下，我們需要保證結構強度能夠在一個檢查周期內都不會發(fā)生破壞，當然同樣需要考慮分散系數，以保證在下次檢修期到來前飛機仍然是安全的。
第三類損傷叫做“易檢損傷，也叫作LVID”。
這種損傷更大了，大到機組、地勤或是乘客能夠比較容易的就發(fā)現。這種損傷下，飛機肯定是要馬上返修的，鑒于損傷足夠大，能夠較快的被發(fā)現，結構強度只要滿足能夠承擔限制載荷就足夠了，要知道，限制載荷已經是飛機可能遭受的最大載荷，也就是這種損傷下結構強度仍然留有足夠的裕度。所以下次坐飛機起飛降落時，一定記得把遮光板打開，你也是守護航空安全的一份子哦。
第四類損傷叫做離散源損傷。
這種事件發(fā)生概率較低，而且并不能很好的預測，例如鳥撞、強烈的雷擊或冰雹等。一旦遭遇，趕緊找安全地方降落。當然，這種情況下就不能指望飛行員再帶你飛一個“眼鏡蛇”、“落葉飄”動作了，要做的就是盡快平穩(wěn)小心的飛到最近的降落點，從強度上講就是要求結構仍能承受回程載荷。
當然，人力終有窮，天道終有定，除了這四類損傷外還有可能出現一些離奇的意外，這樣的損傷我們也應該適當考慮。

結語
好了，這次就跟大家分享這些。飛行器設計不是一個簡單的事情，任何一個條款要求、技術點的背后可能都是前人多年的總結以及無數次的事故累積下來的經驗，都值得我們好好分析、研究。
各位伙伴如果有感興趣的話題，也歡迎給我留言，在之后的日子里我們一起探討、交流，共同進步，后續(xù)我和我的同事會以更簡單明了的方式向大家講解相關知識。

來源 | 時的科技 TCab Tech

作者 | 周老師