蘇57戰(zhàn)機上的新型復(fù)合材料

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曉昀

電梯直達

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發(fā)表于 2020-11-13 22:20:01 | 只看該作者 |倒序瀏覽 |閱讀模式

本帖最后由曉昀于 2020-11-13 22:21 編輯

蘇-57戰(zhàn)斗機是俄聯(lián)邦“聯(lián)合航空”制造公司旗下“蘇霍伊”航空集團主導(dǎo)和研發(fā)的高性能多用途戰(zhàn)機，是一款具有隱身能力的雙引擎多用途第五代制空及對地戰(zhàn)機，也是俄羅斯的首架隱形戰(zhàn)機。蘇-57是俄羅斯多年來先進科研成果的集大成者，從蘇57戰(zhàn)機上可以看到先進的工藝、材料及結(jié)構(gòu)等。以下就讓我們來盤點一下蘇57戰(zhàn)機上使用的新型復(fù)合材料。

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01/ 防雷擊納米隱身涂層復(fù)合材料

蘇57飛機上使用了大量的復(fù)合材料，除了機身骨架、機翼、進氣口的前緣耐熱段、制動器基座以及垂尾主體為金屬外，70%的機身蒙皮都由碳纖維復(fù)合材料打造，復(fù)合材料零部件差不多占了機體總重量的25%。這樣大規(guī)模的使用復(fù)材能夠有效地降低飛機重量，提升飛機性能，但是由于復(fù)材導(dǎo)電性能比較差，在遭受雷電襲擊的過程中會對飛機造成非常嚴重的損傷。圖1是飛機不同部位遭受雷擊的概率圖。

從圖1中可以看出雷擊損傷區(qū)域主要分布在飛機雷達罩、機身前段、發(fā)動機吊艙、機翼翼尖、水平安定面翼尖和升降舵尖部、垂直安定面和方向舵尖部，以及機翼-機身整流罩等，幾乎遍布整個機身。這意味著有效的防雷措施是飛機安全的重要保障。

圖1 飛機遭雷擊部位圖

傳統(tǒng)的防雷擊方法主要是使用金屬網(wǎng)或者在碳纖維表面加入金屬顆粒涂層，由此來消散雷擊產(chǎn)生的高電流及熱量，但是這種方法不僅會增加飛機重量并且還會帶來新的腐蝕問題。為此全俄航空材料研究院特研發(fā)了一種新型的防雷電碳布結(jié)構(gòu)（MKY），該結(jié)構(gòu)由兩層碳布組成：一層是加入防雷擊納米涂層（МЗП）的0°和45°編織碳布，另一層就是單向普通碳布（見圖2）。

圖2 防雷擊納米隱身涂層復(fù)合材料

經(jīng)過試驗證明，這種新型的防雷電碳布結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的添加銅絲網(wǎng)的防護方法相比雷擊創(chuàng)傷面積可從65m2降低到4m2；減重80-310克/m2 ；避免了金屬和碳布之間的腐蝕問題；新型防雷電納米涂層碳布損壞之后還可修復(fù)，如果使用銅絲網(wǎng)就只能更換。另外新型涂層還考慮到了飛機的隱身性能。使用這種新型材料的蒙皮不會增加飛機的散射面積，蒙皮之間的連接處以及縫隙等都要填上高導(dǎo)電性的密封膠，使得飛機表面平整均勻，以保護飛機的低可探測性能。

圖3 在I=200kA,Q=20C下的三種碳纖維復(fù)材損壞情況對比

02/ 可通信復(fù)合材料

如今纖維復(fù)合材料已是未來打造新一代戰(zhàn)機必不可少的先進材料，但纖維復(fù)合材料在使用過程中的維護成本特別高。據(jù)統(tǒng)計一架飛機的復(fù)材結(jié)構(gòu)檢修時間需要900小時左右?？赏ㄐ艔?fù)合材料即指在飛機的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)埋設(shè)靈敏度高達0.001%的光纖網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)結(jié)構(gòu)受損時，傳感器可以根據(jù)激光信號的變化，判定損傷的位置，評估剩余壽命，依據(jù)情況給予飛行員建議。例如損傷較大時，建議飛行員趕快返航；嚴重損傷時，要求飛行員棄機逃生等，這樣就能實時、持續(xù)地掌握飛機結(jié)構(gòu)狀況。使用這種智能復(fù)材結(jié)構(gòu)，可使維護工作量減少數(shù)倍，內(nèi)埋光纖和傳感器增加的重量也不超過5-7公斤。

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這種可通信復(fù)材結(jié)構(gòu)在多個國家已得到實際應(yīng)用。在美國NASA早在2017年就規(guī)定飛機上的復(fù)材結(jié)構(gòu)必須要使用集成光纖傳感器，以便監(jiān)控飛機狀態(tài)。在俄羅斯這種智能復(fù)材結(jié)構(gòu)不僅用于戰(zhàn)斗機上而且民機上也有使用。

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03/ 吸波防輻射耐沖擊復(fù)材玻璃

蘇-57早期艙蓋材料是采用了硅酸鹽玻璃，但是硅酸鹽玻璃與隱身鍍層存在黏附性的問題，會有粘不牢的情況，并且制造過程中也會出現(xiàn)有毒物質(zhì)，成品率也較差。

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2019年俄羅斯奧姆寧斯克工藝研究所調(diào)整了傳統(tǒng)軍機玻璃的材料成分，為蘇-57研制了一款新型整體聚碳酸酯材料的座艙蓋，艙蓋表面用磁控濺射鍍膜技術(shù)沉積以黃金和銦錫合金為主的專用多功能隱身涂層。這種新型座艙蓋比原先減重約５０％；吸收率從４０％提高到８０％；鍍膜與玻璃之間的黏著力比以往更強，因此該鍍膜在外部氣流猛烈沖擊下的耐磨損性更佳。

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為蘇-57專門量身定制的“玻璃座艙”能夠保護蘇-57機組不受電磁、紫外線、紅外線輻射的影響，甚至核爆炸所產(chǎn)生的光輻射。此外，這種玻璃窗的抗撞擊性、透光性均有所增強，有助于飛行員在外部光線昏暗的環(huán)境下具有更佳視覺。

結(jié)語

新材料產(chǎn)業(yè)被認為是21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Σξ磥戆l(fā)展有著巨大影響的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。航空材料的進步往往會促使裝備的更新?lián)Q代。俄羅斯作為世界上領(lǐng)先的航空工業(yè)大國，近年來在新材料的研發(fā)和應(yīng)用上取得了一定的進展，這也是蘇-57戰(zhàn)機高性能的保障。從蘇57上應(yīng)用的新材料我們可以看到以下趨勢：

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1、碳纖維復(fù)合材料在飛機機體的應(yīng)用不斷增加。碳纖維復(fù)合材料良好的力學(xué)性能和不斷降低的生產(chǎn)成本促使該材料在飛機上的應(yīng)用不斷增加，這種趨勢從近年來的軍機和民機上都能體現(xiàn)出來；

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2、具有多功能的新型復(fù)合材料是未來發(fā)展方向。為了滿足新一代先進飛機的高性能需求，復(fù)合材料從以前單純的滿足強度、硬度、韌性、塑性等力學(xué)性能需求的結(jié)構(gòu)材料向具有優(yōu)良的電、磁、光、熱、聲、力等性能的多功能材料發(fā)展，比如透波復(fù)合材料、吸波復(fù)合材料、紅外敏感復(fù)合材料、減震復(fù)合材料等。