2020-12-30
 
复合材料在航空战机上的应用
2020年12月30日   阅读量:110

复合材料在航空战机上的应用 中网时尚,stylechina.com

复合材料在改善飞机机体结构,降低结构重量,提高隐身能力等多个方面有着自己特有的贡献。而这些复合材料多数都是碳纤维和树脂、金属、陶瓷等复合制成的结构材料。碳纤维增强材料是复合材料领域的一个标志性产品,使得复合材料得以迈向高可用性和高强度方面大大的迈进了一步。


碳纤维是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。这是发展国防军工以及国民经济的重要战略物资,属于技术高速密集型的关键核心材料。航空、航天、汽车、电子等等多个领域都使用了高性能碳纤维材料。碳纤维质量比金属铝还要轻,但是强度却比钢铁还要强,还耐腐蚀方便成型。所以一经推出,尤其是在航空航天制造领域取得了自己的一席之地。


美国F-35本身制造上就大量使用了这种高强度纤维材料。尤其是在蒙皮和机翼结构和机体结构部件上,大量创造性的使用了碳纤维复合材料。它所用的碳纤维复合材料已占全机总重量的1/4,占机翼重量的1/3。可以说F-35减重上,碳纤维的功劳首屈一指。就是建造较早的F-22实际使用碳纤维比例也高达20%,这不得不说谁掌握了高强度的碳纤维加工技术,谁就等于掌握了四代机结构核心。


中国战机在复合材料应用上,几十年以来一直是比较落后的,二代机时代,歼7和歼-8基本没有啥复合材料,假如有的话,那都很容易数出来,飞机雷达罩,垂尾玻璃钢天线罩,还有平尾和方向舵的玻璃钢蜂窝。


到了三代机时代,本来苏-27战斗机也没有啥复材,位置和歼-7 歼-8差不多,比例也不高,中国歼10战斗机就用了6%的复合材料,但是作为一款短平快,突出国产化的战斗机改型,沈飞的歼-11B就突然爆出了12%的高数据,主要增加的复材在发动机进气道还有飞机外侧机翼部分,这也是中国战斗机第一个尝试如此大型的碳纤维部件,长度在5米左右。


当然,使用碳纤维可以减重,但是这也带来了巨大的风险,外国供应商,这一款碳纤维也是军用和民用飞机通用的牌号,歼-11B批量没多久就遇到了波音和空客爆产新飞机,787和A380,几乎包圆了东丽的碳纤维,这时候,作为小小客户的歼-11B很快遇到大麻烦,那就等!


这其实还不是最大的麻烦,因为用量并不大,不管从外国哪里拐弯抹角总可以买到手,最大的麻烦在于制造,沈飞制造如此大面积的碳纤维复合材料零件,付出了很大的代价,由于缺乏经费,大部分购买的设备都是半自动的,而且很多零件还是全部手工铺层,工艺参数很敏感,稍有不慎就全部报废,这种麻烦在美国F22和F35研制过程中也有,日本F-2战斗机的复合材料机翼上也遇到这种麻烦,全世界必由之路。


背靠东丽公司的超强碳纤维研发制造实力,日本F2战斗机疯狂使用碳纤维,这就是好处,日本人甚至疯狂到,准备在F3重型隐身战斗机框架上使用,不管开裂,冲击和重载,继续血拼在作死的边缘。


中国复合材料最大的进步是,最近10多年,超强度烧钱,总算在2 3家稳定批量生产碳纤维原丝,规模最大,影响最大就是连云港的中复神鹰,主要是航空背景,为新型战斗机和民用飞机碳纤供货,威海光威也凑合,不过主要给航天供货。


目前能做的是T700和T800系列,上T1000或者T1100也不存在根本难度,目前T700基本够用了,存在的问题就是魔鬼般的细节:我们国家研发的基体质量不行,树脂指标还是比外国渣,整个碳纤维产品线,大约会用到上百种材料,每一种材料都有一定的影响,不管咋样,最难的碳纤维原丝我们可以搞出来,剩下的有难度,都不算太难。


在材料和发动机使用上,成飞一直保持一种很审慎的态度,算是沈飞的小弟弟,歼11B使用超量碳纤维和太行发动机踩雷,也给成飞巨大的好处,经过一段时间稳定,晚了10年左右,成飞的歼10C和歼20也上了大量碳纤维,太行发动机最近几年也上了,而且还有推力矢量技术。


虽然沈飞在歼11B战斗机上有些冒险,但是技术探索总是好事,最近些年却看不到他们的朝气,简单来说,歼11上面没有提前进行推力矢量试验,这让人很郁闷,作为一款双发重型战斗机,试验推力矢量比较方便,安全系数更高,但是我们看到的是,成飞歼10B夺走了头筹!


FC-1,又叫JF-17,“枭龙”,是中方应巴基斯坦要求,给巴方研制的一款低成本的单发轻型3代机,一度被国内一些所谓的军事专家称为“准3代机”,直到这一说法被其总设计师杨伟直接否决(杨伟也是歼20的总设计师)。既然是低成本战机,那么其在使用材料方面就要足够的“节俭”,一切以“够用就行”为标准,大量使用航空用的铝合金,尽量少用昂贵的钛合金和复合材料。不过从另一方面讲,FC-1研制的时代(2004年左右),我国在军用复合材料方面的发展还比较落后,无论是质量还是产量都还不行,想用高点也不实际,即使是歼10战机,其复合材料使用比例也才6%左右。


不过随着时间的推移,国际主流战机的技术在进步,巴方对JF-17本身技术水平的要求也在提高。成飞对客户的态度是很好的,基本可以说“一切为了满足客户的需求”,所以早在原型机的第4架,JF-17就大改了气动设计、升级了航电系统,大量使用了很多即使是在当时国内也是很先进的技术,从而使JF-17真正的成为了一款成本低廉、性能优异的战机。巴方对其十分满意,而国内一度还兴起了“中国空军是否也应该装备几百架”的讨论。JF-17的第2次大的变化,就是其第Block3批次了,这一批次的战机将换装AESA有源相控阵雷达,以及配套升级的航电系统,其武器系统也有望进行升级,比如中国目前装备的最先进的格斗导弹PL-10(已经可以出口)。


而这一次,我们又看到了新的明显变化,那就是在其双座型号上,大面积的复合材料的使用。上图能清晰看到的是机身前部、中部和垂尾上的大面积绿色蒙皮,但如果你仔细看,就能在发现在其机翼处,存在着更大面积的绿色蒙皮。这一方面预示着JF-17又一次的技术升级,也预示着我国在军用复合材料方面的大发展。说起来,在歼20在原型机阶段,国内可批量生产的复合材料也只是刚刚达到了T700这种档次,而西方发达国家普遍已经可以使用T800档次了。好在这几年我国在复合材料技术领域发展很快,如今T800已经可以批量生产,而国内新型战机在复合材料的使用比例上也在明显增大。


不得不说,中方对巴方的态度可谓是真的好,因为至少从表面上看,这次的JF17的双座型,在复合材料使用面积上,是明显大于歼10C的。


大量复合材料的使用,可进一步减轻JF17战机的重量,提升隐身性能。而双座型的出现,不仅可以显著提高巴方在飞行员训练方面的便捷性和训练水平,还可以较大的提升对地打击能力,对巴方空军战斗力的提升是巨大的。


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