特別策劃
作者：陳亞莉
飛機與材料的關係，很像美麗的DNA式的雙螺旋，呈交替“攀比”似的螺旋上升。飛機性能的提升對材料技術提出日新月異的需求，反之材料技術領域的不斷突破，又成為一代又一代新飛機誕生的催化劑。從這個意義上講，說“一代材料，一代飛機”，並不為過。
航空材料的變遷
航空材料是一個不斷發展、品種和牌號眾多的體係。飛機材料的選擇根據設計思想以及材料技術的發展，曾出現過5個各具特色的發展階段。
第一階段，從1903年到1919年，飛機設計準則是按靜強度設計。當時的飛機主要結構以木材和帆布（亞麻或棉布）蒙皮製造，除了個別連接件和發動機，幾乎沒有什麼金屬材料。這一點從萊特兄弟的“飛行者”上可以清晰看出。
第二階段，從1920年到1949年，飛機設計中開始融入安全壽命設計準則。飛機材料逐漸過渡到以鋁合金和鋼材為主的全金屬單翼飛機。
第三階段，從1950年到1969年，這一階段飛機設計準則從安全壽命轉向破損安全。飛機開始采用高強高韌抗疲勞材料。除鋁、鋼外，還出現了鈦合金，使飛機先後突破了聲障和熱障。可以說，如果沒有鈦合金，就沒有飛行速度達到三倍聲速的SR-71“黑鳥”。
第四階段，從1970年到20世紀末，飛機開始采用損傷容限設計準則，高強高韌耐蝕抗疲勞結構材料逐漸得到應用。民用飛機仍以鋁合金為主，但鈦合金及複合材料開始出現，軍用飛機上鋁、鈦、複合材料獲得廣泛應用。
第五階段，從21世紀初起，複合材料開始在飛機材料中占據主導地位，其結構重量百分比甚至超過了50％，有人說航空複合材料時代已經到來。
曆史經驗表明，一個出色的總體布局，離不開對材料的合理選擇。合理的選材，直接影響飛機的戰術性能、設計定型進度、生產可行性、壽命和可靠性等，也直接導致飛機結構效率的提高、重量的減輕、推重比的增加、機動性的改善、載重量的提高以及航程的增大等一係列結果。這些在從第二代飛機到第四代飛機的設計中均有明顯體現。
材料選擇的總體要求
航空材料的更新換代與飛機設計的發展是同步進行的，而設計準則的變化也直接影響著飛機設計及材料的選擇。這也就是我們通常講的：一代準則，一代設計，一代材料。
飛機的選材必須要滿足幾個方麵的要求。首先，飛機材料要能滿足型號設計的戰術技術要求，在選材前必須弄清飛機使用包線、飛機壽命、使用環境、過載、飛行速度和飛行高度等一係列指標；同時，對具體構件來說，還應進一步掌握其載荷狀況、連接關係和工作環境等細節情況。根據上述要求結合材料的不同特點，進行合理選擇，以便提高結構效率。其次，飛機選材必須從整個研製周期進行考慮。如果原型機設計進度很重要，那麼對一些風險大而又不可能按設計周期來完成的材料研製項目，即使有發展前途也可能不能選用。最後，飛機的選材還要滿足製造經濟性要求。設計師需要保證飛機材料在整個批生產期間內均能符合成本效率原則。一般認為選材時隻要強調重量輕就意味著能降低成本，實則不然，事實上過分強調重量輕反而會造成費用的上升。因此費用低加上重量輕才是應有的真正準則。經濟性要求在國外飛機設計中是一個重要的衡量指標。美國在選擇飛機結構材料時認為，大型亞聲速運輸機的材料費用為50美元/磅（1磅=0.454千克），而超聲速戰鬥機為250美元/磅。隨著今後航空工業的發展，經濟性指標仍是選材需要遵循的必要原則。除了與材料重量有關，經濟性還受新合金的選用、材料工藝的特性、壓縮材料的品種和規格、材料選用的繼承性等因素影響。
上述幾點看起來容易接受，但在實際應用中往往被忽視。另外，在結構設計中，材料選擇的合理性與許多細節因素有關，使這種選擇通常很複雜且往往與具體結構的類型和使用環境、工藝水平等有關。
影響飛機選材的細節因素
選擇飛機結構材料的主要目的，在於保證飛機的結構完整性並能承受最大的載荷。權衡飛機效能的手段之一是全重與載荷之比。在改進整個結構效能時，設計特性和材料選擇參數必須作為一個整體來考慮，使材料的綜合性能、加工性能和成本都達到適當的水平。
飛機設計經常遇到的麻煩是重量問題。因此，設計師會想方設法提高結構效率。在飛機設計中常用強度比來衡量不同材料的結構效率，這種方法雖然多數時候有效，但隻能部分解決最佳結構效率的問題，因為該方法在實際應用中僅限於受純張力載荷的框架部件，對於一些其破壞往往是由彎曲或折損引起的飛機構件如控製杆、長桁、蒙皮、扭力杆、地板、蜂窩夾層板等，則應該用抗壓強度重量比來衡量。剛度是結構材料的另一重要參數，它可作為剛性結構的選材依據，通常用彈性模數重量比來衡量。而在考慮某些構件局部失穩時，又要重點考察材料的屈服強度和屈服強度以上的應力-應變關係。可以看到，由於飛機構件承受著多種載荷，且連接情況又不同，所以有時就必須將材料的幾個參數同時考慮，至於哪個為主，就得根據構件進行具體分析。