飞机是用什么材料制成的？（上）

希弦

一百多年前飞机初上蓝天之时，还属于手工作坊的产物，而那一批航空先驱们，既是飞机的设计者，也多是飞机的制造者和试飞者。在这些“航空匠人”的手中，历经一次次修修改改、一次次起起落落，飞机也从最初的蹒跚起飞、贴地飞行几十米，到“像鸟儿一样飞翔”，飞得更远、更高、更快。

不论是从自行车铺起家的莱特兄弟（图中即为他们的“飞行者一号”与试飞场地边的工坊），还是全美摩托车赛冠军的格伦·寇蒂斯（Glenn·Curtiss），他们的动手能力都很强，都有自己的作坊，设计制造出的飞机也都是他们自己来“以身犯险”试飞

人类在对飞行的最初认识中，不论是从观察鸟类飞翔的仿生学角度，还是从当时稍显粗糙的吹风洞、空气动力学理论，就“飞机要造得轻”这一点早已达成共识。而用来造飞机的材料之所以选择了木材，一方面是因为木材作为天然材料，一直以来是人类文明史中无可替代的存在;另一方面在于木材选得好的话，就能把飞机造得又轻又有一定强度，同时还有易于加工的优点。

并不是所有木头都能用来造飞机

以今日视角来看，用天然的木材来造飞机已成为过去一百多年来航空史上一个延续至今的传统。从航空先驱们的手工作坊时代，到一战初露峥嵘的军用飞机，再到二战“蚊”式轻型轰炸机所代表的“木制的传奇”，这种延续使战后的“木飞机”成为了一种航空复古风尚，在广大飞行爱好者中占据着独特的地位，或是购买套件组装，或是按照图纸自己来施工建造。

说到“木飞机”，在今天的我们的笼统印象里是木材、帆布和钢丝（金属件）的组合，但细观之，在“木材”这一块上又是极为讲究和严苛的。航空级木材必须具备多方面优点，比如木纹平直，无节痕，强度大、质量轻，心材边材匀称，不吸水，易胶合等，所以只有限定的几个树种能被选用建造飞机。

一百年前的这般场景，今天的我们很难将其与一座飞机制造工厂联系到一起

以莱特兄弟完成“第一飞”的“飞行者”来看，用材最多的是北美云杉。机身、两翼间撑杆和其它结构部件的所用木材都是这种直纹、无结，且木材的每英寸宽度都大于14 年轮的北美云杉;飞机上的一些拉杆、升降舵、控制臂等对强度有着一定要求的部件，则由白蜡木制成;机上的一些滑轮则是就地取材，以黄杨木做的旱冰鞋鞋轮来代之。另外，“飞行者”上还用蜡麻线来捆绑固定飞机框架，还有钢棒、钢带和控制线缆等为数不多的金属件。

时至今日，云杉依旧是公认的建造飞机的天然理想材料之一，它有着绝佳的强度/ 重量比。虽然在美国联邦航空管理局（FAA）的官方通告中也推荐了西部铁杉，它的强度比北美云杉要高14%，可以部分取代“老牌”的云杉，只是它比云杉重。如今不论是云杉还是铁杉，寻找、砍伐这些特定品类的木材越来越困难。本世纪以来航空级木材的价格不断飞涨，这成为近年来“极客”飞机爱好者再造“木飞机”时遇到的大难题，有的只能退而求其次选择“胶合板”了。

造一副木质螺旋桨有多不容易？

翻看近一个世纪前的我国近代航空工业史料，当时对造飞机的木材选择有因地制宜的综合考量，并记录下了这些国产木材可堪一用：云杉，飞机结构材;核桃木，螺旋桨材;桦树，层板及螺旋桨材;槭树、丁木，层板材;泡桐，飞机填充及整形材。另外，不论是从文献记载还是史实情况来看，我国还有用竹子做飞机材料的创举，如用竹子做了上万个飞机的外挂副油箱，文献记录的这种强度大且合用的竹子是慈竹和楠竹。

对于一些飞行爱好者来说，买现成的套件来组装飞机就显得不够“极客”了，所以今天我们还能看到图中这般的——退休工程师在自家车库里按照图纸全程自己动手制造。既然是“极客”了，那么造飞机的木料必然是“高端”的云杉了，只是云杉的价格早已金贵，毕竟它也是造吉他等乐器的好材料

左图，1963年新中国航空工业的第一批木質螺旋桨装上了初教-6（当时名为“红专502”），但木质螺旋桨的短板注定了金属桨叶是发展趋势。右图，1964年新中国的第一副金属桨叶，“奋发”530金属螺旋桨

“云杉鹅”作为最大的木制飞机，计划能够运载约68吨（15万磅）货物或750名全副武装的士兵或2辆30吨的M4“谢尔曼”坦克。支撑起这般雄心的是它巨大的体量（凭借97.82米的翼展，其占据翼展最大的飞机榜首达70余年），从机顶人员与“云杉鹅”的对比即可管窥一斑。而置身建造中的“云杉鹅”的机体内，一个个巨大的桦木胶合板机身框，一圈圈让人眩晕

新中国成立后的航空工业也曾经历过苦苦寻找可用航空级木材的过程。虽然这时的木材，已经不是用来造飞机的主要材料了，但其一个重要的应用是螺旋桨飞机的桨叶和直升机的旋翼桨叶，如初教-6教练机的螺旋桨和直-5直升机的旋翼桨叶。从史料上来看，当时的航空工业部门与林业部门通力合作，从全国大江南北的近百个树种中筛选出了黑龙江产的鱼鳞松和四川产的云杉来做桨叶的木材。

后来的生产证明，从原木加工出成材，再到最终加工制造出一副桨叶，云杉的出材率要明显优于鱼鳞松，但即便如此，每年我国还是要为造桨叶砍伐掉几万立方米的珍贵木材。因为取材自深山老林，原材料供应运输困难、价格昂贵，生产的工艺复杂，周期又长，出产的第一副初教-6 的木质桨叶出厂价格为3.8 万元，木材成本就占到了1.8 万元。这般困境直到我国的金属桨叶技术突破后才得以全面解决。

二战中的胶合板飞机

二戰中的1942年，美国战争部急需将物资和人员运到英国，但盟军的大西洋海上运输线屡遭德国纳粹“水下狼群”的袭击，损失惨重。正是在这样的需求背景下催生了霍华德·休斯（Howard Hughes）H-4“云杉鹅”，这架人类有史以来建造的最大的水上飞机。

虽以“云杉鹅”命名，它的制造用的却是桦木胶合板，而非云杉，选择木材来造则是出于节省战略物资（比如金属铝）的考虑。

用在飞机上的“胶合板”，自然也与我们日常家具中常见的胶合板有很大不同。在“云杉鹅”上所用的桦木胶合板，制造工艺叫“杜拉莫德”（Duramold），是将桦木用酚醛树脂浸渍后，在模具中加热到138℃并在高压下，层压在一起。同样出于省下战略金属物资的考虑，二战时期空降作战中大量使用的滑翔机也多以胶合板来建造。二战中用胶合板打造的名机还有英国人的德·哈维兰DH98“蚊”式轰炸机。该机上的胶合板是用桦木与厄瓜多尔轻木制成的“三明治”式，还少量使用了冷杉和云杉等木材。另外，二战苏军中多达33500多架的波-2多用途双翼机，在制造中也大量采用了松木等木材。

二战时期，苏军装备的波-2同样是架“木飞机”。装备了波-2的第588 夜间轰炸机团，是支全员女性的作战单位，是德军眼中的“女夜巫”。二战期间，该团飞行了2.3万架次，向德军投下了3000吨炸弹和26000枚燃烧弹，有23名飞行员荣获“苏联英雄”称号

虽然“蚊”式轻型轰炸机的产量超过了7700架，但最终能在博物馆中安享晚年、乃至还能重返蓝天的“蚊”式已属寥寥，这多半与其木质、胶合板的机体结构有一定关系。近些年来一些航空爱好者俱乐部、博物馆等机构都有重建“蚊”式的项目

从海外的一些航材商店来看，最常用的航空级胶合板所选用的木材通常是杨木、椴木、桃花心木和桦木等，对于所销售的胶合板，都标明符合MIL-P-6070规定的规格等级。这项上世纪60年代美国空军制定的“军标”明确了航空级胶合板的各项性能规格、质量标准等，其中的一个关注点是胶合板的“不开胶”，如先将胶合板在沸水中浸泡三小时再进行剪切试验，以检查胶层的粘合质量是否符合规格。

一些螺旋桨的生产也有使用不同尺寸的板材用胶水来拼合的，而后再切铣，打磨成型

从胶合板在军用飞机上的应用来看，“不开胶”的确是一个重要的性能。二战时期“蚊”式轰炸机在印度部署时就曾有过几次“机翼结构失效”事件，虽然事后的调查结果认为，是由于季风雨季造成机身收缩引发的，但也有观点认为是机身胶合板上所使用的酪蛋白基胶水在高温、闷热潮湿环境下发生了变质。同样，在炎热沙漠、过于干燥的环境下，也会在一定程度上造成胶合板的胶接处开裂等情况。

木材的天然问题与防水防腐措施

木材是自然界最原始的材料。如果能将木材保存在最小的湿度和避开阳光的良好环境下，木材的寿命可以和其它材料一样长久有效。木材较于金属，看似不会氧化生锈或腐蚀，但作为有机物，它也是大自然食物链的一部分，如果不能将木材的水分含量保持在理想的范围内，它同样会“腐烂”，真菌或细菌这类微生物会在木材上生长并侵入木材组织，分解破坏木材。比如由褐腐真菌、软腐真菌、白腐真菌等木腐真菌所引发的木材“干腐病”，在我们日常生活（如实木家具、公园中的枯树）中就能看到。

所以，用来建造飞机的木材，从砍伐下原木锯成适当尺寸的木料后，就要进行充分风干或烘干以调理木材的水分含量（在10%至17%之间）。同时，这些木材部件还都要刷上清漆，以在一定程度上隔绝水分，防止微生物的侵蚀，而有些漆面还有意使用有毒的来杀菌。不仅如此，在装备使用阶段，对大量使用了木材和织物的飞机的维护保养同样要多加用心。

造飞机要请裁缝

航空先驱乔治·凯利（George Cayley）和奥托·李林塔尔（Otto Lilienthal）早在他们的载人滑翔机的设计中就使用了棉布来做蒙皮，覆盖在结构框架上。在莱特兄弟的“飞行者”号、前期飞行测试中的各型滑翔机上都使用了名为“西方骄傲”的棉布（平纹细布，当时用于女性的内衣面料）来做飞行器的蒙皮。除了棉质的，当时飞机机翼、方向舵和机身上的蒙皮所用织物通常还有丝绸和亚麻布，甚至还有用纸来做蒙皮的。

美国国家档案馆的影片《1917～1918年军用飞机制造》完整地介绍了建造一架飞机的全流程，其中包括了木材的加工环节：深山老林中的采伐原木、运输，初步分切木料，木料的质量检测，将木料送进干燥炉中进行为期10天的干燥处理

一戰时飞机的机体结构普遍是木质框架加金属拉线（上图），双翼机的上下两翼间也是既有木质的撑杆又有金属拉线（下图），目的都是用来固定强化结构。上图中的女工在给木质框架刷防护漆

既然蒙皮是织物，所以莱特兄弟在1909年正式开厂、开始批量生产飞机时就聘用了多名全职裁缝来缝制蒙皮。当时也已使用粘合剂来将织物蒙皮直接粘贴在机身框架、翼肋上，不过飞行较快的机型、弧度较小的机体区域还是需要缝制，以确保织物蒙皮紧贴在飞机结构上，特别是在受到螺旋桨气流冲洗的区域，针脚还要更密一些。这样的缝制蒙皮工序也一直延续到了一战时期。

“蚊”式堪称木质飞机的发展顶峰。采用木材制造飞机，让英国境内的一些家居厂、大量的木匠加入了战机的生产。上两图中的“蚊”式机体部件生产车间也的确有几分像木匠工坊。左下图中可见机体在生产时分成了左右两部分，两边的机载设备安装同步进行，从而提高了生产效率。右下图中“蚊”式的木质机体外还覆上了一层平纹棉织物蒙皮，并涂有多层涂料

莱特家族捐赠给美国国家航空航天博物馆的“飞行者”号的机翼蒙皮。这块不一般的“棉布”在下半面的内侧有11 个翼肋口袋（蒙皮与翼肋的固定处），图中还能看到蒙皮边缘细密的针脚

为了节省工时、提高生产效率，一些飞机的大型织物蒙皮也有简化成通过孔眼来与机身结构捆绑或直接钉到一起的工艺，省去了人工的一针针缝制环节，额外的一个好处是战场上飞机蒙皮受损后更换相对便捷了些。在今天美国联邦航空管理局FAA的官方文档中，就织物蒙皮的粘合剂这一项的推荐是间苯二酚胶，称之是经过认证的最长久、最可靠的粘合剂。

从莱特兄弟的工厂开始（左上），到一战时期欧美各国的飞机工厂中，都少不了缝制飞机蒙皮的女工身影

作为飞机蒙皮，仅仅是棉麻绸类的织物还是不够的。为了保证蒙皮的紧密性、韧性、坚挺度，更耐用、更防水、抗撕裂与“不兜风”（降低空气阻力）等，蒙皮表面还会覆盖橡胶或塑料，或者是用会硬化的涂料来刷在织物表面，以增强蒙皮的总体结构强度，再精细的还会刷上包含铝粉的涂料以保护蒙皮织物免受紫外线的伤害。

一战时飞机制造工厂内给飞机蒙皮的刷漆涂装过程，一般是先给翼肋处刷胶，贴上强化布条，再给整个翼面刷上涂料，之后是涂上机徽

为战机涂上了机徽，也就基本宣告飞机蒙皮这一工序环节的完成。而战机上的机徽，有时候又会成为战场上另一方的勋章

不过，一战的空战情况已经显示，这些木质机身结构+ 织物蒙皮（包括使用的硝化纤维素涂料）的双翼飞机实属“易燃物”，也由此在当时形成的一种战场文化便是，看着敌机被击落后，地面士兵们赶在飞机燃烧焚毁前，将涂在敌机织物蒙皮上的机徽完好切下来，以作为战利品。

在飞行年代的开端，出于可用、重量轻和制造经验等多方面因素的考虑，大多数的早期飞机都设计成了木质机体和织物蒙皮的“木布结构”。到了1915 年，就在莱特兄弟完成了人类历史上首次航空器受控且持续的载人动力飞行后仅12 年 ，“全金属飞机能飞起来吗？”一时成为航空界讨论的热门话题，并有人用再一个“首次”给出了明确答案。（未完待续）