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战斗机座舱盖是用什么材料做的?小小玻璃蕴含高科技

来源:未解之谜(www.49363.com)时间:2021年05月05日全文预计1186个文字,阅读约需3分钟

  战斗机座舱盖从外形看,给人的第一个印象就是——透明,甚至在专业术语里,也将其称为“座舱盖透明件”,这让人第一时间想到了一种目前世界上应用最广泛的透明材料——玻璃。事实上,战斗机座舱盖的确是由玻璃材料制成的。

战斗机座舱盖是用什么材料做的?小小玻璃蕴含高科技

F-35整体座舱盖

  早期低速螺旋桨时代的座舱盖玻璃,就是我们平常最常用的窗户玻璃——无机玻璃,但无机玻璃脆而易碎、工艺性能较差;很难制成复杂曲面,只能用三片式平面风挡,不能加工成更符合空气动力学特性、阻力更小的圆弧形风挡;而且密度大,重量大,不利于飞机减重。

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Me 109战斗机的平板玻璃座舱盖

  随后,工艺性能良好、质轻、强度高的有机高分子透明材料(即有机玻璃)逐渐成为航空透明材料的主力军。其中最具代表性的当属丙烯酸酯类透明材料和聚碳酸酯类透明材料。

  丙烯酸酯类的优点是比强度高,在同等强度下,重量仅为传统无机玻璃的50%,因此丙烯酸酯类材料制造的座舱盖比无机玻璃舱盖要薄得多;同时它抗环境作用能力也很突出,在使用多年后,其力学性能和透光性都能基本保持;此外,丙烯酸酯类材料的透光性很好,能透过超过90%的日光。早在上世纪60年代,德国的垂直起降研究机就率先采用了浇注制造的交联丙烯酸有机玻璃209材料(丙烯酸酯类材料的一种)。在现代战斗机上,丙烯酸酯类材料多与钢化玻璃材料组成多层复合透明玻璃,以提高其刚度。此外在民航客机上,它也有广泛应用,多用于制造风挡和侧窗、客舱口透明材料。

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  聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA,也就是亚克力)在1936年开始批量生产,因此被二战飞机广泛使用。图为B-17F的PMMA机鼻

  丙烯酸酯类材料最大的缺点是耐冲击性和耐温性较差,聚碳酸酯类材料就是为了解决这一问题发展起来的。目前,美国空军的第五代战斗机F-22,就采用了聚碳酸酯类材料来制造座舱盖(F-22的早期原型机YF-22,座舱盖采用的仍为丙烯酸酯类材料)。与丙烯酸酯类材料相比,聚碳酸酯类材料的优点很鲜明,首先是韧性更好强度更大,抗鸟击能力突出。卢卡斯航空航天公司进行过试验,用普通的丙烯酸酯类有机玻璃制造的风挡,很容易被鸟撞击击破,而如果将两层薄薄的丙烯酸酯之间加入一层聚碳酸酯类材料,其抗鸟击能力就会成倍提高。

  试验表明,它可以抵抗1千克的鸟以97千米/小时速度的撞击。而且,聚碳酸酯类材料不只抗鸟撞能力高20%,而且抗炮弹能力更好。聚碳酸酯类材料的耐热性也很好,试验证明,当F-22战斗机以马赫数2.0的高速进行飞行时,座舱盖表面受空气动力摩擦后温度高达110摄氏度左右,此时聚碳酸酯制造的有机玻璃座舱盖性能很稳定,完全满足使用要求。

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  现在聚碳酸酯类材料(PC)与丙烯酸酯类材料的复合结构已经成为战斗机座舱盖的主流材料

  聚碳酸酯类材料由于工艺复杂,加工浇注难度大,目前还比较昂贵,比丙烯酸酯类材料贵50%~100%。同时聚碳酸酯类材料耐磨性较差,且易溶于有机溶剂,因此非常娇贵,对后勤保养提出了很高的要求和挑战。

  目前在具体使用中,聚碳酸酯材料多与丙烯酸酯类材料进行复合,构成复合多层有机玻璃材料来使用,其中丙烯酸酯类材料在外,聚碳酸酯材料夹在中间,以充分扬长避短,并降低成本。德国空军的F-4战斗机在升级改造时,就使用了麦道和古德意航空航天公司的聚碳酸酯丙烯酸酯复合有机玻璃座舱盖,其厚度仅为25.4毫米,这种透明材料可以承受1.816千克重的鸟以925千米/小时的速度的撞击。

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  两层PMMA中间夹一层PC的三明治结构,之间通过聚氨酯粘结

 

F-15的座舱盖就采用这种结构

  值得注意的是,F-22的聚碳酸酯有机玻璃座舱盖,使用了新的成型加工工艺,传统的座舱盖采用压力成形法,多层材料层合后压叠成形,而后进行抛光等工艺处理,加工一个座舱盖,整个流程需要六个星期工时,而新的工艺采用注射成形法,只需要1个小时。

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F-22的PC和PMMA多层材料采用新型注射成形法制造

  在座舱盖材料技术上,还有另外一个比较特殊的流派,这就是苏联/俄罗斯,它们在技术上自成一格。在上世纪60、70年代,苏联也开始采用有机玻璃材料制造座舱盖,比如聚氟代丙烯酸酯有机玻璃(也属于丙烯酸酯类材料),其优点是耐高温能力远强于美国使用的部分丙烯酸酯类材料,最大耐温温度高达180摄氏度,特别适合高速战斗机。但众所周知氟是剧毒物质,因此该座舱盖在制造过程中不可避免会产生剧毒物质,且造价十分昂贵。

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米格-25的座舱盖应该就是采用聚氟代丙烯酸酯有机玻璃制造的

  随后,苏联意识到有机玻璃还有一些固有的缺点,比如硬度小,耐磨性差,易划伤;导热性差,热膨胀系数大;受到温度、日光和溶剂等的作用时,性质会变化。而这些缺点,恰恰是无机玻璃的优点。而只要通过对传统无机玻璃进行技术改进,比如无机玻璃分层制造、或在多层无机玻璃中间复合有机玻璃材料等,就能部分解决无机玻璃脆性大等缺点。据专家推测,在俄罗斯第五代战斗机T-50上,就很可能使用了以无机玻璃材料为主的多层玻璃复合材料来制造座舱盖,由于无机玻璃脆性高,韧性差,因此T-50的座舱盖厚度很可能厚于F-22和F-16等为代表采用有机玻璃材料的战斗机,同时为了保证座舱盖材料不碎裂,还需要多加一道金属框进行加强。但T-50的座舱盖耐磨性更佳,且不溶于有机溶剂(比如机油等),因此更皮实、更易保养,在造价和可维护性方面相比F-22的座舱盖占有一定性优势。

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苏-57的硅酸盐玻璃风挡和座舱盖。图4是苏-35S的硅酸盐玻璃风挡

  目前座舱盖的工艺技术发展日新月异,F-22、F-35和T-50战斗机在座舱盖材料技术研究上,都有了新的突破和成果。如何能以更快的速度造出更好、更便宜、更坚固、更耐用的座舱盖,为飞行员打造最好的座舱环境,是一个不容忽视的技术课题。

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