前言：中文期刊网精心挑选了航空航天的未来范文供你参考和学习，希望我们的参考范文能激发你的文章创作灵感，欢迎阅读。
航空航天的未来范文1
关键词：计算力学；多物理场耦合；先进复合材料；有限元技术（FEM）
中图分类号：V211 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）12-0252-02
1 力学在航空航天领域的支柱地位
作为与材料科学、能源科学并肩的航空航天领域三大基础学科之一，力学在航空航天领域拥有无可辩驳的支柱地位。航空航天技术的发展与力学学科的发展有着举足轻重的关系。同样，力学学科的发展也推动了航空航天技术的发展。从航空航天的历史开端，力学便扮演着开天辟地的角色：莱特兄弟发明飞机前的时代，人类的航空器长期停留在热气球与飞艇的水平，人们普遍认为任何总密度比空气重的航空器是无法上天的；而随着流体力学的发展，越来越多总密度大于空气的航空器被发明出来进行试验，而莱特兄弟的飞机即为第一个成功的尝试，莱特兄弟的L洞也成为一个经典（图1）。从此，航空器的发展步入了快车道，各种结构的飞机翱翔于蓝天，从不到一吨的轻型飞机到上百吨的运输机，直至今天我们对机已经习以为常。
时至今日，航空航天的总体设计已由庞大的力学各分支支撑起来，从最基本的方面分类，可包括：飞行器整体气动外形归属于空气动力学；整体支承结构归属于结构力学以及材料力学；复合材料归属于复合材料力学；材料疲劳性能归属于疲劳分析；结构动力特性归属于振动力学；缺陷结构分析归属于损伤力学以及断裂力学。而对于具体的问题细分，则还有如：针对超高速飞行器的高超空气动力学；针对紊流等大气不稳定情况的非定常空气动力学；针对流固耦合问题的气动弹性力学；以及针对非金属材料的粘弹性力学等。此外，还有众多与力学相关的技术被发展起来，如有限元技术（FEM）等。
展望未来，力学发展的源动力在于航空航天综合多学科的交叉与技术。被誉为“工业之花”的航空航天工业，其研发生产涵盖了目前已知的所有工科门类，如此多的学科交叉下，力学的发展势必会与其他学科进行技术交流，这会带来问题的进一步复杂化，同时也丰富了力学的研究内容。
2 航空航天领域力学发展新挑战
航空航天的发展，给力学带来了新的挑战。结构的日趋复杂，给力学计算带来困难；繁琐的理论公式，需根据工程需要进行必须的简化；新材料的应用在航空航天领域最为敏感，在为飞行器降低结构重量的同时，也带来诸多的不利因素如耐热性能差、环境敏感度高等；而在某些关键部件的多物理场耦合问题也将成为重要的研究方向。
2.1 程序化
航空航天器和大型空间柔性结构的分析规模往往高达数万个结点、近十万个自由度的计算量级，这些问题包括但不限于：飞行器的高速碰撞间题，如飞机的鸟撞， 坠撞，包容发动机的叶片与机匣设计，装甲的设计与分析，载人飞船在着陆或溅落时的撞击等。为了解决这种计算量庞大的问题，上世纪50年代初，力学便发展出一门崭新的分支学科――计算力学。伴随着电子计算机以及有限元技术的发展，计算力学取得辉煌的成绩，这也说明了其本身发展潜力巨大。
力学分析技术的发展，特别是对于各种非线性问题（几何非线性、材料非线性、接触问题等）分析能力，是长期存在的。然而在很长一段时间内，受到计算机能力的制约，以及模型建立本身的局限性，力学分析求解停留在解析方法和小规模数值算法中。这对于工程人员的设计工作是一个极大的限制，对于航空航天领域而言则尤甚如此。计算力学的发展，带来的效益是巨大的。首先其可以用计算机数值模拟一些常规的验证性试验和小部分研究型试验，这可以节省很大一笔试验费用。其次，其可以求解某些逆问题，逆问题的理论解往往无法通过非数值的手段得到。最后，从工程管理角度考虑，数值模拟方法大大节省了产品研发的周期，由此单位时间内产生了更多的经济收益。有限无技术分析机翼见图2。
上述计算力学给工程设计方面带来的种种好处，都基于一个很重要的前提。那就是力学问题程序化。如何将力学问题转化为一个计算机可以求解的程序，一直是计算力学研究的重点，比如有限元技术就是其中一个典型代表。目前，有限元技术已经涵盖了大部分力学问题，包括：静力学求解，动力学求解，各种非线性问题，以及多物理场耦合等。但值得注意的是，除了静力学以及相对简单的问题外，其余问题所用的算法目前精度仍然有限，相较于工程运用而言仍存在诸多壁垒。对于这些问题算法的更新，是力学问题程序化必须面对的挑战，仍需研究人员不断探索。
2.2 工程化
力学工程化依然是基于计算力学而讨论的。所不同的是，程序化是针对一项力学问题能不能解决，工程化关注的问题是如何使得力学问题的解决过程更符合工程需求。
21世纪的航空航天，已经越来越趋向于商业化，美国已有数家私有航天企业成立，我国的航天科技集团也在进行着一些商业卫星发射。而商业化的工程问题，所追求的目标永远是效益。因此，力学工程化发展也应基于这一要求。航空航天工程的研发工作，一直给人周期长的印象，动辄10年以上的研究周期，对于目前商业化的运营是不适用的。如何快速的给出解决方案，是今后力学工程化的重要考量。随着软件技术的发展，越来越多的数值计算可以通过可视化、图表化等快捷的交互式设计方法呈现出结果，这可以直观地给予工程师设计反馈，从而达到加快设计进程的目的。同时，直观的结果反馈，也能避免数据分析过程出现人为失误，起到规避风险的作用。
2.3 非均质化
新材料往往首先出现在航空航天领域，其中典型代表便是先进复合材料。先进复合材料具有高比强度、高比模量、耐腐蚀、耐疲劳、阻尼减震性好、破损安全性好以及性能可设计等优点。由于上述优点，先进复合材料继铝、钢、钛之后，迅速发展成四大结构材料之一，其用量成为航空航天结构的先进性标志之一。
复合材料的运用给力学提出了新要求，相比于传统各向同性的金属材料，其各向异性的力学特性使得非均质力学应运而生，代表便是复合材料力学的诞生。非均质化力学需要将材料的承力主方向设计为结构中的主承力方向，而非主承力方向则需要保证一定强度，不至于破坏，这是其主要的设计特点。相比各向同性材料，其理论模型更为复杂，相应的数值求解方法也没有那么完善。同时，实际中复合材料的性能分散性和环境依赖性相当复杂， 设计准则和结构设计值的确定还很保守，导致最终设计结果并没有理论中那么完美，很大程度上制约了工程领域大规模使用复合材料。对于国内而言，复合材料研究工作相比国外则更为落后，无论是设计经验还是试验数据积累都有不小差距。
建立完备的非均质化力学模型，积累足够的原始参数，大胆尝试提高复合材料的设计水平以及用量是今后力学非均质化的主要任务，需要研究人员付出更多的努力。
2.4 多物理场耦合
2.4.1 电磁与力学耦合
新时代下的航空航天材料，已不仅仅局限于提供简单的支承作用，功能化是航空航天器新材料发展的重点和热点，其最终目的是为了未来航空航天器发展智能化目标。
目前，越来越多的具有电-力耦合功能的新型材料正成为航空航天器结构材料的选择。因为在对飞行器的自我检测技术方面，具有电-力耦合功能的材料的受力状态与电磁性能存在特定的函数关系，由此系统能通过检测电磁性能达到检测受力状态的效果，这大大方便了对飞行器的健康监测，也有效保证了飞行器的安全。这其中耦合函数的准确性便成为关键，电-力耦合的发展能促进这些技术的健全，具有十分积极意义。
2.4.2 温度与力学耦合
温度场与力场的耦合主要体现在发动机上，对于发动机内部涵道的设计最优化一直是热力学着力解决的问题。
目前大部分飞机均采用喷气式发动机，包括：涡喷发动机、涡扇发动机以及涡桨发动机。上世纪40年代末，涡喷发动机出现，飞机飞行速度第一次能超过音速，带来了一场飞机发动机的技术革命。由此，包括进气道以及发动机涵道的设计成为发动机研发的一个关键点，早期的涡喷发动机，由于涵道上的设计缺陷，导致燃料燃烧产生热能转化为推进力的转化比很低，同时伴随着燃烧不充分，因此发动机耗油量很高且推力较小。经过几十年的发展，目前无论军用还是民用飞机发动机，大部分均采用涡扇发动机，通过优化得到的涵道形状最大化了单位燃油所提供的推力。图3为民用客机发动机涵道。
我国的飞机发动机工业水平距离世界领先水平仍有较大距离，特别是在大涵道比的商用发动机研发上。发展热力学，对热-力耦合问题进行更深入的研究，是发展我国飞机发动机事业的奠基石。
2.4.3 流固耦合
流固耦合是飞行器研制最基本的问题之一。几十年的发展历程中，基于流固耦合研究的飞机外形设计取得了诸多进展，包括整体机身外形的优化，翼梢小翼的出现等。随着飞机飞行速度的不断提高，特别是军用飞机机动性的要求，出现了许许多多新的流固耦合问题。比如针对飞机在大攻角飞行时（一般出现在军机上），传统小攻角气动表示法、稳定理论等均不再适用。因此，解决大攻角非定常问题，需要从飞行器运动以及流动方程同时出发，建立多自由度分析和数值模拟模型。这是典型的流固耦合问题。
同时，以往旧的流固耦合理论，在先进复合材料大量运用的今天，显然已经不再使用。对旧有理论进行必要的修正，也将成为流固耦合问题亟需完成的工作。
3 结语
当前，国家大力发展航空航天事业，作为高精尖产业，其所运用的理论与技术绝不能落后。力学作为一门古老而又应用广泛的学科，其对航空航天事业的发展起着举足轻重的作用。为符合未来航空航天领域发展，航空航天领域的力学应着力向着程序化、工程化、非均质化、以及多物理场耦合化综合发展。
参考文献
[1]杜善义.先进复合材料与航空航天[J].复合材料学报，2007（2）：1-11.
[2]尧南.计算固体力学的发展及其在航空航天工程中的应用[J].计算结构力学及其应用，1993（3）：199-209.
航空航天的未来范文2
关键词：先进复合材料；航空航天领域；飞船；卫星；火箭；飞机 文献标识码：A
中图分类号：V257 文章编号：1009-2374（2016）13-0039-04 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2016.13.019
1 概述
现阶段，我国航空航天事业得到前所未有的发展，航空航天领域对材料的要求不断提升，为了满足航空航天领域对材料性能的要求，应该研发新型、高性能的材料，先进复合材料应运而生，其具有多功能性、经济效益最大化、结构整体性以及可设计性等众多特点。将先进复合材料应用在航空航天领域，能够有效地提高现代航空航天器的性能，减轻其质量。和传统钢、铝材料相比，先进复合材料的应用，能够减轻航天航空器结构重量的30%左右，在提高航空航天器性能的同时，还能降低制造和发射成本。现阶段，先进复合材料已经成为飞船、卫星、火箭、飞机等现代航空航天器的理想材料，同时，先进复合材料已经和高分子材料、无机非金属材料及金属材料并列为四大材料。因此，文章针对先进复合材料在航空航天领域应用的研究具有重要的现实意义。
2 我国先进复合材料发展现状
自20世纪70年代开始，我国就开始了对复合材料的研究工作，经过40多年的研究与发展，我国先进复合材料的技术水平不断提高，并且取得了可喜的进步。现阶段，我国先进复合材料在航空航天领域中的应用，逐渐实现了从次承力构件向主承力构件的转变，被广泛地推广和应用在军机、民机、航空发动机、新型验证机和无人机、卫星和宇航器、导弹以及火箭等领域，即先进复合材料已经进入到实践应用阶段。但是，我国先进复合材料技术的发展和研究成果与国外发达国家的水平还具有一定的差距，现阶段我国先进复合材料的设计理念、制备方法、加工设备、生产工艺以及应用规模等都相对落后。例如，我国军用战斗机中复合材料的用量低于国外先进战斗机的复合材料用量，仅有少数的军用战斗机超过20%，例如J-20其复合材料的用量约为27%。我国成功研制的C9型民用飞机，单架飞机的先进复合材料的用量超过16吨，标志着我国先进复合材料在航空航天领域的应用水平在不断提高。
3 先进复合材料简介
3.1 先进复合材料的组成
复合材料是由金属、无机非金属、有机高分子等若干种材料采用复合工艺组成的新兴材料，先进复合材料不仅能够保留原有组成材料的特点，还能够对各种组成材料的优良性能进行综合，各种材料性能的相互补充和关联，能够赋予新兴复合材料无法比拟的优越性能。先进复合材料简称ACM，指的是碳纤维等高性能增强相增强的复合材料。先进复合材料的多种性能都优于普通钢、铝金属材料，在航空航天领域的应用，能够有效地减轻航空航天设备的重量，同时赋予航空航天设备特殊的性能，例如吸波、防热等。
3.2 先进复合材料的特性
先进复合材料的特性主要表现为：
3.2.1 多功能性。先进复合材料经过多年的发展，结合了众多优异的物理性能、力学性能、生物性能以及化学性能，例如防热性能、阻燃性能、屏蔽性能、吸波性能、半导性能、超导性能等，并且不同的先进复合材料的组成不同，其功能性存在一定的差别，综合性、多功能性复合材料已经成为先进复合材料发展的必然趋势之一。
3.2.2 经济效益最大化。先进复合材料在航空航天领域的应用，能够减少产品部件数量。由于复杂部件的连接不需要进行铆接、焊接，因此对连接部件的需求量降低，有效地减少了装配材料成本、装配和连接时间，进一步降低了成本。
3.2.3 结构整体性。先进复合材料可以加工成整体部件，即采用先进复合材料部件能够替代若干金属部件。某些特殊轮廓和表面复杂的部件，用金属制造的可行性较低，采用先进复合材料能够很好地满足实际需求。
3.2.4 可设计性。采用树脂、纤维、复合结构方式，能够获得不同形状、不同性能的复合材料，例如选择合适的材料、铺层程序，能够加工出膨胀系数为零的复合材料，并且复合材料的尺寸稳定性优于传统金属材料。
4 先进复合材料在航空领域的应用
传统的飞机制造以钢、铝、钛合金为主要材料，而传统飞机上应用比例最大、构成轻质结构主体的铝合金正在被越来越流行的复合材料所替代。我们所指的复合材料主要是以高性能纤维作为增强体，用树脂作为基体将纤维粘结在内部并固化成型的高性能塑料。随着复合材料的迅速发展和广泛应用，当前先进的复合材料在飞机上的关键应用部位和用量的多少，已成为衡量飞机结构先进性的重要指标之一。由于碳纤维材料具有耐高温、密度低、强度大等特点，目前在航空航天领域运用最为广泛。与密度达到2.8g/cm3左右的铝合金相比，先进的碳纤维复合材料密度一般在1.45～1.6g/cm3左右；而拉伸强度可以达到1.5GMPa以上，超过铝合金部件的3倍，接近超高强度合金钢制部件的水平。这种密度低、强度刚度高的优势，使飞机的复合材料结构部件在获得与先进铝合金部件在强度刚度等综合性能方面相当的水平时，重量可以大幅减少20%～30%。复合材料在飞机结构中的应用情况大致可以分为三个阶段：第一阶段是应用于受载不大的简单零部件，可减重20%；第二阶段是应用于承力大的部件，可减重25%～30%；第三阶段是应用于复杂受力部位，如中机身段、中央翼盒等，可减重30%。复合材料主要用于制造航空器的外饰和内饰部件，如飞机的一次构造材料：主翼、尾翼、机体，二次构造材料，副翼、方向舵、升降舵、内装材料、地板材、桁梁、刹车片等及直升飞机的叶片。根据统计，小型商务机和直升飞机的碳纤维复合材料用量已占55%左右，军用飞机占25%左右，大型客机占20%左右。
4.1 军机上的应用
为满足新一代战斗机对高机动性、超音速巡航及隐身的需求，20世纪90年代后，西方战斗机全部大量采用复合材料结构。先进的复合材料也大大增加了军用运输机的有效载重，增大了军用飞机的载油量，克服常规材料在高超声速飞行器研制中存在的瓶颈问题。因此，先进复合材料被广泛地应用在军机上，例如，碳纤维增强树脂基复合材料，在军机主结构、次结构以及特殊部位等方面的应用，有效地提高了军机的耐腐蚀性、抗疲劳性，同时还具有明显的减重效果；再如，F22由于存在超声速巡航需求，飞机外表面会长时间与空气高速剧烈摩擦，因此在机翼复合材料上放弃了环氧基树脂，而使用双马来酰亚胺树脂基体以获得260℃的最大工作温度。
4.2 民机上的应用
民机和军用飞机不同，民用飞机作为以载客飞行和运营为目的的交通工具，对安全可靠性和经济性要求更加严格。复合材料在飞机上大量应用的时间还比较短，在对材料工艺稳定性和有关试验数据尚不十分充分的情况下，应用较多含量的复合材料需要大量时间和实践的积累。民航上的复合材料应用受限，使用分为两类：结构件用复合材料、舱内材料。
以波音787为例，每架飞机的结构比例中有50%是重约35吨的复合材料，这意味着它从材料密度上就减轻了15吨左右的重量。而空客也不甘示弱，新的A350客机改名为A-350 XWB，XWB意为超宽机身，复合材料的比例达到了52%，是现在所有大型商用飞机中最高的。A-350XWB的机体比B-787还宽13cm。作为世界上仅有的两个大型商用飞机研制巨头，波音、空客先后推出复合材料占结构比例50%的主力型号，这意味着大型客机结构设计以复合材料为主要材料的时代已经拉开序幕。波音787等新一代复合材料飞机上实现的性能提升，并不仅仅是依靠低密度材料减重得来。实际上复合材料在工艺、结构力学设计上，都有着传统金属材料所完全无法比拟的优势，比如复合材料可以做出超大尺寸的整体结构部件，而且尺寸大小不会随着温度高低而产生变化。
国产大飞机在复合材料的应用上还比较保守，公开的报道显示，复合材料的使用量约占C919飞机结构重量的20%。飞机上使用的复合材料主要是碳纤维增强树脂基复合材料，它们具有高耐腐蚀、质量轻等特点，在这些性能上的确要超过一般的金属材料。通常复合材料的价格大约是常规铝合金材料的几十倍，即便是我们看起来已经很金贵的铝锂合金材料，其价格也比复合材料低得多，所以C919仅为波音737价格的1/2左右。
4.3 航空发动机上的应用
对于航空领域，特别是发动机的结构设计制造而言，高性能系统所需的轻质和耐高温等特性越来越重要。航空发动机产业是指涡扇/涡喷发动机、涡轴/涡桨发动机和传统传动系统以及航空活塞发动机的集研发、生产、维修保障服务于一体化产业集群。新的材料和工艺不断研发以应对新一代航空发动机的发展趋势，尤其是先进复合材料的应用，GE-AEBG公司、惠普公司在制造飞机发动机零部件时都采用了先进复合材料，主要包括风扇出风道导流片、风扇罩、推力反向器等部位。先进复合材料在航空发动机上的应用具体表现在以下两个方面：
4.3.1 陶瓷基复合材料的应用。陶瓷基复合材料是将碳化硅陶瓷纤维与碳化硅基底材料复合后，再涂覆一层专用涂层提升其性能，密度仅为金属材料的三分之一。由于陶瓷基复合材料具有的耐高温属性，因此在发动机流道中使用空气代替，在发动机高温区只需要较少甚至不需要冷却气体，涡轮扇发动机大幅减重，意味着发动机运转效率更高，提高了发动机的性能、耐久性、燃油经济性和高推重比。F-35战斗机使用的F135发动机是有史以来战斗机上安装过的推力最大的喷气式发动机，F135使用了陶瓷基复合材料（CMC），主要用在F135-PW-600喷管的外侧部分。
以GE航空集团为例，陶瓷基复合材料在GE航空集团的技术路线图上是一条关键路径。通用电气航空集团将于2016年新建两个复合材料制造厂，用于碳化硅和陶瓷基复合材料的批量制造，这两种复合材料都是制造喷气式发动机零部件的必备材料。GE公司是所有厂商中第一个决定使用CMC制造旋转叶片的，通过把陶瓷基复合材料叶片安装在发动机上试车，它们已经证明了旋转CMC叶片的性能，这是一个重要的里程碑。
4.3.2 树脂基复合材料的应用。树脂基复合材料具有降噪能力强、耐腐蚀性强、耐疲劳能力好、比模量高、强度高等众多优点。通过将树脂基复合材料应用在航空发动机的冷端结构、反推力装置以及发动机短舱等结构上，不仅能够降低发动机的重量，还能够提高发动机的耐腐蚀性、抗疲劳性以及强度等。例如，JTAGG验证机的进气机匣利用PMR15树脂基复合材料，该种先进复合材料的应用比传统铝合金进气机匣的重量降低了25%。
4.4 新型验证机及无人机上的应用
现代战争理念的改变，使无人机倍受青睐，无人战斗机是未来航空武器的一个重点发展方向。无人机除在情报、监视、侦察等信息化作战中的特殊作用外，还能在突防、核战、化学和生物武器战争中发挥有人军机无法替代的作用。无人机的发展方向是飞行更高、更远、更长，隐身性能更好，制造更加简便快捷，成本更低等，其中关键技术之一就是大量采用复合材料，超轻超大复合材料结构技术是提高其续航能力、生存能力、可靠性和有效载荷能力的关键。和传统的铝合金混合结构相比，以复合材料为结构的无人机，例如“全球鹰”“捕食者”等无人机都采用先进复合材料。以“全球鹰”为例，该种无人机的机翼、尾翼都采用石墨/环氧复合材料，采用该种复合材料制造的无人机，和传统铝合金混合结构的重量相比降低了65%。再如，诺斯罗普・格鲁门公司研发的X-47无人战斗机，为了满足生存力、机动性、隐身性能等特殊要求，该无人机除了接头部位采用了少量的铝合金外，几乎整个机体都采用先进复合材料。依靠复合材料，设计师还可以做出传统金属材料所无法达成的气动力学设计，比如超声速飞行的前掠翼飞机。
5 先进复合材料在航天领域的应用
5.1 卫星和宇航器结构材料
卫星结构的质量会影响对运载火箭的要求以及卫星功能，卫星结构的轻型化设计已经成为卫星结构发展的趋势之一。国际通讯卫星中心的推力桶采用先进复合材料，该种推力桶质量比传统铝结构的质量降低了30%左右，降低的重量可以增加460条电话线路，同时还能够有效地降低卫星的发射费用。欧美国家卫星结构的质量为总质量的1/10，其原因就是大量的应用了先进复合材料。现阶段，我国神州系列飞船、风云二号气象卫星等都采用碳纤维/环氧复合材料，有效地降低了总体重量，同时发射成本也显著降低。
5.2 导弹用结构材料
现阶段，美国已经将先进复合材料作为导弹弹头结构壳体、级间段、仪器舱等部件的主要材料，洛克希德导弹与宇航公司指出，采用碳纤维/环氧复合材料制造的导弹比传统铝结构导弹的重量减轻40%。现阶段，采用先进复合材料的导弹发射筒也被国外发达国家应用在战术、战略型号上，例如，俄罗斯的“白杨M”导弹、美国的“MX”导弹都采用复合材料发射筒。因为先进复合材料导弹发射筒和传统金属结构相比，其结构质量显著降低，能有效地提高战略、战术导弹的灵活性。在战术导弹领域，先进复合材料结构的导弹发射筒更加灵活、应用范围更加广泛。现阶段，我国也研发了先进复合材料结构的战略导弹和导弹发射筒，还研发了先进复合材料仪器舱，有效地提高了战略导弹的灵活性和机动性，应用效果良好。
5.3 运载火箭结构材料
国外发达国家于20世纪50年代开始应用纤维缠绕成型的玻璃钢壳体代替传统的钢壳，例如，美国的“北极星A-3”潜地导弹，采用纤维缠绕成型的玻璃钢壳体，其重量比采用传统钢壳的“A-1”轻了55%左右，随后研发的“MX”“三叉戟1”的三级发动机壳体，全部都采用芳纶/环氧复合材料，该种结构形式的壳体质量比纤维缠绕成型玻璃体壳体的重量减轻了50%左右。随着先进复合材料的发展，其在运载火箭发动机壳体中的应用优势越来越明显，并且先进复合材料被应用在三叉戟Ⅱ、德尔塔Ⅱ-7925运载火箭等型号中。现阶段，我国运载火箭发动机壳体制造业逐渐的开始应用先进复合材料，虽然起步较晚，但是经过40多年的发展获得了巨大的进步，经过多年的研发，已经成功地将芳纶/环氧复合材料、玻璃纤维/环氧复合材料应用在运载火箭发动机壳体中。先进复合材料在运载火箭结构设计中的应用，有效地降低了运载火箭发动机的重量，同时提高了运载火箭发动机的性能。
6 复合材料在航空航天领域的发展前景
先进复合材料的应用已经成为评价航空航天器水平的重要标准，同时也是提高航空航天器结构先进性的重要物质基础和先导技术。由于我国先进复合材料的应用水平和国外发达国家还存在一定的差距，但是我国已经进行大量投入来强化先进复合材料方面的研究，其发展前景良好。未来先进复合材料的发展主要表现在以下四个方面：
6.1 智能化
智能型先进复合材料和结构的研究，能够创造巨大的经济效益和社会效益，智能型先进复合材料在航空航天器外表的应用：在未来航空器表面增加各种传感器，能够对周围环境进行实时、全面、智能的检测，同时为通讯系统、电子战以及雷达系统提供瞬时模态，以此保证航空器能够安全、稳定地飞行。
6.2 多功能化
在减小航空航天器体积的基础上，为了提高航空航天器的突防能力，许多结构部件需要具备多种功能，多功能先进复合材料的应用能够赋予航空航天器新的功能，现阶段，多功能先进复合材料的研究已经从双功能型向三功能型方向转变。
6.3 质量轻、性能高
目前，我国先进复合材料能够减轻航空航天器的质量占总重的20%左右，和国外25%以上的减重效率还存在一定的差距。导致该种现状的原因是我国先进复合材料的整体性能较低，并且结构的整体性相对较差。因此，在未来的发展过程中，应该加强对复合材料强度、韧性以及整体性等方面的研究，研发整体性好、强度高和韧性高的先进复合材料，同时使复合材料的减重率超过25%。
6.4 低成本
成本较高是限制先进复合材料在航空航天领域应用和发展的主要原因之一，为了解决该问题，应该对先进复合材料的制造工艺进行研究，采用科学的制造工艺进行先进复合材料结构、尺寸以及形状的加工和制造，同时采用先进的质量控制技术、自动化技术、机械化技术等，提高先进复合材料的生产效率，提高其成品率，以此降低先进复合材料的成本。
7 结语
综上所述，经过40多年的发展，我国先进复合材料工业逐渐形成了一个完整的体系，并且部分先进复合材料已经成功地应用在航空航天器生产实践中，获得了良好的效果。但是，从整体上来说我国先进复合材料技术水平和发达国家还存在一定的差距。因此，我国先进复合材料研究、研发人员和生产企业应该加快先进复合材料结构、制造技术、生产工艺等方面的研究，同时借鉴国外的先进技术和经验，解决我国先进复合材料在航空航天领域应用的各种难题，以此提高我国航空航天器的各种性能，进一步促进我国航空航天领域的全面、高速发展。
参考文献
[1] 王衡.先进复合材料在军用固定翼飞机上的发展历程
及前景展望[J].纤维复合材料，2014，（4）.
[2] 朱晋生，王卓，欧峰.先进复合材料在航空航天领域
的应用[J].新技术新工艺，2012，（9）.
[3] 吴良义.先进复合材料的应用扩展：航空、航天和民
用航空先进复合材料应用技术和市场预测[J].化工新
型材料，2012，40（1）.
[4] 何东晓.先进复合材料在航空航天的应用综述[J].高
科技纤维与应用，2006，31（2）.
[5] 刘强.碳纤维复合材料在航空航天领域的应用[J].科
技与企业，2015，（22）.
[6] 高琳.智能复合材料在航空、航天领域的研究应用
[J].纤维复合材料，2014，（1）.
[7] 徐倩.航空碳纤维复合材料切削研究[D].北方工业大
学，2010.
[8] 施晶晶.航空复合材料可重入制造过程建模与调度方
法研究[D].南京航空航天大学，2014.
[9] 沈军，谢怀勤.先进复合材料在航空航天领域的研发
与应用[J].材料科学与工艺，2008，16（5）.
[10] 王春净，代云霏.碳纤维复合材料在航空领域的应
用[J].机电产品开发与创新，2010，23（2）.
[11] Yin-hsuan Lee，Chuei-Tin Chang，David Shan-
Hill Wong，Shi-Shang Jang.Petri-net based
scheduling strategy for semiconductor manufacturing
processes[J].Chemical Engineering Research and
Design，2011，89（3）.
[12] El-Khouly I.A.，El-Kilany，K.S.El-Sayed，
A.E.Modeling and simulation of re-entrant flow
shop scheduling：an application in semiconductor
航空航天的未来范文3
进入火星大气层的“好奇”号飞行器，时速达到2.1万千米。展开巨大减速伞后，飞行器坠落时速降到320千米。接着再利用制动火箭，以每小时3.2千米的速度下降。最后以缆绳从飞行器上垂降放下庞大的探测车。当探测车顺利着陆后，飞行器随即飞离。从进入大气层到着陆，整个降落过程被工程团队称为“惊魂7分钟”。
在空中垂降探测车的想法听起来很疯狂，不过这是“轻放”如此庞大的探测车的最佳方式。“2001火星奥德赛”号卫星和火星勘测轨道飞行器构成的美国航空航天局太空通讯网会监控整个登陆过程。这样的登陆任务很难不令人紧张，而紧张可能需要借由花生来消除。美国航空航天局的任务指挥中心有一项传统，会在登陆前打开一包花生，然后传遍指挥中心。这一“幸运豆”的传统可以追溯到1964年的“徘徊者7”号月球近距离拍摄任务。火星任务的总监阿瑟，阿曼达表示：“我们有很多花生，通常任务总监会假定花生不会被消耗完。”
航行8个月半，2.5亿千米的旅程，这位“大男孩”平安到达目的地后，得向地球上焦急的美国航空航天局任务指挥中心报平安。不过，这通长途电话却不简单。
地球和火星的距离为2.5亿千米，即使以接近光速的无线电波，在两星球间传递信息也需要13分钟。这意味着“好奇”号发生状况13分钟后，位于地球的指挥中心才会接到消息，再花13分钟才能将指令送达火星上的“好奇”号。对于在地球上收听实时广播的我们来说，非常难想象这有多困扰。因此，“好奇”号具备一定的自动反应能力，能实时应付在火星上遇到的状况。
另一个大问题是，火星和地球都会自转，要是“好奇”号在火星上的位置背对地球，便无法顺利将电波信号直线传送到地球。对此，两部先前由美国航空航天局发射，环绕在火星轨道上“2001火星奥德赛”号卫星和火星勘测轨道飞行器就派上用场了。
航空航天的未来范文4
美国自以为豪的航天飞机为什么要退役呢?在制定航天飞机计划时，人们赞扬它是一种集火箭、卫星和飞船技术优点于一身的、最经济实惠的新型航天器；同时也一致认为它是一种“巧夺天工”的航天技术大飞跃。但是，经过27年的飞行实践证明，尽管它在载人航天的发展中起到不可磨灭的作用，可也不是一种理想的天地往返运输工具，尤其是“挑战者”号和“哥伦比亚号”的爆炸，5架航天飞机只剩下了3架后，人们普遍认为航天飞机在很多方面都没有达到原定的设计要求，特别是没有能大幅度降低载人航天的费用，而且它的致命弱点是技术复杂、机上结构件和设备老旧、安全可靠性很低，使美国人对航天飞机完全丧失了信心。所以，美国航空航天局早就有淘汰航天飞机、发展新一代乘员航天器的想法。
那么，接替航天飞机任务的将是谁呢?谁来完成今后空间站的运送任务和月球、火星的探险任务呢?对于采用什么类型的乘员航天器，美国航空航天局也有一个认识的过程，经历了三个阶段。第一阶段是在1986年“挑战者”号航天飞机爆炸事故发生后数周，美国总统里根提出了发展空天飞机作为航天飞机的替换品。空天飞机是一种能够以普通飞机的方式起飞，既能在30千米～100千米高的大气层中飞行，执行航空任务，也能直接进入低地球轨道，完成航天任务的飞行器。由于空天飞机的技术难度大，所需投资多，研制周期长，美国航空航天局没有成功的把握，因此于1994年取消了这项计划。第二阶段是起始于1996年6月，美国航空航天局提出了发展x－33航天器的计划。这种航天器与航天飞机很相似，只是它靠自身发动机和内置燃料，无需外挂燃料箱就能进入轨道，其优点是不仅能节省大量人力物力，同时还能节省约90％的发射费用和缩短两次任务之间的准备时间。但此计划也因技术困难和经费超支，在经过5年的研究、耗资12.6亿美元后，于2001年中止了此计划。第三个阶段是在“哥伦比亚”号航天飞机发生事故后，美国航空航天局又宣布了发展轨道载人航天器的计划，这个轨道航天器比现在的航天飞机小巧，仅能乘坐4名航天员，优点是其准备升空的时间较短。主要执行两项任务：一是运送航天员到国际空间站，=是充当备用救生船，以便空间站发生紧急情况时航天员逃生使用。2003年，当轨道载人航天器正在紧张研制之际，对于新一代载人航天器是采用太空舱式结构还是采用带机翼的飞机式结构发生了争论。经过对两种结构的比较，人们普遍认为俄罗斯的“联盟”号飞船是目前世界上最安全的飞船，飞行36年仅发生过两起重大事故，因此很多人转向建造太空舱式载人航天器的一面，最终的结果是决定采用飞船式的结构。为了重返月球，一些人提出采用类似于阿波罗飞船的结构，其优点是阿波罗飞船结构不仅简单和安全，生产和使用的成本都比较低。而且，阿波罗飞船经过登月的实践考验，是一种比较成熟的技术，采用这种技术可以大大缩短开发研制的周期和经费。最后，在2006年8月31日，美国航空航天局正式宣布选用洛克希德一马丁公司提出的新一代载人航天器“奥赖恩”，这个圆锥状的飞行器将承担美国航天员未来重返月球乃至登陆火星的飞行任务，此举标志着美国新一阶段载人航天计划正式启动。
新一代载人航天器“奥赖恩”是一个混血儿，它采用了“水星”飞船的火箭发射和返回方式、“阿波罗”号飞船的外形、航天飞机可重复使用的技术。它在继承了其前辈优点的情况下，融入了计算机、电子、生命支持、推进系统及热防护系统等领域诸多的最新技术，在性能、可靠性和轨道工作能力等方面明显技高一筹。与它的前辈比，它有以下几个突出的优点：
1 更可靠、安全
与现在的航天飞机相比，“奥赖恩”的安全性能大大提高。首先，在发射时，“奥赖恩”是将乘员舱安置在航天器的顶部，远离了容易出现问题的推力引擎和燃料箱，这样航天员就不用担心发射过程中泡沫绝缘体或是其他脱落碎片撞击航天器而引起航天器的爆炸了。第二，在这种新型的航天器里有一个“发射中断系统”，如果航天器在发射过程中发生爆炸或者故障，地面指挥中心的一套计算机系统将能够自动发射一枚火箭撞击航天器，使乘载着航天员的太空舱弹离航天器。接着，这个太空舱会垂直降落，一段时间后舱上的降落伞将自动打开，使太空舱溅落在海面上或者降落在陆地上，从而大大增强航天员生存的机会。第三，它的外形为圆锥状，这种形状被认为是航天器重返地球大气层时最为安全可靠的外形设计。美国航空航天局认为，采用这些措施后，“奥赖恩”的安全系数将是现在航天飞机的10倍。航天飞机的失败几率是1:200，而“奥赖恩”是1:2000。
2、性能更强
“奥赖恩”的外表看上去与当年登月的“阿波罗”号飞船很相似，故有人说它是2.0版的“阿波罗”飞船。但是，它们之间是有很大差别的，“奥赖恩”只是选择性地吸取了阿波罗计划中可取的部分，而在很多方面进行了技术改进，表现在：1)“奥赖恩”号有5米宽，重量达到25吨，最多可容纳6名航天员，而“阿波罗”飞船则远比它小，一次只能搭乘3名航天员；2)“奥赖恩”配备了太阳能电池板，这将大大减少飞行器对燃料电池和普通电池的需求；3)“奥赖恩”使用了降落伞和气囊相结合的降落设计，使载人舱在落地后还可重复使用，另外也节省了在海上降落的昂贵搜救成本，“阿波罗”飞船只能溅落在海上；4)“奥赖恩”由高科技合成材料制成，重量降低，运载量更大，生存和生活环境更优越；5)“奥赖恩”携带的燃料比“阿波罗”多，这样航天员可以到月球表面的任何地方，而“阿波罗”仅携带了可在月球赤道着陆的燃料；6)“奥赖恩”上的计算机功能强劲，其内装的自动驾驶仪可保障飞行器自动绕月运行，所有4名航天员均能降落到月球表面；7)“阿波罗”飞船只能使用一次，但“奥赖恩”按照设计方案可重复使用10次，这样大大降低了每次发射的成本。
3、可承担多种探险任务
航空航天的未来范文5
关键词：复合材料；制造装备；应用；发展趋势
复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。先进复合材料自问世以来，由于其轻质、高强、耐疲劳、耐
腐蚀等诸多优势，在航空、航天、造船、汽车和风电等工业领域得到高度重视，而且这种趋势仍在继续。如图1所示。先进复合材料应用机结构中可减重20%～30%，因此复合材料在军民用飞机上的用量逐年增加，大型飞机尤为突出（A380用
60.5吨、占25%，787用25吨、占50%）。且其装机应用水平已成为现代航空装备先进性的标志。
图1 国外飞机的复合材料用量年谱
先进复合材料最近10年在航空航天、汽车、船舶、风电上井喷式的应用，已经证明了先进复合材料在未来航空航天、汽车、船舶、风电等领域的重要地位。先进复合材料制造装备显的尤为重要，自动化制造、检测装备可增加复合材料用量、提高制造技术水平、保证产品质量和降低成本的关键，是武器装备用复合材料构件快速研制与大批量稳定生产、实现敏捷制造的必由之路。
一、复合材料制造工艺及主要设备
先进复合材料装备是重要的基础制造装备之一，其水平从一个方面反映了国家制造装备的整体水平。目前，复合材料装备制造技术已发展成为集材料、冶金、结构、力学、电子等多学科为一体的先进技术。
复合材料制造装备工艺及检测方法主要有：手动铺层、预浸料和预制体成型、纤维缠绕成型、自动铺带（ATL）、自动丝束铺放、热压罐固化成型、三维缝合成型、复合材料液体成型、隔膜成型、复合材料制件加工及装配、复合材料自动化无损检测等。
与复合材料制造装备工艺及检测方法相对应的制造装备主要有：预浸料制造装备、预浸料自动裁剪设备、预制体成型装备（如图2所示）、纤维缠绕成型设备、自动铺带、自动铺丝机（如图3所示）、热压罐成型装备、三维缝合成型装备（如图4所示）、复合材料液体成型装备、隔膜成型装备、机器人制孔系统、自动钻铆设备、超高压水切割设备、超声C扫描检测系统等。
图2 国外预制体成型装备
图3 Viper6000大型ATP机，代表了当今自动丝束铺放最高水平
图4 美国研制三维缝合成型装备
二、复合材料制造检测装备的应用
复合材料制造检测装备在航空航天、汽车、船舶及风电等领域的应用之处如下：
（一）预浸料制造装备、预浸料自动裁剪设备、纤维缠绕成型设备、自动铺带机、自动铺丝机。适用于各种复杂零部件的成型制造，例如航空航天器中采用复合材料的垂尾、腹鳍、空中受油飞机的S型受油管；直升机机身结构件（尤其是大开口构件）、纵列式重型直升机协调轴；轻型飞机机身；S型进气道、发动机机匣；大开口卫星承力筒、构架式卫星构架节点接头、大型运载火箭壳体、带裙固体火箭发动机以及民用氧气瓶、压力容器等复杂型面零件。汽车结构件、功能件、覆盖件的成型制造。船用螺旋桨、船体部件的成型制造。风电领域大叶片的成型制造。
（二）热压罐成型装备。热压罐可用于金属/非金属胶接构件和树脂基高强度玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维等复合材料制品。如飞机舱门、整流罩、机载雷达罩，支架、机翼、尾翼等，汽车结构件、功能件、覆盖件；船用螺旋桨、风电领域大叶片等。
（三）三维缝合成型装备。适用于各种复杂零部件的预成型制造，例如航空航天器中采用复合材料的垂尾、腹鳍、空中受油飞机的S型受油管；直升机机身结构件（尤其是大开口构件）、纵列式重型直升机协调轴；轻型飞机机身；S型进气道、发动机机匣；大开口卫星承力筒、构架式卫星构架节点接头、大型运载火箭壳体、带裙固体火箭发动机以及民用氧气瓶、压力容器等复杂型面零件。汽车结构件、功能件、覆盖件的预成型制造。船用螺旋桨、船体部件的预成型制造。风电领域大叶片的预成型制造。
（四）机器人制孔系统、自动钻铆设备。可用机的机翼、机身、舱口、尾翼及机身的加工及连接。
（五）超高压水切割设备。可用机制造中的复合材料壁板切割的切割。
（六）超声C扫描检测系统。航空航天、汽车、船舶和风电领域中采用复合材料制作的构件（尤其是大型复杂曲面）进行检测。
三、国内外发展现状
目前，在国外，复合材料制造、检测装备已经达到实用阶段，如美国辛辛那提机床公司Viper6000大型ATP机，代表了当今自动丝束铺放最高水平。德国凯尔曼特种机械制造有限公司是世界上唯一生产复材缝合设备的制造公司，拥有多项专利技术，也是目前世界航空航天工业领域复材缝合加工设备市场占有率高达95%以上的企业。世界各大航空企业都是凯尔曼的客户，从欧洲的空中客车公司，欧洲直升机公司，美国的波音飞机公司到中国的哈尔滨飞机制造集团，北京的航空制造工程研究所都是他们的客户，都应用凯尔曼的设备生产最先进的复材轻型节能飞机。意大利特鲁兹公司的热压罐已经被用于欧洲阿丽亚娜火箭和空客A380，A320，A316和A400M军用运输机的复合材料部件制造，迄今特鲁兹已为用户提供600多套热压罐，并已进军中国。
目前，国内复合材料低成本产业起步较晚，技术水平较低，特别是高端的航空航天产品的低成本制造，目前仅停留在实验阶段，这也从一个侧面反映出我国复合材料产业的总体现状和水平。虽然复合材料加工的中小型民营企业数量巨大，但都普遍存在诸如生产工艺落后，产品多为来样加工，缺乏自主设计能力，无严格的质量检验体系，生产过程对空气污染严重，生产环境恶劣，工人缺乏必要的防护服等着一系列的问题。国内主机场、航空发动机厂商使用复合材料制造、检测装备全部靠国外进口，成本相当昂贵。
四、前景分析
在航空航天和国防工业领域中，航空材料专家曹春晓院士指出：50%复合材料是新型飞机复合材料用量的起点，飞机用材料正由铝合金时代进入复合材料时代。中国商用飞机有限责任公司专家咨询组2008年9月10日的咨询报告指出：“复合材料应用是当代大型民机的一项关键技术，大量使用复合材料是减轻结构重量、提高结构效率，提高民用飞机的经济性、舒适性，体现先进性的重要举措。”我国大型客机C919基本型的复合材料设计用量2014年为15%、2016年达到23%，接近A380复合材料用量25%的水平。
在汽车领域中，随着汽车复合材料应用水平的不断提高，复合材料单车用量将逐渐增加。2010年我国汽车工业所需塑料、复合材料总量约为72.2万吨，2015年将达到150-180万吨。随着成形技术与装备的不断发展，复合材料汽车零部件在汽车领域的应用将日益扩大。
在船舶领域中，到目前为止，大中型船艇的船体和上层建筑等多采用玻璃钢制造，而高性能船舶，如军舰等也开始逐渐采用先进复合材料进行生产和制造。船舶上使用复合材料的比例逐渐升高，制造的复合材料船舶也越来越大，并且力学性能要求比较高的螺旋桨也开始采用复合材料制造，复合材料在船舶与海洋行业的发展趋势正在不断的加速。
在风电领域中，随着风机容量增加，叶片长度不断增大，同时对叶片的制造技术及叶片的材料会提出新的更高要求，比如，随着叶片长度的增加，高性能碳纤维的用量会越来越多。风电行业上的应用，风机正在向着大型化发展，相应地对叶片材料也提出了更高的要求，复合材料高比强度、高比刚度特性满足了风机叶片对强度和刚度的要求。风机的用材也正由玻璃钢向碳纤维复合材料或混合复合材料转变，风电行业的快速发展，对复合材料的需求也会越来越大。
五、结束语
先进复合材料在航空航天、汽车、船舶、风电上井喷式的应用，已经证明了先进复合材料在未来航空航天、汽车、船舶、风电等领域的重要地位。先进复合材料制造装备可保证材料的用量、制造技术水平、产品质量和降低成本，先进复合材料制造装备的重要性不可忽视。
目前，复合材料制造装备，在国外，已经达到实用阶段；在国内仅停留在实验阶段。国内几乎所有的复合材料制造装备全部为进口。所以紧跟国际最新发展趋势，成为达到国内领先、国际一流技术水平的复合材料制造装备，最大限度的推动航空、航天、汽车、船舶、风电等制造业发展，提升国家综合实力。
航空航天的未来范文6
并购背后
在2011年用户大会上，LMS公司宣布LMS的中国市场发展迅速，新增业务已经占到全球的18％，2012年LMS中国的目标是达到25％。
从LMS近年来的发展来看，这个目标绝非口号。
2007年，LMS并购法国Imagine公司，使其从早期的试验和NVH(振动噪声)仿真领域，拓展到三维仿真，再到一维仿真：2010年，并购美国Emmeskay公司，实现了“基于模型系统工程的仿真”，帮助企业实现复杂产品的机械系统和控制系统；2011年8月，LMS成功收购比利时SAMTEOH公司，进一步深化LMS公司在航空航天领域的仿真技术优势。
SAMTECH是欧洲领先的CAE解决方案开发商，其软件被公认为线性和非线性力学仿真领域中的标杆，并拥有优秀的复合材料仿真分析解决方案：在过去的二十几年中，SAMTECH在航空航天和风力发电领域的成绩斐然，从技术产品的角度来看，SAMTECH公司的仿真技术与LMS公司的仿真技术有着极大的互补。SAMTECH公司过去约80％的业务主要集中在欧洲，并购后，通过LMS的全球销售力量，能够帮助SAMTECH将原有的在欧洲开发出来的成熟解决方案迅速推广到全球。可以看到，通过五年来的三次并购，LMS公司的产品覆盖领域逐渐加大；在销售方面加强在不同地区的销售力量，并逐步完成不同行业领域解决方案的拓展，使其LMS优势从汽车制造业扩展到航空航天领域，进一步增强了LMS公司的核心竞争力。
创新驱动
LMS是一家将创新作为驱动力的公司，其中包括了产品技术和服务上的创新，以更好地满足客户需求。目前，机电产品的复杂程度越来越高，如汽车，既要求具有很好的舒适性，又要求降低油耗和排放，而且其电控系统越来越多、越来越复杂，若基于传统流程进行产品开发，开发成本会增加很多，开发周期也会变长。因此，LMS推出基于MBSE的系统级解决方案：MBSE面向开放的多物理领域、多性能属性和系统级集成，将产品开发流程中的仿真分析进一步向上游前移，使用户在设计早期就可以综合考虑产品的一维模型，三维模型、试验模型、控制模型等，即在概念阶段就更好地优化复杂产品的架构，使得大量的机械系统，电控系统设计问题得以在早期得到发现和解决。
