飛機(jī)“五臟六腑”都有紡織品

“嫦娥五號(hào)”成功完成無(wú)人月面采樣返回任務(wù)，著陸器在月球上實(shí)現(xiàn)了升國(guó)旗，這面國(guó)旗是武漢紡織大學(xué)徐衛(wèi)林院士團(tuán)隊(duì)研制的，它突破了中國(guó)深空探測(cè)無(wú)溫控條件、有色紡織品無(wú)法正常使用的歷史，引發(fā)了社會(huì)和媒體的廣泛關(guān)注（長(zhǎng)江日?qǐng)?bào)曾有報(bào)道）。

其實(shí)，不只是國(guó)旗，航空航天到處都有紡織品的身影。“千百年來(lái)，對(duì)于紡織品，大多數(shù)人的印象還停留在服裝家紡上，可是，紡織品早都可以上天入地了，幾乎無(wú)所不能。”哪些紡織材料可以用在航空航天？這些紡織品有什么優(yōu)勢(shì)？中國(guó)工程院院士、紡織工程專家徐衛(wèi)林?jǐn)y新書《航空航天紡織品探測(cè)》解密紡織材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用。

幾千年前的紡織品，科技含量不低

20世紀(jì)70年代，長(zhǎng)沙馬王堆漢墓出土了一件素紗襌衣，這件衣服很寬大，可重量不足一兩，是迄今所見(jiàn)最早最薄最輕的服裝。今天的專家試著復(fù)制它居然花了13年。紡織工程專家徐衛(wèi)林評(píng)價(jià)，一般衣服要保暖、蔽體，而這件素紗襌衣產(chǎn)生了紡織的其他功能，老祖宗幾千年前的紡織品居然已有“科技含量”。

中國(guó)的神話故事也很令人驚嘆。東晉年間，神話志怪小說(shuō)集《拾遺記》中對(duì)航天服的雛形進(jìn)行過(guò)描述。相傳，西海上空曾經(jīng)出現(xiàn)了一艘飛船，從飛船上下來(lái)五六個(gè)人，穿著銀色的衣服，身體碩大無(wú)比，一段時(shí)間后，該飛船便消失不見(jiàn)，了無(wú)蹤影。這個(gè)銀色的衣服，是不是和我們現(xiàn)在的航天服很像？當(dāng)然，這些描述都是小說(shuō)情節(jié)，無(wú)據(jù)可查，也無(wú)從考證，但是卻加速了人類航天科技及航天服的研發(fā)。

無(wú)獨(dú)有偶，在1500年以后，法國(guó)著名科幻作家凡爾納在其小說(shuō)《從地球到月球》中，也生動(dòng)地描述了宇宙航行的情節(jié)。從那時(shí)起，凡爾納就聯(lián)想到人類如果要想在太空中行走，需要具備特殊防護(hù)功能的裝備。然而，當(dāng)人類于20世紀(jì)30年代初首次進(jìn)行高空飛行后，才意識(shí)到航空航天服是必不可少的裝備之一。

航天器不只金戈鐵甲，紡織品無(wú)處不在

 

不知道你是否留意過(guò)，在2014年巴西世界杯賽場(chǎng)上，總是有一個(gè)影子在場(chǎng)間晃來(lái)晃去，仔細(xì)看的話會(huì)發(fā)現(xiàn)那是一艘小型的拍攝飛艇。毫不夸張地說(shuō)，飛艇90%的材料都是紡織品。第一次世界大戰(zhàn)中，德國(guó)飛艇號(hào)稱“子彈都打不穿”，其實(shí)完全是謠言，因?yàn)樗怯蓙喡椴肌⒔z綢和棉布的外包蒙皮，是不可能防彈的。

飛在天上的，平日里老百姓接觸最多的是飛機(jī)，座椅套、地毯、安全帶、救生衣是最直觀的紡織制品，這些就是紡織品的全部嗎？并不是，在飛機(jī)的“身體”各處都有紡織材料。

別看飛機(jī)是“合金大家伙”，其實(shí)“五臟六腑”都有紡織品。比如飛機(jī)的“心臟”——發(fā)動(dòng)機(jī)，里面就用到了高性能的蜂窩結(jié)構(gòu)材料，起到吸聲降噪作用，還能抵御硬物。飛機(jī)的“胃”——吊艙，用處是把發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)翼連接的結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)設(shè)備、管線路在內(nèi)的部件全都“吃到肚子里”，這個(gè)“胃”主要就是紡織復(fù)合材料。飛機(jī)還有一個(gè)“脂肪層”，就是飛機(jī)的隔熱層，一般也是用蜂窩結(jié)構(gòu)的紡織復(fù)合材料做的，不光能減輕重量，還能解決熱膨脹問(wèn)題。飛機(jī)的“皮膚”——蒙皮也用到紡織品，早期飛機(jī)的蒙皮是帆布，后來(lái)以金屬薄片居多，但是比較重；現(xiàn)在越來(lái)越多用合金和復(fù)合材料，內(nèi)部用泡沫夾層或者蜂窩夾層，又隔熱又堅(jiān)固。還有飛機(jī)的“腳”——輪胎，抵抗著陸時(shí)的巨大沖擊不光是對(duì)橡膠有要求，對(duì)簾子布也有要求，簾子布就相當(dāng)于飛機(jī)的“腳掌骨”，是一種機(jī)織布做的。

你有沒(méi)有聽(tīng)說(shuō)過(guò)民用飛機(jī)救生滑梯被乘客意外放下，因而面臨不菲罰款的報(bào)道？這就很讓人納悶了，就只是開(kāi)一個(gè)充氣滑梯，怎么有這么重的處罰？傳統(tǒng)的救生滑梯一般采用橡膠涂層，成品率不高，而且橡膠易老化，目前我國(guó)民用飛機(jī)的救生滑梯大多采用的是熱塑性聚氨酯橡膠與織物復(fù)合而成，還要經(jīng)過(guò)聚氨酯涂層的摩擦系數(shù)、抗靜電涂層和熱反射涂層等復(fù)雜工序，造價(jià)很高。所以說(shuō)救生滑梯是很薄弱的一環(huán)，不能隨意放下。

飛行員穿的高空代償服、跳傘服、抗荷服、液冷服等也是紡織品。高速飛行中，血液會(huì)聚集在下肢，這對(duì)飛行員來(lái)說(shuō)很危險(xiǎn)，因?yàn)榇竽X和心臟容易缺血，暈厥或者喪失意識(shí)都容易發(fā)生。所以飛行員穿的衣服必須是“黑科技”。比如說(shuō)充液式雙層抗荷服，外層是不可伸縮的材料，夾層埋藏注有液體的管子，內(nèi)層是防水隔膜。注有液體的管子可以連接身體的各個(gè)部位，在一定條件下，這些液體和血液一樣，會(huì)聚集到下肢，對(duì)應(yīng)的部分面料就膨脹起來(lái)，對(duì)下肢產(chǎn)生額外壓力，迫使血液返流回心臟和大腦。

火箭和導(dǎo)彈中也有紡織材料，這聽(tīng)起來(lái)匪夷所思：航空航天的環(huán)境那么復(fù)雜，高速運(yùn)行下，飛行要經(jīng)歷嚴(yán)酷的高溫環(huán)境，紡織品豈不是很快就完蛋了？其實(shí)不稀奇，紡織材料輕，柔性又好，還能耐腐蝕。像火箭在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)需要確保儀表、電纜正常工作，一些柔性材料包裹在外面可以降溫隔熱，這些“柔性材料”大部分是紡織品，像單層玻纖布，可以讓內(nèi)外溫差達(dá)到47℃；如果用兩層玻纖布+兩層硅橡膠布+兩層鍍鋁薄膜，那么可以讓隔熱系統(tǒng)內(nèi)外溫差達(dá)到232℃。如今，航天服、代償服、降落傘、內(nèi)飾材料、飛機(jī)、飛艇、火箭、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、宇宙飛船、太陽(yáng)能電池板、雷達(dá)天線罩等都用到了紡織材料。

 

 航空航天材料的方向：輕，越來(lái)越輕

錢學(xué)森曾說(shuō)，航天器一個(gè)零件減少一克重量都是貢獻(xiàn)。這足以說(shuō)明材料的輕量化在航天領(lǐng)域多么重要。“輕量化不僅是航空航天材料和設(shè)計(jì)的根本，更是決定了飛行器運(yùn)載能力的關(guān)鍵。”

航空航天結(jié)構(gòu)材料發(fā)展不是一帆風(fēng)順的，其中出現(xiàn)過(guò)嚴(yán)重事故，有些事故就與結(jié)構(gòu)材料有關(guān)，比如說(shuō)1986年，美國(guó)的“挑戰(zhàn)者號(hào)”航天飛機(jī)在飛行過(guò)程中發(fā)生了爆炸，主要原因是固體發(fā)動(dòng)機(jī)連接處的密封材料失效，這就導(dǎo)致了7名機(jī)組人員全部遇難。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在1954年到1995年間，由于結(jié)構(gòu)問(wèn)題導(dǎo)致的飛機(jī)事故總共有67起，而其中大部分事故和結(jié)構(gòu)材料的性能有關(guān)，所以說(shuō)，結(jié)構(gòu)材料在航空航天中的重要性引起了世界各國(guó)極大的重視。

近些年來(lái)，人們對(duì)結(jié)構(gòu)材料的性能要求越來(lái)越高，最好還能節(jié)約成本。人們就慢慢發(fā)現(xiàn)，其實(shí)紡織材料可能是最佳選擇，因?yàn)樗谛阅?、結(jié)構(gòu)、成本上都非常優(yōu)質(zhì)。木材承受不了高溫；鋼鈦材料導(dǎo)熱性差又重，鋁合金材料剛性差又不耐磨，聚合物復(fù)合材料的耐輻射和抗老化性能又差。

經(jīng)過(guò)多方對(duì)比，人們發(fā)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料不錯(cuò)，所以常用于人造衛(wèi)星、太陽(yáng)能電池板以及一些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部位。而且這也是一個(gè)經(jīng)濟(jì)化的問(wèn)題，從成本考慮，根據(jù)權(quán)威資料，航天運(yùn)載器一旦起飛，每重1千克產(chǎn)生的費(fèi)用最高就要增加3萬(wàn)美元，而導(dǎo)彈發(fā)射產(chǎn)生的費(fèi)用還要更高。

所以現(xiàn)在高性能的纖維材料尤其是碳纖維材料很“吃香”。2020年，全球樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合材料占全球復(fù)合材料市場(chǎng)基體材料80%以上，而且其中50%的客戶是航空航天領(lǐng)域。全球碳纖維材料的需求量在逐年遞增，預(yù)計(jì)2030年將達(dá)到40萬(wàn)噸。所以說(shuō)，紡織材料是航空航天領(lǐng)域的一種必然選擇。

不過(guò)也有例外。美國(guó)的馬斯克的space X公司對(duì)外就宣稱，將采用不銹鋼而非常規(guī)的碳纖維材料來(lái)制造巨型火箭。2019年1月10日，馬斯克在推特上發(fā)布了一張新建火箭測(cè)試版的照片，他稱之為“啤酒花”，艦體及超重型助推器不用碳纖維材料，而是用300系列不銹鋼取代，那么不銹鋼比碳纖維材料更輕更結(jié)實(shí)嗎？

當(dāng)時(shí)《大眾機(jī)械》主編對(duì)馬斯克做了一個(gè)專訪。馬斯克說(shuō)，他對(duì)材料改為特種不銹鋼的問(wèn)題考慮了很久，還花了很大力氣來(lái)說(shuō)服團(tuán)隊(duì)成員。他計(jì)算，碳纖維成本為每千克135美元，并且在加工過(guò)程中差不多有35％的損耗，這樣算下來(lái)，使用碳纖維的方案中，每千克大約需要200美元；而使用不銹鋼的方案中，每千克只要大約3美元。在重量方面，馬斯克說(shuō)，盡管它看起來(lái)似乎很重，但事實(shí)上卻很輕，而且“不銹鋼材料在低溫下的強(qiáng)度甚至?xí)瘸叵绿岣?/span>50％左右”。他選用的是301不銹鋼。

文章摘自：人民融媒體