先进复合材料在军机的研究发展及应用

来源:荣格国际复材技术商情

发布时间:2019年5月8日下午 06:05:29

——访原沈阳飞机设计研究所陈绍杰高级工程师

先进复合材料具有比强度高、比刚度高、可设计性强、 抗疲劳,断裂性能好、耐腐蚀、尺寸稳定性好,以 及便于大面积整体成形等独特优点,采用特殊的增强相和基体还具有特殊的电磁性能和吸波隐身作用,体现了 结构和功能一体化的特点。其自 60 年代中期问世以来已广泛用于各种武器装备上,对促进武器装备的轻量化、高性能化 起到了至关重要的作用。

将先进复合材料用于航空航天结构上可相应减重 20~30%,这是其他先进技术无法达到的效果,因此其在航空 航天领域应用日益广泛,继铝钢、钛之后,已迅速发展成四大航空航天结构材料之一,并已完全超过了铝、钢、钛的应用。

目前,复合材料在军机的应用现状如何?在我国,复合材料在军机、特殊飞机的应用情况是怎样的?以及未来的发 展方向及趋势又有哪些?为此,我们专访了原沈阳飞机设计研究所陈绍杰高级工程师。

陈绍杰先生毕业于哈尔滨工业大学航空工程系飞机设计专业,毕业后长期从事飞机结构设计和先进复合材料发展研 究工作,其间 1984~1985 年曾在美国波音飞机公司工作。40 多年来先后参加过歼八、歼十一等多个型号的研制工作。现 任中国复合材料学会常务理事,国际 SAMPE 学会会员,受聘为北京航空航天大学、西北工业大学、大连理工大学、东北大学等七所院校的兼职教授。近年退休后仍在原单位返聘工作多年,主持并参加多项前沿课题的研究工作。

先进复合材料在军机上的应用

据陈工介绍,飞机设计及其性能的不断提高一直与采用性能优异的新材料密切相关。30 多年来,先进复合材料在飞机结构上的应用走过了一条由小到大,由弱到强、由少到多、 由结构到功能的发展道路。大致分为 3 个阶段:

第一阶段:用于舱门、口盖、整流罩以及襟、副翼、方向舵等操纵面上,受力较小、规模较小,于 60 年代末 ~70 年 代初完成。

第二阶段:用于垂尾、平尾等受力较大、规模较大的尾 翼一级部件。其中 F-14 的硼 / 环氧复合材料平尾于 1971 年 前后研制成功,是复合材料发展史上一个重要里程碑,此后则有 F-15、F-16、F-18、B1-B、幻影 2000 和幻影 4000 等, 此时复合材料用量一般不超过结构总重的 5%。

第三阶段:代表了近况。用于机翼、机身等主要受力结构上、受力很大、规模很大。其中美国麦道飞机公司于 1976 年率先研制 F-18 的复合材料机翼,并于 1982 年进入服役, 把复合材料用量提高到了 13%,此后该公司又将复合材料用于 AV-8B 的机翼和前机身上,其用量为 26%,使复合材料在飞机上的应用跨入了第 3 个阶段,自 80 年代初始至今。

此后世界各国较新研制的性能先进的军机机翼一级的部件已几乎无一例外地都是复合材料的了,机身也程度不同的 采用了复合材料。目前军机上复合材料用量占结构总重的 20~50% 左右不等。

陈工说,世界上唯一的第 4 代战机“猛禽”F/A-22 大量应用了复合材料,复合材料约占其结构总重的23~25%左右。 主要应用在机翼(蒙皮和部分梁)、垂尾、平尾及平尾大轴、前、 中机身蒙皮等;F-35 是美国最新研制的轻型、低成本、多用途、 隐身战斗机,复合材料用量约为 30 ~ 35%。主要应用于机翼、 机身、垂尾、平尾、进气道等。 B-2 为美国著名的隐身轰炸机,经极为秘密的研制于 1989 年推出首飞。

B-2 共用复合材料 50% 左右,全机结构几乎均由复合材料制成。该机采用了大面积整体成形技术,广泛应用了层压板、蜂窝夹层结构、混杂复合材料、特种隐身前缘等技术。

“这里特别要提一下复合材料在隐身飞机上的应用。” 陈工说,“复合材料是一种非金属材料,经特殊设计可形成 RAM,有结构 / 功能一体化作用。复合材料可大幅度减重,平衡因隐身外形和吸波涂层等带来的增重。大面积整体成形有益于实现隐身要求的高度翼身融合体的总体布局。整体成形亦可 大量减少结构的缝隙、台阶、钉头,降低机体结构的 RCS 值。”

此外,俄罗斯的 S-37 多用途战机,于 1997 年 9 月 25 日首飞,为一前掠翼飞机。该机复合材料用量约 25% 左右,主要用于机翼、机身、尾翼、鸭翼等部位。没有先进复合材料就没有前掠翼飞机,因为气动弹性的发散问题无法解决,美 国的 X-29 前掠翼技术验证机亦然。

在欧洲,大型军用运输机 A400M 是欧洲空客集团研发的一架大型军用运输机,该大量使用复合材料,约为 35 ~ 40%。特别是碳纤维复合材料占机翼结构重量比例高达 85%,开创了使用复合材料为主要材料制造大型运输机机翼的先例。这使得整机重量显著降低,该机可在土质简易跑道上完成起降,并使 A400M 的载重量达到 80000 磅。A400M 机翼是空客飞机有史以来制造的第一个最大的碳纤维增强塑料机翼。

复合材料在无人机上的应用

无人机在情报、监视、侦察等信息化作战中发挥越来越重要的作用,超轻超大复合材料结构技术是提高其持续能力、 生存能力、可靠性和有效载荷能力革命性跃升的关键。 各种无人机(UAV),包括无人侦察机和无人作战飞机 (UCAV-Uninhabited Combat aerial Vehicle),作为一种新型 航空作战武器是当前发展研究的一个热点。无人机具有低成 本、轻结构、高机动、大过载、长航程、高隐身、低使用寿命、 长储存寿命的鲜明技术特点,这些特点决定了其对减重有迫切的需求,从而对复合材料有迫切的需求。

“故而各种无人机上复合材料的用量较有人机的要大, 一般在 50~80% 之间,有的甚至是全复合材料飞机,鲜明地体现了飞机结构复合材料化的特点和趋势。”陈工说。

复合材料在直升机上的应用

直升机包括军用直升机、民用直升机和轻型直升机,在各种直升机上先进复合材料的用量均较大,超过军机、民机的用量。

美国在 ACAP(Advanced Composite Application Plan)计划下,研制了 H360、S-75、BK-117、V-22 等机型均大量应用了复合材料。典型的V-22,可垂直起落、倾转旋翼后又能高速巡航, 用复合材料3000公斤,占结构总重的50%左右;RAH66(50%); 欧洲的 Tiger,虎式武装直升机用量更高达 80%。

中法新合作研制的EC120,桨叶、机身、垂尾、水平安定面、尾梁、整体管梁式前舱等很有特点,直九用复合材料 23% 左右(由 80 年代的海豚发展而来),现已发展到 35% 左右。 台湾纬华直升机公司的 ULTRASPORT 系列超轻型直升机为 全复合材料直升机,双座的轻达 180kg,创造了世界之最。

“进一步扩大应用复合材料是各类直升机发展的一个明显的趋势。”陈工表示。

先进复合材料在特种飞机上的应用

特种飞机系指为某一特种目的研发的非通用型飞机。该类飞机几乎无一例外的均为全复合材料飞机,复合材料在该类飞机上的出色应用为其带来了空前的成功与骄傲。

“太阳神号”(Helios)是为美国 NASA 领导研制的太阳能高空长航时稳定飞行无人机,全机为一种飞翼式布局, 展长 75m,超过 B747 展长,空重 600 千克,2001 年飞行了 17 小时,创下了 29516 米的飞行高度世界记录。

欧洲研制的太阳能无人机“Solar Impulse”:亦为一全复合材料飞机,展长 80 米,总重约 2 吨,采用了高刚度碳纤维复合材料。

陈工认为,特种飞机靠先进复合材料的优异性能创造了 一系列飞行的世界纪录,预计将来还会有新的奇迹出现。

我国军用飞机的应用及发展

在谈到我国军用飞机的发展情况时,陈工表示,经过了 40 多年的研究发展已有一定的规模和水平。主机生产厂均已建设了生产手段,完成了相应的技术改造。研究院所均有了 较大发展,设备有了较大改造。国内从设计、材料到工艺有了一支配套的研发队伍。各重点高校均有一定研究力量,培养了大量人才。军民用复合材料研究应用受到了一定重视。 相关学会在学术交流上作了大量工作,促进了发展。

但与国外相比,国内在应用的规模与水平、材料的基础和配套、制造工艺和设备、设计方法和手段上仍处于比较落后的水平。缺乏创新意识,创新能力严重不足。复合材料技 术发展日新月异,新方法、新理论、新材料、新工艺层出不穷, 因此,应用主动加强国际合作和交流,特别是与工程部门的交流,紧跟复合材料国际化发展的趋势和步伐。

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