地效飛行器在波浪中起降的過程位于氣水交界面上，受到高航速和波浪的雙重作用，這就對(duì)地效飛機(jī)的材料選擇提出了較高的要求，既要具有良好的抗沖擊性、抗海水腐蝕性以及足夠的強(qiáng)度、剛度、抗疲勞性能，又要盡量減輕結(jié)構(gòu)重量。鋁合金材料作為飛機(jī)設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)材料，在強(qiáng)度、剛度、抗沖擊性方面性能優(yōu)異，但是其抗海水腐蝕性能差，而地效飛機(jī)的服役環(huán)境以海洋為主，海水的腐蝕極大增加了飛機(jī)的維護(hù)成本，降低了結(jié)構(gòu)壽命。先進(jìn)的復(fù)合材料由于比強(qiáng)度比剛度高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、抗疲勞斷裂性能好、耐腐蝕、結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，其在飛機(jī)上的應(yīng)用量已成為當(dāng)今衡量飛機(jī)先進(jìn)性的重要指標(biāo)。地效飛機(jī)應(yīng)用復(fù)合材料不僅可解決飛機(jī)的海水腐蝕問題，同時(shí)由于復(fù)合材料可剪裁設(shè)計(jì)和便于大面積整體成型的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，可減輕結(jié)構(gòu)重量，減少機(jī)械連接及整機(jī)的裝配任務(wù)量，在一定程度上降低了工裝成本。

國(guó)外復(fù)合材料應(yīng)用現(xiàn)狀

當(dāng)今世界上存在著一種飛機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料化的趨勢(shì)，飛機(jī)設(shè)計(jì)要求為減重每1克重量而奮斗，比重僅為1.6g/cm3的先進(jìn)復(fù)合材料，能夠給飛機(jī)結(jié)構(gòu)帶來20%~30%的減重，這是其他手段無法企及的。此外復(fù)合材料還具有可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、疲勞性能好、耐腐蝕、便于整體成型等一系列的優(yōu)點(diǎn)。國(guó)外飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)已十分成熟。

大型客機(jī)方面，以波音公司的B787為例，其復(fù)合材料用量占結(jié)構(gòu)重量的50%以上，包括機(jī)翼、機(jī)身、垂尾、平尾、發(fā)房、地板梁及部分艙門、整流罩等。在設(shè)計(jì)過程中采用了多項(xiàng)復(fù)合材料關(guān)鍵技術(shù)，包括新材料體系的研發(fā)、先進(jìn)的結(jié)構(gòu)形式、低成本的制造工藝等，使飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量大大減輕，運(yùn)行成本也大幅下降，座公里數(shù)比其他同類飛機(jī)低10%，燃油消耗比其他同類飛機(jī)低20％，檢修時(shí)間由500小時(shí)提高到1000小時(shí)，檢修率相對(duì)降低30％。

軍機(jī)方面， 復(fù)合材料在軍機(jī)上的應(yīng)用范圍遠(yuǎn)高于民機(jī)。以F-22為例，其復(fù)合材料的總用量占結(jié)構(gòu)重量的25%，以雙馬樹脂為主的熱固性復(fù)合材料占24%，熱塑性復(fù)合材料占1%。在制造過程中采用RTM技術(shù)制造的復(fù)合材料件達(dá)400件，占復(fù)合材料結(jié)構(gòu)重量的25%，采用該技術(shù)后比原設(shè)計(jì)節(jié)省開支達(dá)2.5億美元。美國(guó)F-35的垂尾采用整體成型技術(shù)，制成了單件最大、最復(fù)雜的RTM成形航空結(jié)構(gòu)件，制件長(zhǎng)3.65m，重約90kg，減少緊固件1000多個(gè)，降低成本60% 。 

地效飛機(jī)方面，由韓國(guó)設(shè)計(jì)的20座級(jí)的地效飛機(jī)，其機(jī)翼、水平尾翼、操縱面均采用復(fù)合材料，為梁-蒙皮-泡沫夾層結(jié)構(gòu)，材料選用碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，泡沫為聚氨酯泡沫。機(jī)翼的重量?jī)H為371.4kg，比目標(biāo)重量輕了11.6kg。水平尾翼的重量為150kg，比目標(biāo)重量輕了30kg。

復(fù)合材料在軍機(jī)及民機(jī)上應(yīng)用的成熟技術(shù)，對(duì)于地效飛機(jī)同樣適用，這些型號(hào)的經(jīng)驗(yàn)積累為復(fù)合材料應(yīng)用于地效飛機(jī)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

國(guó)內(nèi)復(fù)合材料應(yīng)用現(xiàn)狀

我國(guó)飛機(jī)結(jié)構(gòu)上對(duì)復(fù)合材料的應(yīng)用追隨著國(guó)際上先進(jìn)國(guó)家的腳步，發(fā)展的歷程基本相同。軍民用飛機(jī)的各類舵面上選擇復(fù)合材料結(jié)構(gòu)已經(jīng)很普遍。國(guó)內(nèi)最早在殲8飛機(jī)的垂尾上應(yīng)用復(fù)合材料，在苛刻的飛行條件下飛行使用近20年，地面檢查無任何問題。在運(yùn)7系列支線飛機(jī)的腹鰭、方向舵等次結(jié)構(gòu)上應(yīng)用了先進(jìn)復(fù)合材料。到了90年代中期設(shè)計(jì)、研制成功了運(yùn)7復(fù)合材料垂尾，并取得了適航證。中國(guó)自行研制的殲8Ⅱ帶整體油箱的復(fù)合材料機(jī)翼自1995 年裝機(jī)飛行12 年來亦毫無問題，至今仍在服役。殲10作為三代戰(zhàn)機(jī)的代表，垂尾及內(nèi)外側(cè)副翼等都采用復(fù)合材料。復(fù)合材料的大量使用以及采用先進(jìn)的機(jī)動(dòng)外形和高性能發(fā)動(dòng)機(jī)，使我國(guó)戰(zhàn)機(jī)作戰(zhàn)能力有了極大的提升。ARJ21在客艙地板、貨艙天花板、側(cè)壁板、前后短板以及方向舵都采用了復(fù)合材料設(shè)計(jì)，其復(fù)合材料用量占結(jié)構(gòu)重量的2%。目前，復(fù)合材料的適航驗(yàn)證工作即將完成。運(yùn)12F的升降舵、方向舵、副翼、翼尖、翼身整流罩等部件都采用了復(fù)合材料設(shè)計(jì)，操縱面的調(diào)整片也都選用碳纖維面板和全高度蜂窩夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，目前運(yùn)行狀態(tài)良好。

地效飛機(jī)應(yīng)用復(fù)合材料好處

地效飛機(jī)服役環(huán)境以海洋為主，復(fù)合材料的應(yīng)用會(huì)帶來鋁合金材料無法比擬的優(yōu)異性能，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

減重效益　復(fù)合材料為各向異性材料，單層性能具有明顯的方向性，因此復(fù)合材料層合板剛度和強(qiáng)度性能可“剪裁”，即通過調(diào)整每個(gè)單層的鋪設(shè)角、鋪層比、鋪層順序來獲得所需的強(qiáng)度和剛度性能，恰似量體裁衣，這種特殊的剪裁性能使復(fù)合材料相對(duì)于鋁合金材料明顯的減輕結(jié)構(gòu)重量，提高飛機(jī)有效載荷。研究表明，飛機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)用復(fù)合材料相對(duì)于鋁合金材料可減重20%~30%。

提高抗腐蝕能力　復(fù)合材料具有優(yōu)異的抗腐蝕性能，比強(qiáng)度、比剛度大，在地效飛機(jī)上應(yīng)用復(fù)合材料可有效避免腐蝕問題。

降低工裝成本　傳統(tǒng)的鋁合金結(jié)構(gòu)往往采用分離式制造方法，多個(gè)零件單獨(dú)加工后再通過緊固件裝配成組件，期間還有可能會(huì)用到大量的連接角材，既浪費(fèi)了重量又增加了裝配成本。以長(zhǎng)桁加筋壁板為例，若采用復(fù)合材料制造，基本蒙皮和長(zhǎng)桁可通過共固化或共膠接的形式做成整體壁板，整個(gè)過程不會(huì)用到一個(gè)緊固件，既降低了重量又節(jié)約了成本。

此外，復(fù)合材料還可以通過鋪層設(shè)計(jì)和組件化整體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)在一個(gè)結(jié)構(gòu)內(nèi)包括不同材料、性能差異的分組件，甚至包括金屬、陶瓷件等，減少了零件數(shù)量，簡(jiǎn)化了裝配程序，降低了工裝成本。

地效飛機(jī)復(fù)合材料關(guān)鍵技術(shù)

海洋環(huán)境濕熱影響　在濕熱環(huán)境下，樹脂基體會(huì)吸收水分，導(dǎo)致復(fù)合材料構(gòu)件力學(xué)和物理性能下降。地效飛機(jī)服役環(huán)境以海洋為主，考慮海面濕氣及海水對(duì)復(fù)合材料浸泡侵蝕的影響，應(yīng)用于地效飛機(jī)的復(fù)合材料在材料選擇階段，要考慮最高使用溫度和長(zhǎng)時(shí)間高溫下材料飽和吸濕，在設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段，要著重驗(yàn)證濕/熱條件下復(fù)合材料的壓縮性能。

提高材料的抗沖擊性　地效飛機(jī)在水面起降的過程中，海浪對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)有很強(qiáng)的沖擊力，要求材料具有良好的抗沖擊性。目前國(guó)內(nèi)外就提高復(fù)合材料抗沖擊性做了大量研究，主要包括以下幾點(diǎn)：

增韌樹脂基體　樹脂基復(fù)合材料抗低速?zèng)_擊能力在很大程度上取決于樹脂的韌性。習(xí)慣上，以復(fù)合材料沖擊后壓縮強(qiáng)度CAI值劃分樹脂基體的韌性等級(jí)。沖擊能量67J/cm沖擊后，CAI值大于195MPa為韌性樹脂基體。

提高纖維模量　為滿足新一代高性能飛機(jī)的減重要求，航空工業(yè)對(duì)碳纖維提出了韌性要求，即將纖維拉伸強(qiáng)度和拉伸模量提高30%~40%，使纖維斷裂伸長(zhǎng)率提高20%，并要求與韌性樹脂基體組合提高抗損傷能力。

三維增強(qiáng)體　通過編、縫、織等在厚度方向引入纖維的3D復(fù)合材料可有效抑制復(fù)合材料的損傷增長(zhǎng)，已廣泛地用于提高復(fù)合材料抗層間斷裂能力和沖擊損傷容限。

先進(jìn)的樹脂和纖維在大型飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用說明改進(jìn)的復(fù)合材料的抗沖擊性可以與金屬材料媲美，地效飛機(jī)上應(yīng)用先進(jìn)復(fù)合材料能夠滿足海浪沖擊的要求。

 縱觀目前復(fù)合材料以及復(fù)合材料的成型技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料在地效飛機(jī)上的應(yīng)用必須從以下幾條入手：

材料體系設(shè)計(jì)　在材料選擇時(shí)，主要在濕熱環(huán)境和沖擊環(huán)境下綜合考慮樹脂、纖維、樹脂和纖維的界面三個(gè)方面的性能。樹脂主要考慮最高使用溫度、飽和吸濕量及樹脂的韌性。纖維主要考慮纖維的強(qiáng)度、模量及抗腐蝕能力。同時(shí)，要著重考慮纖維和界面的粘附能力。

抗沖擊的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)　復(fù)合材料結(jié)構(gòu)用于地效飛機(jī)可以帶來抗腐蝕、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、剛度大和重量輕的好處。同時(shí)也引入了復(fù)合材料的一個(gè)缺點(diǎn)，就是抗面外沖擊能力弱的特點(diǎn)。通過研究不同的結(jié)構(gòu)形式、增強(qiáng)纖維的種類、樹脂的類型、鋪層方式、纖維含量及鋪層數(shù)量相關(guān)內(nèi)容，提高復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的抗沖擊性。

數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)　通過數(shù)字樣機(jī)可以實(shí)現(xiàn)全機(jī)各零部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)階段即可以對(duì)制造過程仿真，精確分析復(fù)合材料零部件公差，合理分配，確保一次制造出合格的制件。