殲-20一身“鋼筋鐵骨”的關鍵是啥？

國防科技大學空天科學學院講師賀雍律為您講述——

機身結構材料：決勝空天的“硬脊梁”

■顧瑩 解放軍報特約記者 張照星

第十四屆中國航展閉幕當天，空軍殲-20戰(zhàn)機進行飛行展示。解放軍報記者 欒　鋮攝

2022年11月8日，第十四屆中國航展在珠海開幕。伴隨著發(fā)動機的轟鳴聲，4架殲-20組成鉆石編隊從低空掠過。單機表演中，殲-20在一分鐘的時間里連續(xù)完成“小半徑急轉”“旱地拔蔥”等動作，接下來的“筒滾”“橫滾”更是引得觀眾贊嘆不已。

所謂“外行看熱鬧、內(nèi)行看門道”?！巴矟L”“橫滾”對于殲-20只是“牛刀小試”，真正讓海內(nèi)外航空專家們大為驚嘆的，卻是看似不起眼的“小半徑急轉”“旱地拔蔥”等動作。戰(zhàn)斗機在高速飛行中完成這樣的動作，不僅需要優(yōu)異的氣動設計與飛行姿態(tài)控制能力，更重要的是有一副“鋼筋鐵骨”——戰(zhàn)斗機在進行大過載機動時，機身結構通常要承受9倍重力加速度；飛機設計時一般還要在此基礎上再留出約50%的冗余。這意味著殲-20在做“小半徑急轉”“旱地拔蔥”等動作時，機身結構需要承受數(shù)百噸質量所產(chǎn)生的作用力。

殲-20一身“鋼筋鐵骨”，關鍵在于其“強硬”的機身結構材料。機身結構材料，顧名思義就是承受戰(zhàn)斗機在飛行過程中氣動力、維持氣動外形的結構材料。性能優(yōu)異的機身結構材料是一架優(yōu)秀戰(zhàn)機不可或缺的部分，更是戰(zhàn)機決勝空天的“硬脊梁”。

“一代材料，一代戰(zhàn)機”

從萊特兄弟發(fā)明飛機至今，航空工業(yè)已經(jīng)走過了百余年時光。在這個過程中，材料和飛機在相互推動下不斷發(fā)展。所謂“一代材料，一代戰(zhàn)機”，正是世界軍事航空發(fā)展史的真實寫照。

總體來說，戰(zhàn)機機身結構材料的發(fā)展經(jīng)歷了四個階段：

第一階段從1903年至1910年。這個時期，飛機結構材料主要以木-布為主。木頭構筑起飛機的機身框架，帆布為飛機提供氣動外形。木頭作為結構材料，憑借著超輕的質量和較低的密度，獲得了長久的生命力。直至第二次世界大戰(zhàn)時期，木頭仍被應用于部分戰(zhàn)機上。其典型代表就是英國的“德·哈維蘭-蚊式戰(zhàn)斗轟炸機”。這款戰(zhàn)機擁有“木頭奇跡”的美譽，身輕如燕、性能優(yōu)良，是英國皇家空軍中一種頗具特色的機型。

第二階段從1910年到1949年。這一階段的機身材料以鋼-鋁為主。高強度的鋼常被用作主承力的機身框架結構，鋁合金則被用于機身蒙皮。以鋼-鋁材料制作的飛機機身，其強度、結構剛度以及抗彈能力都較木-布結構有了質的飛躍。二戰(zhàn)中，主力戰(zhàn)機機型例如美軍的P51野馬、F6F地獄貓以及英國的噴火式、德國的梅塞施密特Bf-109戰(zhàn)斗機無一例外都采用了鋼-鋁結構。

第三階段是從1950年到1979年。這個時期的機身材料以鋼、鋁、鈦為主。在耐高溫方面，美國與蘇聯(lián)走了兩條截然不同的路線。美國走的是“高端路線”——鈦合金。鈦合金密度低，以鈦合金制成的飛機結構質量較輕，然而其原材料價格偏高，不易加工。典型代表是美國設計的一款高空高速偵察機SR-71黑鳥，飛行速度可達3.35馬赫。蘇聯(lián)則選擇了“平民路線”——不銹鋼。相比之下，不銹鋼原材料易得、易加工，成本低廉。典型代表是蘇制的米格-25，其機身80%的結構采用不銹鋼制作，最大飛行速度達到2.8馬赫。值得一提的是，設計米格-25的初衷是為了攔截SR-71。然而，由于其笨重的不銹鋼機身，歷史上SR-71曾多次襲擾蘇聯(lián)領空，卻從未被成功攔截。

第四階段是從20世紀80年代至今。材料學家經(jīng)過長期探索，在已知的單質材料中，已找不到密度低于鋁合金、強度高于不銹鋼，且耐熱溫度接近鈦合金水平的材料了。隨著高性能耐熱聚合物基體被合成，輕質、高強的碳纖維開始大規(guī)模生產(chǎn)，先進復合材料開始進入材料學家的視野。先進復合材料低密度，性能可設計、易成型。同等結構強度下，采用復合材料制作的機身較鈦、鋁、鋼都能大幅度減重?，F(xiàn)在美國第四代戰(zhàn)機F-22、F-35等的復合材料用量高達24％和30％，俄羅斯最新五代機的復合材料用量也達到了15%。復合材料在先進戰(zhàn)機上的大規(guī)模應用，標志著現(xiàn)代戰(zhàn)機從“鋁為主，鈦、鋼結構并存”的時代邁向“復合材料為主，鋁、鈦、鋼結構共存”的新時代。

幾經(jīng)更迭，追求始終如一

從天然材料到金屬材料，再到復合材料，幾經(jīng)更迭，機身結構材料的追求始終如一——“其堅如鋼，其重如翎”。

其堅如鋼，是指具有優(yōu)異的強度與剛度。更高的材料強度可以賦予機身更優(yōu)異的抗擊打性能和更高的抗過載能力。優(yōu)異的材料剛度則為機身結構帶來更強的抵御變形能力。戰(zhàn)機在高速飛行過程中，時刻承受氣動載荷。如果抵御氣動力變形的能力不夠，輕則降低飛機的氣動效率，重則會引發(fā)不可逆的變形進而導致機毀人亡。

其重如翎，就是指機身材料要具有較低的密度。戰(zhàn)機的質量是影響綜合性能的主要指標。過大的質量不僅會降低飛行速度、影響空中機動能力，還會縮短航程。機身結構材料在戰(zhàn)斗機的質量中占比通常超過40%。因此，在結構材料上減重是增加戰(zhàn)斗機綜合性能的有效手段。

縱觀結構材料的發(fā)展歷史，做到“其堅如鋼”的材料不少，能實現(xiàn)“其重如翎”的也很多，但同時兼具兩種性能的結構材料屈指可數(shù)。為了便于比較材料“輕質高強”的能力，材料學家發(fā)明了“比強度”和“比模量”的概念。比強度是用材料的強度除以材料表現(xiàn)密度。同體積的材料，比強度越高，抗破壞的能力越強。比模量是用材料的彎曲度除以密度。同體積的材料，比模量越高抗變形的能力越強。

從木材到鈦合金，機身結構材料經(jīng)歷數(shù)十年的發(fā)展，其比強度與比模量并未發(fā)生質的飛躍。直到復合材料、特別是碳纖維復合材料的出現(xiàn)，機身結構材料水平又上升到一個新高度。碳纖維復合材料的比強度是鈦合金的3倍-5倍，比模量是鋼材的2倍-3倍。這意味著，同等性能下，機身結構采用碳纖維復合材料相較于鈦合金或鋼材減重達到50%-80%。復合材料的耐熱性能雖不及鋼和鈦合金，但部分型號也能達到300℃。此外，復合材料還兼具優(yōu)異的加工性能與良好的耐腐蝕、耐候性能。最為重要的一點是，復合材料具有良好的性能可設計性。通過更換樹脂與增強纖維的種類，以及添加不同的功能填料，可獲得不同性能特性組合的復合材料。這種性能可設計性賦予了其“結構-功能一體化”的特性。這樣一來，復合材料不僅可以具備承載性能，更兼具透波、吸波、隱身等功能特性。

當然，比強度和比模量并非材料學家選取機身結構材料的“唯二”標準。以鋼材為例，鋼材的比強度、比模量相較于鋁合金、鈦合金并沒有優(yōu)勢。但其絕對強度較高，在對絕對強度與剛度以及服役溫度要求較高的部位，諸如飛機防護系統(tǒng)、起落架、主承力框架、高溫駐點等仍是無可替代的關鍵材料。直到今天，先進戰(zhàn)機上仍有鋼材的身影。

新挑戰(zhàn)，也是新機遇

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭作戰(zhàn)樣式不斷豐富，科技密集程度不斷提高，戰(zhàn)機也在不斷更新?lián)Q代。目前最為先進的第五代戰(zhàn)機，不僅需要擁有杰出的機動性、超強的隱真示偽能力，還需要具備多樣式作戰(zhàn)的可整合性。這些功能要求給機身結構材料研究帶來新的挑戰(zhàn)，同時也為戰(zhàn)機綜合性能提升帶來新的機遇。

復合材料是由有機高分子、無機非金屬或金屬等幾類理化性質不同的材料，通過復合工藝組合而成的新型材料。它既保留原組成材料的重要特色，又通過復合效應獲得原來不具備的性能。

面對新的戰(zhàn)爭需求，復合材料需要不斷“通關升級”，習得更多“武林絕學”。

例如，“身如金剛，水火不侵”。戰(zhàn)機在高速飛行時，由于與空氣的劇烈摩擦，會面臨嚴峻的氣動加熱問題。過高的溫度會大大增加復合材料的失效風險，為戰(zhàn)機飛行帶來安全隱患。因此，需要對機身材料進行耐高溫設計，比如采用陶瓷耐高溫涂層、氣凝膠隔熱層以及優(yōu)化復合材料體系等。

再比如說，“來去無影，以假亂真”。目前，紅外隱身已經(jīng)是很多知名尖端戰(zhàn)機的“標配”。新一代戰(zhàn)機已經(jīng)不再滿足于單一的紅外隱身效果，它試圖通過對戰(zhàn)機的電磁信號進行偽裝，實現(xiàn)以假亂真，迷惑敵人的目的。這可以通過超結構設計或引入功能增強材料來實現(xiàn)。

高性能復合材料雖然是新一代戰(zhàn)機機身的不二選擇，但想要培養(yǎng)這樣一名“武林高手”，還需要經(jīng)過復雜工藝、花費大量的時間和物質成本。以美國隱身戰(zhàn)略轟炸機——B2轟炸機為例。它從1997年服役以來，一共只生產(chǎn)了21架，每架造價高達24億美元，每次飛行任務結束后的維護費用高達千萬美元?！霸斓闷?，用不起；用得起，養(yǎng)不起”，也是限制尖端戰(zhàn)機發(fā)展的重要問題。因此，簡化機身復合材料的制備工藝，優(yōu)化制備流程，提高效費比也是當前急需解決的關鍵問題。