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何为飞机材料
飞机材料的范围较广，分为机体材料（包括结构材料和非结构材料）、发动机材料和涂料。而其中最主要的是机体结构材料和发动机材料。一般来说，非结构材料包括：透明材料，舱内设施和装饰材料，液压、空调等系统用的附件和管道材料，天线罩和电磁材料，轮胎材料等。非结构材料用量少，但品种非常多，包含玻璃、塑料、纺织品、橡胶、铝合金、镁合金、铜合金和不锈钢等。
结构材料应具有尽量高的比强度和比刚度，以减轻飞机的结构重量。结构重量的减轻，可以提高飞行性能，提高经济效益或作战效能。同时，结构材料还应具有良好的可加工性，便于制成所需的零件，而这又涉及工艺问题。
木结构飞机在上世纪30年代之前，一直很流行。就连波音公司的创始人威廉·波音，原本也是西雅图市的一个木材商。据维基百科介绍，莱特兄弟研制的第一架有动力的飞机——“飞行者1号”——使用的主要材料就是云杉木。在其使用的材料中，木材占47%，钢占35%，布占18%。其螺旋桨也是木制的，而且整架飞机都没有设计座位。
在航空制造发展的百余年历史中，飞机材料的更新换代呈现出高速更迭与变换的状态。纵观人类航空发展史，材料和飞机一直是在相互推动下不断得以发展和改进的。
木布结构的时代
上世纪初，世界上第一架载人飞机上天。发明者莱特兄弟使用的材料以木材为主，占比达47%，其次是钢（占35%）和布（占18%）。当然，这架飞机的飞行时度只有16公里。早期的飞机只带着勇敢的探索者飞离地面。那时，设计师就是驾驶员。因为简陋的机体结构很不可靠，普通人不敢冒险从事飞行。
早期飞机用木条、木三夹板做大梁和骨架，用亚麻布做机翼的翼面，这就是所谓的飞机木布结构。而在木杆与层板之间，通常用螺栓相拼接。机翼则蒙上涂抹过清漆的亚麻布，其间以缝纫方式与翼肋构架相连接，而清漆可以保证翼面的坚挺度、应有的几何形状和强度。这样的材料结构一直沿用到第一次世界大战结束，只是飞机的气动外形和内部结构更趋合理和完善。
自上世纪20年代起，人们设计出半硬壳式机身和具备翼型空间的机翼，飞机性能大幅提高，对飞机材料也提出了新的要求。在局部受力处，比如发动机架和整流罩等部位更多采用了金属零件，但翼面、舵面和后机身仍部分采用布质蒙皮，这就是所谓的飞机半金属结构。
金属材料兴起
1906年，德国冶金学家发明了可以时效强化的硬铝，又称杜拉铝，使后来制造全金属结构的飞机成为可能。上世纪20年代，有极个别飞机开始试用强度更高的硬铝合金，硬铝合金替代了原先制作飞机骨架和翼肋的木条，也少量替代了承力较大的布质机翼蒙皮。但当时飞机上的非承力部件，依然采用低成本的木布结构。
当时，苏联等国也曾有设计师尝试用“取之不尽”的钢材来制造飞机，甚至是小客机。钢的比重大于铝，所以对于“为节约每一克结构重量而奋斗”的飞机设计师而言，这肯定不是个好主意。重金属不属于航空器，它的使用将严重削弱飞机的飞行性能或使用效能。最终，怪异的“钢铁飞机”被抛弃也是意料之中的事情。
1925年以后，许多国家逐渐用钢管代替木材做机身骨架，用铝板做蒙皮，制造出全金属结构飞机。全金属结构飞机加大了结构强度，改善了气动外形，提高了飞机性能。到上世纪40年代，全金属结构飞机的时速已经超过600公里。
然而，将硬铝板材做到极端的也大有人在。作为当时的航空先进国，德国和美国在上世纪30年代后期都尝试使用一种被压成细波纹状的薄铝板做飞机表面的蒙皮。这样的形状可以额外加大其纵向强度。世界上第一架“为客机而设计的客机”容克F13和其他一系列容克、福克、福特品牌的客机或运输机都成功采用过这种外部材料。需要特别指出的是，直到目前，硬铝仍然是全球飞机的主要用材。
到上世纪40年代初期，不少国家由于战争原因，有色金属特别是航空用铝库存量告急，一些工厂又做起“木头飞机”的复古梦。作为最成功的例子，英国皇家空军的“蚊”式战斗轰炸机是当时最负盛名的机型。“木头飞机”大量使用胶水黏合结构件，不仅坚固耐用，作战效能也不错。
进入上世纪50年代以后，人类跨入了超音速时代。飞机材料特别注重耐高温指标，人类开始寻求全新的高强度耐热材料。于是，出现了航空专用的既坚固又耐热的钛合金和不锈钢。其中，钛合金的研制成功和应用对解决机翼蒙皮的热障问题起了重大作用。但需要指出的是，它们特别不易加工，同时因为比重大，通常只用在特殊部位、内部骨架和起落架支柱等部位。作为特例，这些特殊钢材也曾大范围使用在极个别的特种飞机上。比如，上世纪60年代出现了能在3万米高空进行3倍音速飞行的全钛结构间谍飞机SR-71。
复合材料应运而生
随着材料科学的进步，自上世纪70年代起，新一代航空材料——复合材料——应运而生。它相当于一种掺进加强纤维的“塑料”，比如将玻璃丝纤维掺和在环氧树脂内。复合材料具有比强度高、刚度高、质量轻的特点，并具有抗疲劳、减振、耐高温、可设计等一系列优点。它可以使飞机在维持原强度的前提下减轻重量，或在同样的重量下，强度更高。复合材料所创造的经济效益和军事效益可想而知。最极端的一例是，在上世纪80年代出现了世界上第一架“全塑料”飞机AVTEK400。
自玻璃纤维与有机树脂复合的第一代复合材料“玻璃钢”问世以来，陶瓷纤维和硼纤维增强的复合材料相继研制成功，性能不断得到改进，使复合材料领域呈现出一派生机。然而，在大多数场合，复合材料依然无法完全替代传统的铝系金属材料，大多还是只用在非主要承力部件上，如舵面蒙皮、设备口盖、小飞机的机身和机翼蒙皮等。
此外，飞机的机载雷达一般采用玻璃纤维增强塑料做成头锥，将它罩住以便能透过电磁波。驾驶舱的座舱盖和风挡玻璃则采用丙烯酸酯透明塑料（有机玻璃），而飞机主起落架必须采用冲击韧性好的超高强度结构钢。
随着航空技术的进步，新一代复合材料问世，其中的佼佼者就是碳纤维复合材料。它的特点有：高强度（是钢铁的5倍），出色的耐热性（可以耐受2000摄氏度以上的高温），出色的抗热冲击性，低热膨胀系数，热容量小（节能），比重小（是钢的1/5），优秀的抗腐蚀与辐射性能。上世纪70年代以后，有越来越多的飞机采用以硼纤维或碳纤维增强的新型复合材料。铝、钛、钢和复合材料，已成为现代飞机的基本结构材料。
进入21世纪，先进飞机已经越来越青睐碳纤维复合材料，甚至将其在飞机结构总重中所占的比例作为衡量一个国家飞机制造技术的硬指标，并向用于机翼甚至前机身等主承力部件的方向发展。
航空技术的进步与发展，对航空材料的发展起着积极的推动作用。与此同时，材料科学与工程发展、新型材料的出现、制造工艺与理化测试技术的进步，又为航空新产品的设计与制造提供了重要的物质与技术基础，从而对航空产业的发展起着有效的推动作用。
波音787：复合材料革命的代表
从材料学的角度看，波音787飞机是制造业历史上一次革命性的跨越。波音787飞机在机身和主要结构上大面积使用了复合材料，不仅减轻了飞机重量，还减轻了航空公司的维修负担。波音公司的数据显示，复合材料占到波音787飞机结构重量的50%（体积的80%），铝占20%，钛占15%，钢占10%，其他材料占5%。
文章来源，航空制造网微信公众号，文章转自：中国民航报

航空电子是指飞机上所有电子系统的总和。一个最基本的航空电子系统由通信、导航和显示管理等多个系统构成。利用传感器感知并进行控制，与其他机载子系统或飞行器及地面控制设备进行通信。从无人飞行器到先进的战斗机和运输机，航空电子系统和设备拥有“飞行、导航、控制”功能，让机组人员能够熟练监视和管理飞行器整个工作过程，而不是直接操纵和控制飞行器飞行。

在人工飞行过程中，对于现代电传座舱，使用电信号而不是机械连接传动信号进行控制；而对于无人驾驶的空间飞行器，通过航空电子系统进行远程监视和控制。

现代航空电子系统是分布的传感器和处理器组件形成的机载网络，它们由日益复杂的软件进行支持，这些软件需要经过仔细的验证和确认。自动控制系统使航空电子系统的精度和安全性越来越高，而座舱中的自动化功能使飞行员越来越了解飞行过程。研发人员正在提高和改进机载网络系统，这主要包括分布在机上和机下各处的信息资源，这些信息源对于完成任务起到安全和有效的保障作用。

飞行器系统的研制目的和任务

飞行器系统研制有多种用途：可以进行客运及货运，可以从机载传感器中收集和发布数据，进行通信或充当信息传送平台。

民用飞机领域主要是客机和货机。民机飞行空域越来越繁忙，安全与高效飞行促使研究人员研发三余度的飞行管理系统，它能够精确地导航、引导和控制飞机。

下一代空中运输系统主要依赖于高性能的网络系统提供的信息，该系统组成可以提供实时的交通信息和气象信息，飞行器和地面站可以共享以上信息，从而提高了安全性分析和支持高密度空域飞行的能力。民机航空电子系统目前主要采用分布式系统结构，由各种传感器和控制器根据需求组成各种机载网络。

随着人类对太空领域的不断探索，卫星技术快速成长。通信卫星可以完成实时多媒体传输，将信息传给广大观众；基于卫星的系统，例如GPS系统，增强了精确定位能力。

飞行器航空电子系统演变过程

随着电子和计算机技术的不断进步，航空飞行器和太空飞行器的电子系统正在不断演变。

最早的动力飞行器只有很少的几项航空电子设备，如最早的怀特飞机上只配备了码表、发动机转速计数器以及风力计。二战后，飞机上又有了气压高度表和空速表、指示磁航向的罗盘以及发动机转速表与温度指示器。

到二战前夕，像DC-3飞机装备了更昂贵的仪表板，包括空速指示器、高度计、垂直速度指示设备（VSI）、陀螺方向仪、转弯指示及姿态指示。

传统的真空仪表相互之间并不共享信息，机组人员完全人工负责“航空电子系统信息综合”，对飞机各系统提供的实时飞机状态（位置、姿态、大气环境和低速）以及设备性能进行综合理解后，依靠人工转换各仪表中的指示信息。目前，航空电子系统根据高层次的飞行计划管理，以及通过飞行控制、导航、发动机和燃油管理，结合空中交通管制，能够综合管理各种任务。

二战以后，飞机飞行变得越来越快和容易操纵，并得到先进的监视、导航和自动飞行系统的支持。地面无线电导航台站网络建立后，能够支持飞机全天候飞行。自动方位确定设备（ADF）——最早建立的无线电信标系统，能够使飞行员识别相对于无向信标的方位。通过识别两个或更多的无线电信号，飞行员可以通过三角测量原理大致确定飞机位置。

自动飞行系统在一战后首次使用，它通过陀螺仪独立、稳定地控制飞机倾斜角和俯仰角。二战以后，自动飞行系统逐渐成熟，同时协同处理多个导航信号，允许飞机自动保持水平飞行，按照指定的爬升率、磁航向，或沿着指定的方位朝向/背向无线电台站飞行。在20世纪六七十年代，数字航空电子系统集成在先进的运输机和军用飞机中。今天根据数字航空电子系统研发的飞行管理系统是自动飞行系统技术的延伸，能够快速和精确引导飞机按照从起飞到着陆的全过程飞行。在机载网络中，多个信号可以共享，利用网络它们从单个设备传递到整个座舱系统，能够显示大部分有价值的信息。各种不断发展的先进传感器和通信技术可以提供气象信息，提高了飞行效率和安全度。

现代航空电子系统

航空和太空飞行器电子系统经历了不断发展的过程，从最早的模拟电子设备、早期的计算设备演变到当前高度集成的传感器、处理器、控制器及通信设备系统构型。

1 航空电子系统一般组成

今天，所有的航空飞行器和太空飞行器航空电子系统都共享一套通用的基本航空电子系统组成结构。在中央位置具有1个或多个处理器，收集、处理和发布数据。一些数据完成本地存储，其他数据通过无线设备传输给地面，以及通过显示设备显示给飞行员。

处理设备包含嵌入式微处理器、数字信号处理器（DSP）、可编程逻辑阵列单元（PAL）以及含有实时操作系统（RTOS）的处理器，通过此操作系统，可以进行人工编程。

2 航空飞行器航空电子系统

数字航空电子系统装备航空飞行器后，系统组成范围包含从单一的自动飞行系统到完整的飞行管理系统。基本子系统是通过单个或分布式处理器形成网络集成与综合（飞行控制计算机）。

如上所述，系统无线电传感器可以进行有声通信以及接收导航信号。数据链设备期望能够成为标准设备，允许飞机接收气象和交通信息，以及对其他飞机广播传输其位置和飞行数据，比如通过ADS-B协议（自动相关性广播监视协议）完成任务。座舱显示方面，在玻璃座舱中使用LCD屏提供各种各样的信息，范围从传统的速度、高度、姿态到系统状态、交通和气象。电传控制方式已经取代飞行员与控制设备之间的机械连接控制方式，它通过飞行控制计算机产生电信号，然后生成相应的控制信号传给激励器。电传控制方式可以减少大量的机械连接，并增加控制输入信号校准和使用的灵活度。惯性导航系统（INS）包含IMU和GPS单元，它们能够提供全部惯性位置和姿态估计数据。大气数据系统（ADS）或大气数据惯性参考系统（ADIRU）可以生成风速矢量，包括风速、攻角和侧滑角测量值。自动驾驶仪可以计算1条参考轨迹，遵守飞行计划（导引指令），以及输出指令给控制机构和发动机，以使飞机按照轨迹飞行。机上飞行计划制定者创建基于航路点的飞行计划，并根据风速预计出时间和油量需求。飞行计划制定者要求提供指定的目的地或航路点清单，以及航空公司提供的优选航路，这些都可以从数据库中检索得到。

航空电子系统目前支持机载交通防撞子系统（TCAS），它能够自动显示和探测附近的交通状况，然后按照需要建议飞行员执行爬升/下降飞行，以避免碰撞。飞行员可以执行、忽略或修改TCAS系统提出的方案，也可以遵守交通管制系统提出的备用方案。在当前高密度的飞行空域中，防撞技术被视为一项具有挑战的技术。

尽管“飞行控制计算机”处于集成状态，但是现代飞行管理系统仍属于高度分布的系统。虽然在座舱里有余度飞行控制计算机，但是具有监视和控制作用的处理器分布于全机身。图中显示了各种各样的“管理”模块，包括燃油、发动机、电源以及运载管理模块。每个模块都由各自制造商提供，机载网络允许所有的处理模块相互进行通信。除确认和验证软件之外，实时操作系统和网络协议必须是高可靠性的、标准的。机载网络过去依靠传统总线连接，遵守ARINC标准和1553B标准；现在的航空电子系统则依靠无线或光纤连接，达到重量最小、高度综合化的目标。

波音787飞机航空电子系统结构

波音787飞机是波音757/767家族的后续机型，采用了100M位/A664协议作为数据传输方式，成为此飞机的航空电子“中枢”结构。与空客A380选择COTS产品数据总线类似，波音已选择不同的系统结构用于航空电子和飞机功能系统综合。

波音787系统结构主要航空电子系统功能和计算任务功能由两个相同的计算资源机柜（CCR）分担。这些机柜和飞行座舱、其余航空电子组件以及其他飞机系统形成接口，共同完成一系列功能，此功能与波音777飞机的信息管理系统（AIMS）功能相同。每个机柜包含4个通用处理模块、网络交换机和两个光纤传输模块，同时采纳第三方供应商提供的应用模块，如柯林斯公司提供的显示处理模块。

波音公司将多达20个远程数据集中器（RDC）单元分布于飞机各个部分，完成模拟、离散和连续数字信号的采集功能，这些信号来自航空电子系统和飞机其他各系统的传感器和受动器。此外，还有多达20个远程分布式电源处理单元（RPDU），用于飞机各区域的用电负载设备。采用的方法是：在飞机各个区域分别布置传感器、控制回路设备与电源设备。在某些条件下，单一功能LRU单元还用于某项功能，例如航空电子系统发电控制单元（GCU）。

波音787采用的双余度数据网络（CDN）使用A664协议，可以支持铜绞线和光纤接口，通信速度分别是10M/s位和100M/s位。

结束语

航空电子系统正在大大提高人们的工作能力，面对越来越复杂的任务，可以更加安全和有效地操控飞行器系统平台。小规模无人系统能够可靠、自动地工作，能够被一般人员操纵；大规模系统造价昂贵，但是在传感器、安全性和网络方面已达到了前所未有的水平。本文总结了航空飞行器和太空飞行器的航空电子系统的演变过程，描述了一些方法，用以指导工作人员监听和监视这些飞行器。还有一些问题，随着航空电子系统不断升级，研究人员正在逐渐解决。

随着任务量越来越大，接收数据的容量限制、与地球作用距离限制、通信延迟等会对空间飞行器的任务执行造成影响。以上技术带来的挑战会推动自动化技术进步，不仅对操作者有帮助，而且会推动空间飞行器平台系统形成独立的网络系统。这样的技术进步要求工程师和操作者不仅要理解本专业领域的基本原理，而且要理解和掌握各个系统之间的设计、验证以及安全操作等知识。

转自航空制造网微信公众号