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侃侃战斗机的座舱盖

发布时间:2017-09-30  原作者:卢士玉 军胜 王野   点击数:

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座舱盖是用什么材料做的?

  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。

正在进行切削加工的F-35整体座舱盖
正在进行切削加工的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。

Me 109战斗机的平板玻璃座舱盖
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。

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
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。

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
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

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