第十四屆中國(guó)航展閉幕當(dāng)天，空軍殲-20戰(zhàn)機(jī)進(jìn)行飛行展示。
戰(zhàn)機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展經(jīng)歷了四個(gè)階段：
第一階段從1903年至1910年。這個(gè)時(shí)期，飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料主要以木-布為主。木頭構(gòu)筑起飛機(jī)的機(jī)身框架，帆布為飛機(jī)提供氣動(dòng)外形。木頭作為結(jié)構(gòu)材料，憑借著超輕的質(zhì)量和較低的密度，獲得了長(zhǎng)久的生命力。直至第二次世界大戰(zhàn)時(shí)期，木頭仍被應(yīng)用于部分戰(zhàn)機(jī)上。其典型代表就是英國(guó)的“德·哈維蘭-蚊式戰(zhàn)斗轟炸機(jī)”。這款戰(zhàn)機(jī)擁有“木頭奇跡”的美譽(yù)，身輕如燕、性能優(yōu)良，是英國(guó)皇家空軍中一種頗具特色的機(jī)型。
第二階段從1910年到1949年。這一階段的機(jī)身材料以鋼-鋁為主。高強(qiáng)度的鋼常被用作主承力的機(jī)身框架結(jié)構(gòu)，鋁合金則被用于機(jī)身蒙皮。以鋼-鋁材料制作的飛機(jī)機(jī)身，其強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)剛度以及抗彈能力都較木-布結(jié)構(gòu)有了質(zhì)的飛躍。二戰(zhàn)中，主力戰(zhàn)機(jī)機(jī)型例如美軍的P51野馬、F6F地獄貓以及英國(guó)的噴火式、德國(guó)的梅塞施密特Bf-109戰(zhàn)斗機(jī)無(wú)一例外都采用了鋼-鋁結(jié)構(gòu)。
第三階段是從1950年到1979年。這個(gè)時(shí)期的機(jī)身材料以鋼、鋁、鈦為主。在耐高溫方面，美國(guó)與蘇聯(lián)走了兩條截然不同的路線(xiàn)。美國(guó)走的是“高端路線(xiàn)”——鈦合金。鈦合金密度低，以鈦合金制成的飛機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量較輕，然而其原材料價(jià)格偏高，不易加工。典型代表是美國(guó)設(shè)計(jì)的一款高空高速偵察機(jī)SR-71黑鳥(niǎo)，飛行速度可達(dá)3.35馬赫。蘇聯(lián)則選擇了“平民路線(xiàn)”——不銹鋼。相比之下，不銹鋼原材料易得、易加工，成本低廉。典型代表是蘇制的米格-25，其機(jī)身80%的結(jié)構(gòu)采用不銹鋼制作，最大飛行速度達(dá)到2.8馬赫。值得一提的是，設(shè)計(jì)米格-25的初衷是為了攔截SR-71。然而，由于其笨重的不銹鋼機(jī)身，歷史上SR-71曾多次襲擾蘇聯(lián)領(lǐng)空，卻從未被成功攔截。
第四階段是從20世紀(jì)80年代至今。材料學(xué)家經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期探索，在已知的單質(zhì)材料中，已找不到密度低于鋁合金、強(qiáng)度高于不銹鋼，且耐熱溫度接近鈦合金水平的材料了。隨著高性能耐熱聚合物基體被合成，輕質(zhì)、高強(qiáng)的碳纖維開(kāi)始大規(guī)模生產(chǎn)，先進(jìn)復(fù)合材料開(kāi)始進(jìn)入材料學(xué)家的視野。先進(jìn)復(fù)合材料低密度，性能可設(shè)計(jì)、易成型。同等結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下，采用復(fù)合材料制作的機(jī)身較鈦、鋁、鋼都能大幅度減重?，F(xiàn)在美國(guó)第四代戰(zhàn)機(jī)F-22、F-35等的復(fù)合材料用量高達(dá)24％和30％，俄羅斯最新五代機(jī)的復(fù)合材料用量也達(dá)到了15%。復(fù)合材料在先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)上的大規(guī)模應(yīng)用，標(biāo)志著現(xiàn)代戰(zhàn)機(jī)從“鋁為主，鈦、鋼結(jié)構(gòu)并存”的時(shí)代邁向“復(fù)合材料為主，鋁、鈦、鋼結(jié)構(gòu)共存”的新時(shí)代。
幾經(jīng)更迭，追求始終如一
從天然材料到金屬材料，再到復(fù)合材料，幾經(jīng)更迭，機(jī)身結(jié)構(gòu)材料的追求始終如一——“其堅(jiān)如鋼，其重如翎”。
其堅(jiān)如鋼，是指具有優(yōu)異的強(qiáng)度與剛度。更高的材料強(qiáng)度可以賦予機(jī)身更優(yōu)異的抗擊打性能和更高的抗過(guò)載能力。優(yōu)異的材料剛度則為機(jī)身結(jié)構(gòu)帶來(lái)更強(qiáng)的抵御變形能力。戰(zhàn)機(jī)在高速飛行過(guò)程中，時(shí)刻承受氣動(dòng)載荷。如果抵御氣動(dòng)力變形的能力不夠，輕則降低飛機(jī)的氣動(dòng)效率，重則會(huì)引發(fā)不可逆的變形進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)毀人亡。
其重如翎，就是指機(jī)身材料要具有較低的密度。戰(zhàn)機(jī)的質(zhì)量是影響綜合性能的主要指標(biāo)。過(guò)大的質(zhì)量不僅會(huì)降低飛行速度、影響空中機(jī)動(dòng)能力，還會(huì)縮短航程。機(jī)身結(jié)構(gòu)材料在戰(zhàn)斗機(jī)的質(zhì)量中占比通常超過(guò)40%。因此，在結(jié)構(gòu)材料上減重是增加戰(zhàn)斗機(jī)綜合性能的有效手段。
縱觀(guān)結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展歷史，做到“其堅(jiān)如鋼”的材料不少，能實(shí)現(xiàn)“其重如翎”的也很多，但同時(shí)兼具兩種性能的結(jié)構(gòu)材料屈指可數(shù)。為了便于比較材料“輕質(zhì)高強(qiáng)”的能力，材料學(xué)家發(fā)明了“比強(qiáng)度”和“比模量”的概念。比強(qiáng)度是用材料的強(qiáng)度除以材料表現(xiàn)密度。同體積的材料，比強(qiáng)度越高，抗破壞的能力越強(qiáng)。比模量是用材料的彎曲度除以密度。同體積的材料，比模量越高抗變形的能力越強(qiáng)。
從木材到鈦合金，機(jī)身結(jié)構(gòu)材料經(jīng)歷數(shù)十年的發(fā)展，其比強(qiáng)度與比模量并未發(fā)生質(zhì)的飛躍。直到復(fù)合材料、特別是碳纖維復(fù)合材料的出現(xiàn)，機(jī)身結(jié)構(gòu)材料水平又上升到一個(gè)新高度。碳纖維復(fù)合材料的比強(qiáng)度是鈦合金的3倍-5倍，比模量是鋼材的2倍-3倍。這意味著，同等性能下，機(jī)身結(jié)構(gòu)采用碳纖維復(fù)合材料相較于鈦合金或鋼材減重達(dá)到50%-80%。復(fù)合材料的耐熱性能雖不及鋼和鈦合金，但部分型號(hào)也能達(dá)到300℃。此外，復(fù)合材料還兼具優(yōu)異的加工性能與良好的耐腐蝕、耐候性能。最為重要的一點(diǎn)是，復(fù)合材料具有良好的性能可設(shè)計(jì)性。通過(guò)更換樹(shù)脂與增強(qiáng)纖維的種類(lèi)，以及添加不同的功能填料，可獲得不同性能特性組合的復(fù)合材料。這種性能可設(shè)計(jì)性賦予了其“結(jié)構(gòu)-功能一體化”的特性。這樣一來(lái)，復(fù)合材料不僅可以具備承載性能，更兼具透波、吸波、隱身等功能特性。
當(dāng)然，比強(qiáng)度和比模量并非材料學(xué)家選取機(jī)身結(jié)構(gòu)材料的“唯二”標(biāo)準(zhǔn)。以鋼材為例，鋼材的比強(qiáng)度、比模量相較于鋁合金、鈦合金并沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。但其絕對(duì)強(qiáng)度較高，在對(duì)絕對(duì)強(qiáng)度與剛度以及服役溫度要求較高的部位，諸如飛機(jī)防護(hù)系統(tǒng)、起落架、主承力框架、高溫駐點(diǎn)等仍是無(wú)可替代的關(guān)鍵材料。直到今天，先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)上仍有鋼材的身影。
新挑戰(zhàn)，也是新機(jī)遇
隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)作戰(zhàn)樣式不斷豐富，科技密集程度不斷提高，戰(zhàn)機(jī)也在不斷更新?lián)Q代。目前最為先進(jìn)的第五代戰(zhàn)機(jī)，不僅需要擁有杰出的機(jī)動(dòng)性、超強(qiáng)的隱真示偽能力，還需要具備多樣式作戰(zhàn)的可整合性。這些功能要求給機(jī)身結(jié)構(gòu)材料研究帶來(lái)新的挑戰(zhàn)，同時(shí)也為戰(zhàn)機(jī)綜合性能提升帶來(lái)新的機(jī)遇。
復(fù)合材料是由有機(jī)高分子、無(wú)機(jī)非金屬或金屬等幾類(lèi)理化性質(zhì)不同的材料，通過(guò)復(fù)合工藝組合而成的新型材料。它既保留原組成材料的重要特色，又通過(guò)復(fù)合效應(yīng)獲得原來(lái)不具備的性能。
面對(duì)新的戰(zhàn)爭(zhēng)需求，復(fù)合材料需要不斷“通關(guān)升級(jí)”，習(xí)得更多“武林絕學(xué)”。
例如，“身如金剛，水火不侵”。戰(zhàn)機(jī)在高速飛行時(shí)，由于與空氣的劇烈摩擦，會(huì)面臨嚴(yán)峻的氣動(dòng)加熱問(wèn)題。過(guò)高的溫度會(huì)大大增加復(fù)合材料的失效風(fēng)險(xiǎn)，為戰(zhàn)機(jī)飛行帶來(lái)安全隱患。因此，需要對(duì)機(jī)身材料進(jìn)行耐高溫設(shè)計(jì)，比如采用陶瓷耐高溫涂層、氣凝膠隔熱層以及優(yōu)化復(fù)合材料體系等。
再比如說(shuō)，“來(lái)去無(wú)影，以假亂真”。目前，紅外隱身已經(jīng)是很多知名尖端戰(zhàn)機(jī)的“標(biāo)配”。新一代戰(zhàn)機(jī)已經(jīng)不再滿(mǎn)足于單一的紅外隱身效果，它試圖通過(guò)對(duì)戰(zhàn)機(jī)的電磁信號(hào)進(jìn)行偽裝，實(shí)現(xiàn)以假亂真，迷惑敵人的目的。這可以通過(guò)超結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或引入功能增強(qiáng)材料來(lái)實(shí)現(xiàn)。
高性能復(fù)合材料雖然是新一代戰(zhàn)機(jī)機(jī)身的不二選擇，但想要培養(yǎng)這樣一名“武林高手”，還需要經(jīng)過(guò)復(fù)雜工藝、花費(fèi)大量的時(shí)間和物質(zhì)成本。以美國(guó)隱身戰(zhàn)略轟炸機(jī)——B2轟炸機(jī)為例。它從1997年服役以來(lái)，一共只生產(chǎn)了21架，每架造價(jià)高達(dá)24億美元，每次飛行任務(wù)結(jié)束后的維護(hù)費(fèi)用高達(dá)千萬(wàn)美元。“造得起，用不起；用得起，養(yǎng)不起”，也是限制尖端戰(zhàn)機(jī)發(fā)展的重要問(wèn)題。因此，簡(jiǎn)化機(jī)身復(fù)合材料的制備工藝，優(yōu)化制備流程，提高效費(fèi)比也是當(dāng)前急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。
