李航航 閻勇 尹航

摘要：一代飛行平臺、一套設(shè)計(jì)體系、一代材料應(yīng)用。飛行器結(jié)構(gòu)、材料始終伴隨著飛行器平臺的發(fā)展而不斷發(fā)展，始終為飛行器結(jié)構(gòu)平臺性能的提升提供物質(zhì)保障。結(jié)構(gòu)材料是先進(jìn)飛行器設(shè)計(jì)研制的技術(shù)基礎(chǔ)。隨著戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)展演化，飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料體系也表現(xiàn)出明顯的技術(shù)劃代特征。通過對各代飛機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和選材的研究分析，探索了未來新一代戰(zhàn)斗機(jī)可能采用的結(jié)構(gòu)形式、技術(shù)特征，提出未來先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料發(fā)展初步需求。

關(guān)鍵詞：戰(zhàn)斗機(jī)；結(jié)構(gòu)特征；新材料；需求

中圖分類號：V271.4文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.04.002

以美國為代表的世界航空技術(shù)強(qiáng)國在陸續(xù)裝備了當(dāng)今世界上最為先進(jìn)的F-22、F-35等先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)以后，開始逐步探索未來新一代作戰(zhàn)平臺的技術(shù)研究和型號發(fā)展論證工作。目前，美國正在研制的X-47B無人機(jī)、X-37B高超聲速飛行器、SR-72高超聲速隱身無人戰(zhàn)略偵察機(jī)等先進(jìn)飛行器均有可能成為未來作戰(zhàn)使用平臺。美國洛克希德-馬丁公司不久前公布了自己設(shè)想的未來第六代戰(zhàn)斗機(jī)初步目標(biāo)圖像和作戰(zhàn)概念。

俄羅斯對未來第六代作戰(zhàn)飛機(jī)的研究雖不如美國目標(biāo)清晰，但是，其在新一代遠(yuǎn)程戰(zhàn)略轟炸機(jī)平臺研究方面絲毫沒有滯后，經(jīng)過多種方案優(yōu)選競標(biāo)，最終，俄空軍確認(rèn)了新一代戰(zhàn)略轟炸機(jī)研發(fā)方案將采用由圖波列夫設(shè)計(jì)局設(shè)計(jì)的“飛翼式亞聲速隱身布局”方案，俄羅斯將這種新一代戰(zhàn)略轟炸機(jī)稱為“遠(yuǎn)程航空兵遠(yuǎn)景航空系統(tǒng)”，即PAK DA（俄文ПАКД?。┺Z炸機(jī)。另外，歐洲、日本等國家也都先后推出高超聲速飛行器項(xiàng)目。所有這些先進(jìn)飛行器大多數(shù)都具有隱身、高速、跨域等典型技術(shù)特征。因此，未來飛行器的發(fā)展方向就是更高、更快、更隱身。與之相應(yīng)的飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)必然將朝著更輕質(zhì)、更高效、更長壽命、更低成本的方向發(fā)展，以滿足飛行器平臺不斷提高的技術(shù)性能和作戰(zhàn)能力要求。

1戰(zhàn)斗機(jī)結(jié)構(gòu)技術(shù)特征與選材

現(xiàn)代作戰(zhàn)飛機(jī)經(jīng)過70年發(fā)展，已經(jīng)裝備到了第五代（也有國家稱為四代機(jī)[1]）。隨著作戰(zhàn)需求和作戰(zhàn)概念的不斷變化，不同時期研制的戰(zhàn)斗機(jī)具有不同的外形和結(jié)構(gòu)特征，典型結(jié)構(gòu)外形演化如圖1所示。

第一代，以美國的F-86、F-100，前蘇聯(lián)的米格-19等為代表，屬于亞跨聲速戰(zhàn)斗機(jī)。主要結(jié)構(gòu)特征：普遍采用大展弦比后掠梯形機(jī)翼、蜂腰形機(jī)身結(jié)構(gòu)，機(jī)頭進(jìn)氣，前三點(diǎn)式起落架等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。機(jī)身采用框梁式板鉚結(jié)構(gòu)，機(jī)翼采用雙梁或多墻式結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)材料以普通鋁合金為主，采用傳統(tǒng)機(jī)械加工和手工鈑金成形，飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量（質(zhì)量）系數(shù)超過35%，主體結(jié)構(gòu)按靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)，關(guān)鍵結(jié)構(gòu)考慮了疲勞強(qiáng)度要求。

第二代，以美國F-4、前蘇聯(lián)米格-21等為代表，屬超聲速戰(zhàn)斗機(jī)。主要結(jié)構(gòu)特征：采用小展弦比三角翼、尖前緣、薄翼型結(jié)構(gòu)外形設(shè)計(jì)，機(jī)翼采用多墻式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。機(jī)身有明確的分離面以方便拆裝。結(jié)構(gòu)材料以高強(qiáng)、超高強(qiáng)鋁合金和低合金結(jié)構(gòu)鋼為主。其中，鋁合金達(dá)到75%，鋼占20%左右。其他高性能合金和復(fù)合材料幾乎沒有，結(jié)構(gòu)重量系數(shù)為32%～35%。主體結(jié)構(gòu)采用靜強(qiáng)度結(jié)合疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，機(jī)體壽命一般為3000飛行小時。選材主要追求高比強(qiáng)度和比剛度，后期開始要求材料有良好的疲勞性能。

第三代，以美國F-15、F-16、前蘇聯(lián)米格-29、蘇-27、法國“幻影”2000等為代表。主要結(jié)構(gòu)特征：可以超聲速作戰(zhàn)（馬赫數(shù)2.0左右），大量采用整體結(jié)構(gòu)，機(jī)翼多采用相對厚度較小的大后掠角翼、翼身融合和邊條翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)材料以高強(qiáng)、高韌鋁合金為主，鈦合金和復(fù)合材料用量提高，鋼材比例大幅減少，結(jié)構(gòu)重量系數(shù)為30%～32%。高強(qiáng)不銹鋼和高韌性結(jié)構(gòu)合金鋼的應(yīng)用，提高了材料的疲勞、斷裂和耐蝕性能。結(jié)構(gòu)按損傷容限設(shè)計(jì)，飛機(jī)壽命為4000～6000飛行小時，少數(shù)機(jī)型通過延壽達(dá)到8000飛行小時。

第四代，以俄羅斯蘇-35、美國F/A-18E、法國的“陣風(fēng)”等飛機(jī)為代表。主要結(jié)構(gòu)特征：飛機(jī)結(jié)構(gòu)多沿用三代機(jī)典型結(jié)構(gòu)布局，基本不具備隱身能力或者具備有限隱身效果。部分機(jī)型為了提高機(jī)動能力采用了推力矢量技術(shù)。結(jié)構(gòu)材料以高性能鋁合金和鈦合金為主，復(fù)合材料使用占有較大比重，結(jié)構(gòu)采用先進(jìn)的數(shù)字化加工工藝和激光成形技術(shù)工藝。結(jié)構(gòu)重量系數(shù)30%左右，飛機(jī)結(jié)構(gòu)壽命6000飛行小時以上。

第五代，以美國F-22、F-35和俄羅斯蘇-57為代表。主要結(jié)構(gòu)特征：具有隱身性能，飛機(jī)雷達(dá)截面積（RCS）比四代機(jī)低1～2個數(shù)量級，如F-22的RCS值只有0.1～0.01m2；具備超聲速巡航能力，能夠在馬赫數(shù)1.5下持續(xù)航行30min以上。配有矢量推力控制發(fā)動機(jī)，可實(shí)現(xiàn)過失速機(jī)動和很好的敏捷性。采用翼身融合體結(jié)構(gòu)，菱形機(jī)翼、外傾式雙垂尾，有的采用了大邊條翼設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)材料雖以金屬材料為主，但傳統(tǒng)的鋼和鋁合金材料用量比例已經(jīng)大幅下降，總和不到20%。鈦合金和復(fù)合材料用量大幅提高。飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量系數(shù)達(dá)到28%左右。美國新研的F-35戰(zhàn)斗機(jī)上，復(fù)合材料用量比例達(dá)到了50%，并且高性能鋁鋰合金材料用量比例有很大提高。采用隱身/結(jié)構(gòu)功能一體化的超大型整體結(jié)構(gòu)，按損傷容限耐久性設(shè)計(jì)，飛機(jī)壽命達(dá)到8000飛行小時。表1列出了幾種典型戰(zhàn)斗機(jī)結(jié)構(gòu)選材情況[2]。

從以上各代戰(zhàn)斗機(jī)結(jié)構(gòu)特征演化和選材用量情況來看，隨著戰(zhàn)斗機(jī)性能提升，飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)重量系數(shù)不斷降低，結(jié)構(gòu)壽命不斷提高，飛機(jī)結(jié)構(gòu)的使用可靠性也不斷增加。表現(xiàn)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)選材方面，高性能結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用持續(xù)增加，尤其是性能先進(jìn)的復(fù)合材料、鈦合金結(jié)構(gòu)材料用量比例不斷提升。預(yù)計(jì)未來，在新一代先進(jìn)作戰(zhàn)飛機(jī)上，新型輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料、耐高溫結(jié)構(gòu)材料和功能結(jié)構(gòu)一體化材料將會得到更為廣泛的應(yīng)用。

2第六代戰(zhàn)斗機(jī)主要技術(shù)特征與選材

隨著美國第五代戰(zhàn)斗機(jī)的裝備，俄羅斯蘇-57的研制試飛，以及我國第五代戰(zhàn)斗機(jī)的裝備，航空技術(shù)發(fā)達(dá)國家都已經(jīng)開始探索第六代戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)展問題，包括作戰(zhàn)定位、使用方式、概念設(shè)計(jì)、關(guān)鍵技術(shù)需求等。從目前來看，各國觀點(diǎn)既有統(tǒng)一（如隱身能力、全方位態(tài)勢感知能力等）；又有分歧（如有人駕駛還是無人駕駛；是航空器還是空天一體飛行器；常規(guī)結(jié)構(gòu)布局還是變體結(jié)構(gòu)布局）

通過對美、俄等國技術(shù)資料的研究分析，結(jié)合國內(nèi)在飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展，對第六代戰(zhàn)斗機(jī)結(jié)構(gòu)特征與選材初步分析如下。

2.1第六代戰(zhàn)斗機(jī)主要結(jié)構(gòu)特征

依據(jù)美國公布的未來戰(zhàn)斗機(jī)作戰(zhàn)概念和目標(biāo)圖像設(shè)計(jì)方案（波音公司的F/A-XX、斯塔瓦提重工業(yè)公司的SM-36以及洛克希德-馬丁公司的未來作戰(zhàn)飛行器），預(yù)測第六代戰(zhàn)斗機(jī)將具備以下主要結(jié)構(gòu)特征。

（1）“全頻譜”隱身結(jié)構(gòu)布局

以F-22為代表的第五代戰(zhàn)斗機(jī)強(qiáng)調(diào)的隱身能力主要集中在雷達(dá)、紅外和射頻三個方面，隨著未來探測技術(shù)的發(fā)展，第六代戰(zhàn)斗機(jī)將采用機(jī)體結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)天線一體化融合設(shè)計(jì)技術(shù)以降低對探測信號的物理反射。采用新型涂覆技術(shù)以確保飛行員座艙良好視界下的隱身性能。飛機(jī)結(jié)構(gòu)布局采用翼身融合乃至飛翼式結(jié)構(gòu)等以提高飛機(jī)的雷達(dá)隱身性能，使其RCS值將比F-22再降低一個數(shù)量級。在紅外隱身方面，將采用發(fā)動機(jī)噴口遮蔽技術(shù)、排氣溫度控制技術(shù)以及關(guān)鍵結(jié)構(gòu)微循環(huán)設(shè)計(jì)技術(shù)等以降低發(fā)動機(jī)排氣溫度和飛機(jī)高速飛行時機(jī)體上的駐點(diǎn)溫度，使飛機(jī)的紅外特征信號明顯降低。在射頻隱身方面，第六代戰(zhàn)斗機(jī)將采用射頻定向控制技術(shù)，以降低數(shù)據(jù)鏈通信被截獲的概率。另外，第六代戰(zhàn)斗機(jī)會采取可見光和聲頻控制技術(shù)，使其具備良好的可見光隱身和“聲音靜默”狀態(tài)?？梢灶A(yù)見，第六代戰(zhàn)斗機(jī)將具有“全頻譜”隱身結(jié)構(gòu)布局。

（2）“高承載”能力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

從美國提供的第六代戰(zhàn)斗機(jī)概念構(gòu)想來看，無論第六代戰(zhàn)斗機(jī)采用有人駕駛還是無人駕駛，甚至采用有人與無人結(jié)合方式，都需要具備執(zhí)行多樣化任務(wù)能力，可以在更廣闊的作戰(zhàn)范圍內(nèi)執(zhí)行奪取制空權(quán)、空中壓制和監(jiān)視偵察等任務(wù)，這就要求第六代戰(zhàn)斗機(jī)要有更快的速度、更遠(yuǎn)的作戰(zhàn)半徑和更長的續(xù)航時間，這些指標(biāo)要求體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面就是要有“高承載”能力結(jié)構(gòu)，以滿足飛機(jī)在最大飛行速度達(dá)到馬赫數(shù)Ma3～5時的結(jié)構(gòu)安全性要求，以及飛機(jī)的機(jī)動飛行要求。另外，飛機(jī)在超高聲速下飛行可能產(chǎn)生高達(dá)2000K以上的氣動加熱，因此，必須具備飛機(jī)結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力預(yù)測與分析技術(shù)，采取相應(yīng)技術(shù)措施進(jìn)行結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)與技術(shù)防護(hù)。

（3）輕質(zhì)低成本結(jié)構(gòu)材料使用

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)始終與材料工藝技術(shù)密不可分，沒有性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)材料和良好的結(jié)構(gòu)加工工藝，任何設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)都只能是紙面文章，難以應(yīng)用。分析戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)展演化過程，我們不難看出，飛機(jī)設(shè)計(jì)始終追求結(jié)構(gòu)的堅(jiān)固耐用與輕質(zhì)化。結(jié)構(gòu)重量系數(shù)和飛機(jī)壽命指標(biāo)是衡量一型戰(zhàn)斗機(jī)是否先進(jìn)的重要技術(shù)指標(biāo)，在滿足結(jié)構(gòu)使用要求下的低結(jié)構(gòu)重量系數(shù)飛機(jī)，其作戰(zhàn)能力更強(qiáng)，技術(shù)指標(biāo)更好。因此，一代飛機(jī)平臺需要應(yīng)用一代新的結(jié)構(gòu)材料。預(yù)計(jì)第六代戰(zhàn)斗機(jī)將在主承力結(jié)構(gòu)上大量采用整體結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、高性能耐高溫合金、陶瓷結(jié)構(gòu)材料、納米結(jié)構(gòu)材料、石墨烯結(jié)構(gòu)材料等新型輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，使飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量系數(shù)達(dá)到25%以下，壽命達(dá)到10000飛行小時左右。

（4）長壽命高可靠性結(jié)構(gòu)應(yīng)用

要降低第六代戰(zhàn)斗機(jī)使用成本，必須具有良好的維護(hù)性和結(jié)構(gòu)的長壽命高可靠性。目前，第五代戰(zhàn)斗機(jī)結(jié)構(gòu)壽命已經(jīng)達(dá)到8000飛行小時/30日歷年的設(shè)計(jì)指標(biāo)。因第六代戰(zhàn)斗機(jī)暫時還難以確定是有人還是無人駕駛；是單一航空器還是空天一體飛行器；是常規(guī)布局還是變體布局；所以不能給出較為明確的結(jié)構(gòu)壽命指標(biāo)，只能依據(jù)技術(shù)進(jìn)展及發(fā)展趨勢，預(yù)測指標(biāo)參考值或設(shè)計(jì)范圍。由于第六代戰(zhàn)斗機(jī)不可避免地采用大量新結(jié)構(gòu)、新材料和新工藝，以及新的設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方法，這些新技術(shù)都為飛機(jī)結(jié)構(gòu)的長壽命高可靠性要求提出了新的挑戰(zhàn)。因此，開展結(jié)構(gòu)長壽命高可靠性應(yīng)用研究是第六代戰(zhàn)斗機(jī)的基本需求。

（5）整體化“積木”式結(jié)構(gòu)運(yùn)用

隨著數(shù)字化技術(shù)發(fā)展，飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工越來越便利，整體化結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)與應(yīng)用越來越廣泛。大量整體化結(jié)構(gòu)既提高了飛機(jī)結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，又有效降低了飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量，提高了飛機(jī)結(jié)構(gòu)使用的可靠性。并且隨著整體化結(jié)構(gòu)件尺寸的不斷增大，為飛機(jī)結(jié)構(gòu)“積木”式設(shè)計(jì)提供了條件?！胺e木”式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，既利于飛機(jī)結(jié)構(gòu)裝配和通用化設(shè)計(jì)，便于飛機(jī)多用途改進(jìn)，更利于飛機(jī)結(jié)構(gòu)的有效補(bǔ)償。對于超大型整體結(jié)構(gòu)，采用“積木”式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠有效補(bǔ)償由于結(jié)構(gòu)使用環(huán)境溫度變化而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和因?yàn)榧庸すに噹淼慕Y(jié)構(gòu)誤差。據(jù)報(bào)道，在SR-72飛行器上就大量采用了“積木”式結(jié)構(gòu)補(bǔ)償設(shè)計(jì)技術(shù)以彌補(bǔ)飛機(jī)在高超聲速飛行時帶來的熱應(yīng)力問題。

（6）自適應(yīng)智能結(jié)構(gòu)

為了滿足飛行器在不同高度、不同速度下的最佳構(gòu)型需要，需要對飛機(jī)的結(jié)構(gòu)外形，特別是機(jī)翼結(jié)構(gòu)外形進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整變化，如變彎度機(jī)翼結(jié)構(gòu)、變后掠翼結(jié)構(gòu)等。飛機(jī)發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道需要設(shè)計(jì)成一種可自動調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，以滿足在不同飛行條件下的進(jìn)發(fā)匹配需要。這種隨著飛行狀態(tài)變化可不斷調(diào)整改變的結(jié)構(gòu)就是自適應(yīng)結(jié)構(gòu)。隨著技術(shù)發(fā)展，自適應(yīng)結(jié)構(gòu)不僅依靠機(jī)械系統(tǒng)完成，并開始采用形狀記憶合金、結(jié)構(gòu)柔性控制、結(jié)構(gòu)壓電驅(qū)動等新技術(shù)，形成一種具有結(jié)構(gòu)自適應(yīng)的智能結(jié)構(gòu)，結(jié)合結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的健康診斷和故障重構(gòu)。

2.2第六代戰(zhàn)斗機(jī)主要結(jié)構(gòu)選材分析

從各代戰(zhàn)斗機(jī)演化過程可以看出，飛機(jī)的結(jié)構(gòu)選材是隨著航空材料技術(shù)發(fā)展、結(jié)構(gòu)加工技術(shù)提高而不斷向新材料、新工藝拓展應(yīng)用的過程。因此，對于第六代戰(zhàn)斗機(jī)來說，其結(jié)構(gòu)選材具有以下特點(diǎn)。

（1）主承力結(jié)構(gòu)整體化復(fù)合材料

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)因其具有較高的比強(qiáng)度、比剛度，而成為現(xiàn)代先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)結(jié)構(gòu)的主要材料之一，隨著技術(shù)發(fā)展，其用量比例將越來越高。據(jù)報(bào)道，F(xiàn)-35飛機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料用量已經(jīng)超過50%，其所用部位已經(jīng)由最初的操縱面、口蓋結(jié)構(gòu)，到機(jī)翼、尾翼壁板結(jié)構(gòu)，直到現(xiàn)在的機(jī)翼整體結(jié)構(gòu)油箱、機(jī)身壁板結(jié)構(gòu)主承力件。隨著熱固性復(fù)合材料技術(shù)成熟，以及陶瓷基復(fù)合材料的工程應(yīng)用，在第六代戰(zhàn)斗機(jī)上將會有更多的整體化、耐高溫復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，以滿足對飛機(jī)重量的苛刻要求。

（2）高性能輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料

高性能輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料一直是戰(zhàn)斗機(jī)上不可或缺的重要結(jié)構(gòu)材料，這些材料的應(yīng)用可以明顯降低飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量系數(shù)，為提升飛機(jī)飛行性能、提高飛機(jī)的載油、載彈量具有重要作用。由于材料成本和加工工藝問題，以往，這些先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料僅用于飛機(jī)的關(guān)鍵部位，如發(fā)動機(jī)等。隨著技術(shù)發(fā)展，在第六代戰(zhàn)斗機(jī)上將會大量采用高性能輕質(zhì)合金材料，如高強(qiáng)高韌鈦合金、耐蝕性/可焊性好的不銹鋼、重量輕穩(wěn)定性好的鋁鋰合金等材料?？紤]第六代戰(zhàn)斗機(jī)的高超聲速飛行要求，結(jié)構(gòu)材料的耐高溫性能，如蠕變、伸展、耐蝕特性等將成為飛機(jī)平臺選材的重要技術(shù)指標(biāo)。

（3）熱防護(hù)結(jié)構(gòu)材料

由于技術(shù)限制，目前能夠在大氣層內(nèi)實(shí)現(xiàn)超高聲速飛行并重復(fù)使用的飛行器還很少，主要原因之一就是結(jié)構(gòu)材料的長時間耐熱性問題。解決辦法：（1）采取結(jié)構(gòu)降溫設(shè)計(jì)，往往代價(jià)較大且大幅提高了結(jié)構(gòu)重量；（2）采用耐高溫結(jié)構(gòu)，需要有耐高溫性好的結(jié)構(gòu)材料；（3）在結(jié)構(gòu)表面涂覆耐高溫涂層，降低對結(jié)構(gòu)的熱傳遞；（4）采取隔熱措施，阻止熱載荷直接作用于飛行器主承力結(jié)構(gòu)。無論何種措施，都需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱設(shè)計(jì)和熱防護(hù)，最終經(jīng)過綜合權(quán)衡以滿足飛行器使用要求。

（4）功能結(jié)構(gòu)材料

近年來，一批新型功能結(jié)構(gòu)材料涌現(xiàn)出來，如形狀記憶結(jié)構(gòu)材料、自診斷修復(fù)結(jié)構(gòu)材料、超導(dǎo)結(jié)構(gòu)材料、納米材料、梯度功能結(jié)構(gòu)材料以及模量可變結(jié)構(gòu)材料等。這些新型結(jié)構(gòu)材料在各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域都具有十分獨(dú)特的技術(shù)特性，未來很可能應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)變體設(shè)計(jì)、易損傷結(jié)構(gòu)修復(fù)、結(jié)構(gòu)表面減阻、結(jié)構(gòu)防除冰和高溫耐熱防護(hù)等方面發(fā)揮重要作用。相信隨著技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，它們將在未來飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中大放異彩。

（5）新型隱身結(jié)構(gòu)材料

隱身性能不僅是以F-22為代表的第五代戰(zhàn)斗機(jī)的典型技術(shù)特征，在未來新一代遠(yuǎn)程戰(zhàn)略轟炸機(jī)上也必將采用隱身技術(shù)?？梢哉f，隱身技術(shù)是未來很長一段時期內(nèi)飛行器發(fā)展的必由之路。因此，必須開展對新型隱身結(jié)構(gòu)和材料的研究，以滿足未來飛行器的設(shè)計(jì)需要。對第六代戰(zhàn)斗機(jī)來說，就是要發(fā)展能夠同時兼顧飛機(jī)高超聲速飛行和隱身雙重要求的新型結(jié)構(gòu)材料，特別是紅外隱身結(jié)構(gòu)材料。

3新材料需求分析

隨著結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)和新材料工程應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，未來第六代戰(zhàn)斗機(jī)和新一代遠(yuǎn)程轟炸機(jī)將具有更廣泛的結(jié)構(gòu)選材基礎(chǔ)，新型結(jié)構(gòu)材料的工程化應(yīng)用必將大幅提高未來作戰(zhàn)飛機(jī)對結(jié)構(gòu)材料的輕質(zhì)、高效、長壽命和高可靠性需求。

3.1石墨烯材料

石墨烯是人類已知最薄的材料，兼具最強(qiáng)面內(nèi)強(qiáng)度和抗破壞能力的平面材料，具有極高的導(dǎo)電、導(dǎo)熱和電磁場吸收能力，其面內(nèi)熱導(dǎo)率超過金剛石，對幾乎所有波段都有電磁吸收或光吸收作用，是極為理想的結(jié)構(gòu)復(fù)合和功能設(shè)計(jì)材料。石墨烯的平面結(jié)構(gòu)和柔韌性使其很容易與各種材質(zhì)、各種形狀材料形成疊層式復(fù)合。與常見的以晶粒型、纖維型增強(qiáng)相材料相比，石墨烯與其他材料復(fù)合時是以原子層級平面存在，有效提升了界面結(jié)合力，因此，新型石墨烯疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)可以使材料比強(qiáng)度、抗沖擊力等力學(xué)性能大幅提升，具有抗熱沖擊、激光沖擊和超高吸能作用，易形成力-光-電-熱耦合傳感的一體化智能結(jié)構(gòu)。目前國際上石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)的研究主要可歸為兩大類型，一種是基于氧化石墨烯和氧化還原石墨烯，另一種是化學(xué)氣相沉積的高質(zhì)量石墨烯。經(jīng)過石墨烯復(fù)合調(diào)制后的結(jié)構(gòu)可以大幅提升結(jié)構(gòu)比強(qiáng)度和比模量，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重，提升結(jié)構(gòu)材料負(fù)荷分配和沖擊傳導(dǎo)能力，增強(qiáng)抗沖擊韌性，也能提升結(jié)構(gòu)的吸波、導(dǎo)熱能力。因此，在未來新一代作戰(zhàn)飛機(jī)的表面防護(hù)、結(jié)構(gòu)隱身和防除冰設(shè)計(jì)中將會發(fā)揮重要作用。

3.2碳納米管增強(qiáng)材料

碳納米管（CNT）是片狀石墨烯卷成的圓筒狀分子纖維，具有極優(yōu)良的本征特性，如耐熱、耐腐蝕、耐熱沖擊、傳熱、導(dǎo)電等。CNT特有的螺旋、管狀結(jié)構(gòu)使其具有很好的電磁特性。理論預(yù)測碳納米管抗拉強(qiáng)度達(dá)到50～200GPa，是鋼的100倍，密度卻只有鋼的1/6，至少比常規(guī)石墨纖維高一個數(shù)量級；它的彈性模量可達(dá)1TPa，與金剛石的彈性模量相當(dāng)，約為鋼的50倍。CNT破壞能吸收極大能量，使其具有高強(qiáng)高韌特點(diǎn)。單根單壁CNT電導(dǎo)率與銅鋁相當(dāng)。CNT纖維具有高純化、高強(qiáng)化、高韌化、石墨化、多功能化等多種優(yōu)勢。CNT纖維可以通過溶液紡絲、陣列紡絲、氣凝膠紡絲等方法制備，但是所獲得纖維性能，卻遠(yuǎn)低于單根CNT，強(qiáng)度一般在1～2GPa，極少數(shù)能達(dá)到3GPa以上。極好的力學(xué)性能和溫度穩(wěn)定性，碳納米管被認(rèn)為是一種很好的輕質(zhì)增強(qiáng)、增韌材料。為此，研究者將碳納米管分散于樹脂基體中提高樹脂基體的斷裂韌性和導(dǎo)電性，也采用將碳納米管噴涂或枝接在纖維表面以改善界面強(qiáng)度或者在復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)各單層間鋪設(shè)碳納米管增韌層，起到增強(qiáng)層間剪切強(qiáng)度作用。目前，已經(jīng)成功制備碳納米管纖維和薄膜結(jié)構(gòu)材料。

3.3熱塑性復(fù)合材料

與熱固性復(fù)合材料（密度1.7～2.0g/cm3）相比，熱塑性復(fù)合材料具有非常明顯優(yōu)勢，包括密度更低（1.4～1.6g/cm3）、減重更明顯、比剛度和比強(qiáng)度更高、韌性更好、抗蠕變和抗沖擊能力更強(qiáng)、成形周期短（以分鐘計(jì)）、生產(chǎn)效率高、使用成本更低、耐水性極優(yōu)、儲存要求低、維修性好和可回收再利用等優(yōu)點(diǎn)，是一種很有發(fā)展前途的飛機(jī)和發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)材料。由于熱塑性樹脂基體熔點(diǎn)高、熔融時黏度大，樹脂基體對纖維的浸潤性差、層間孔隙難以排除、成形過程中樹脂流動不均勻、易造成纖維彎曲等因素使得熱塑性復(fù)合材料預(yù)浸料制造難度大，材料成本高且制件成形需要高溫高壓，對設(shè)備和輔料要求苛刻，因此在相當(dāng)一段時期里制約了其廣泛的應(yīng)用。以美國為首的西方發(fā)達(dá)國家經(jīng)過多年研究，獲得重大技術(shù)突破，尤其成功制備出碳纖維增強(qiáng)聚醚酰亞胺（C/PEI）復(fù)合材料，使熱塑性復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。典型案例就是灣流G550公務(wù)機(jī)壓力艙壁板。另外，F(xiàn)-22戰(zhàn)斗機(jī)上熱塑性復(fù)合材料用量也占到10%。F-117A的全自動尾翼、C-130機(jī)身腹部壁板、法國“陣風(fēng)”發(fā)動機(jī)周圍蒙皮、F/A-18機(jī)翼壁板等結(jié)構(gòu)均使用了熱塑性復(fù)合材料。

3.4金屬層合結(jié)構(gòu)材料

金屬層合結(jié)構(gòu)就是將不同金屬或者金屬與非金屬材料在一定的溫度和壓力下進(jìn)行固化而形成的一種層間混雜復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。目前在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上主要采用金屬薄板和纖維復(fù)合材料交替鋪層后進(jìn)行混雜復(fù)合，也稱纖維金屬層板（Fiber Metal Laminates，F(xiàn)MLs）。這類層板既有金屬的高損傷容限和抗沖擊性，又有復(fù)合材料的低密度、高比強(qiáng)度、高耐疲勞、阻燃、抗疲勞腐蝕及可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，適用于受疲勞載荷為主、有外物沖擊和高溫環(huán)境下使用的結(jié)構(gòu)中，可減輕結(jié)構(gòu)重量、提高使用壽命、降低生產(chǎn)成本。

第一代纖維金屬層板——芳綸纖維鋁合金層板（ARALL），兼顧重量、價(jià)格和疲勞性能，使其在Foker27下機(jī)翼蒙皮和C-17飛機(jī)貨艙門等結(jié)構(gòu)上成功應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)減重達(dá)30%左右，疲勞壽命提高三倍。第二代纖維金屬層板——玻璃纖維鋁合金層板（GLARE），經(jīng)過多年發(fā)展，形成六大系列，廣泛應(yīng)用于波音777貨艙地板和空客A380機(jī)身壁板結(jié)構(gòu)，使A380飛機(jī)減重近794kg。第三代纖維金屬層板——碳纖維鈦合金層板（TiCr）主要是解決超聲速飛機(jī)構(gòu)件材料的耐高溫和疲勞問題，經(jīng)過對鈦合金表面處理以及高韌高耐熱碳纖維預(yù)浸料研制，改善了鈦—樹脂界面，已應(yīng)用于波音787機(jī)身及機(jī)翼結(jié)構(gòu)中。

3.5表面減阻材料

空氣阻力是影響飛機(jī)航速與航程等性能指標(biāo)的重要因素，優(yōu)化飛行器氣動布局，減小飛行阻力是提高飛行器性能的有效技術(shù)途徑。飛行阻力包括壓差阻力和摩擦阻力。要減少摩擦阻力可以通過減少結(jié)構(gòu)浸潤面積和控制氣流邊界層。減少浸潤面積一般通過翼身融合體設(shè)計(jì)?？刂茪饬鬟吔鐚觿t是利用層流摩擦阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于湍流摩擦阻力的技術(shù)原理，在飛行器表面實(shí)施湍流控制，以降低摩擦阻力。主要方法是在飛行器表面順氣流方向形成細(xì)小溝槽或凸起，以降低氣流轉(zhuǎn)捩。也可以通過在飛行器表面涂覆疏水涂層或納米涂層以改善氣流邊界效應(yīng)。據(jù)資料顯示，該方法可以將飛行器表面摩擦阻力最大降低5%左右。

3.6功能結(jié)構(gòu)材料

功能結(jié)構(gòu)材料就是將材料力學(xué)性能與其實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)功能融為一體的新型材料。這種結(jié)構(gòu)材料往往是通過對已有材料進(jìn)行改性、添加或者結(jié)構(gòu)復(fù)合，形成具有一定功能效果的結(jié)構(gòu)材料。如隱身結(jié)構(gòu)材料、防除冰結(jié)構(gòu)材料、防雷電結(jié)構(gòu)材料和耐高溫結(jié)構(gòu)材料等。這種材料不同于一般的結(jié)構(gòu)涂層，它具有一定的甚至是良好的結(jié)構(gòu)承力性能。二維石墨烯片層自組裝而成的三維支撐多孔結(jié)構(gòu)泡沫就是一種寬頻帶高性能吸波結(jié)構(gòu)，不僅體密度（≤3mg/cm3）極低，具有超高的壓縮性（循環(huán)壓縮應(yīng)變達(dá)90%以上）。厚度10mm的三維多孔石墨烯的反射損耗率均低于-10dB。這種吸波材料與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料復(fù)合，就可以形成很好的隱身結(jié)構(gòu)。同樣，利用材料的疏水性能和導(dǎo)電性能，可以復(fù)合形成防除冰結(jié)構(gòu)材料、防雷電結(jié)構(gòu)材料等。

4結(jié)論

先進(jìn)飛行器設(shè)計(jì)離不開先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和先進(jìn)的結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用，正所謂一代飛行平臺、一套設(shè)計(jì)體系、一代材料應(yīng)用。先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料是先進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，先進(jìn)結(jié)構(gòu)是先進(jìn)飛行平臺的技術(shù)保證，未來新一代作戰(zhàn)飛機(jī)研制論證離不開先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和新材料應(yīng)用，因此，未來新一代作戰(zhàn)飛機(jī)立項(xiàng)研制，材料技術(shù)必須先行。

鑒于技術(shù)發(fā)展的不確定性，特別是第六代戰(zhàn)斗機(jī)總體定位、技術(shù)指標(biāo)和裝備構(gòu)想都還不夠明確，因此，需要發(fā)展的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度技術(shù)以及新材料應(yīng)用需求均處于探索研究階段，只能拋磚引玉，引起大家思考和爭鳴。

參考文獻(xiàn)

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[2]李航航，高宏建.先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)結(jié)構(gòu)選材與制造工藝需求分析[J].航空制造技術(shù)，2004（Z1）：35-38. Li Hanghang，Gao Hongjian. Structural material selection and manufacturing requirement analysis for advanced fighter[J]. Aeronautical Manufacturing Technology，2004（Z1）：35-38.（in Chinese）（責(zé)任編輯王為）

作者簡介

李航航（1967-）男，博士，高級工程師。主要研究方向：飛行器總體與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度技術(shù)。

Tel：18910205770E-mail：li_hanghang@163.com閻勇（1975-）男，碩士，高級工程師。主要研究方向：飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度技術(shù)。

Tel：13501117525

E-mail：yany03@sohu.com

尹航（1986-）男，博士，工程師。主要研究方向：無人機(jī)總體技術(shù)。

Tel：13810488155

E-mail：yinhang321@163.com

New Structure Application and New Material Requirement Analysis for Fighter Aircraft

Li Hanghang*，Yan Yong，Yin Hang

Beijing Aeronautical Technology Reseach Center，Beijing 100076，China

Abstract： One generation aircraft platform， one design system， one generation material. Aircraft structures and materials have always evolved with the development of aircraft platforms， and provide material guarantee for aircraft platforms performance improvement. Structures and materials are the technical basis of advanced aircraft design and development. With the evolution of fighter aircraft， aircraft structure design and material system show obvious generational characteristics. Through the research and analysis of the structure characteristics of aircraft generation， the possible structure forms and technical characteristics of the next generation fighter aircraft in the future are explored， and the preliminary requirements for advanced structures and materials development are proposed.

Key Words： fighter aircraft； structure characteristics； new material； requirement