关于座舱盖的科普

最近看到N多CDers对国家之间座舱盖科研能力相互质询。此间看过一篇好文，扫描识别了一下，给CD军友们做个参考。
另关于版权问题，如不妥请版主删帖好啦～

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2011-12-10 14:51 上传

透明，但不简单
--航空透明材料浅谈
文/颜悦
透明材料在航空中的应用主要是座舱，是飞机的重要功能结构部件之一。飞机座舱透明件作为飞机的"眼睛"是飞行员观察外界情况、判断飞行状况的主要通道。飞机座舱透明件包括风挡、座舱盖、舷窗玻璃以及观察窗等，要求具有良好的光学性能、足够的结构强度及较长的使用寿命。随着现代飞机性能不断提高，工作条件更加苛刻，透明件不仅要求能够承受座舱内外压差产生的结构载荷，同时要承受高速飞机气动加热及各种飞行条件下瞬时或长时间的热影响，对于风挡还有除冰、防雾、抵御飞鸟撞击、泄静电、对雷达波反射强度和对激光、核防护等功能要求。
何谓透明材料
通俗地讲，透明材料就是不遮挡视线，透光度在80%以上的纯净的非晶态材料。通常情况下，人们提到透明材料，首先想到的就是窗户玻璃。无机硅酸盐玻璃也是人类应用的最早的一类透明材料。15万年前人们就利用黑曜岩薄片做窗户玻璃，公元前7000年人们在无意中发现了玻璃的配方，3500~1500年前人们开始制造玻璃纤维，直到公元200年才开始有平板玻璃出现，现代玻璃工业起始于1957年英国的浮法玻璃专利，该专利在1963年被美国购买，1975年美国发明新浮法玻璃的专利诞生。我国1971年在洛阳首先引进浮法玻璃生产线，现有30多条生产线。在航空领域中应用的无机玻璃通常需要经物理钢化或化学钢化，并与透明塑料胶片经复合制成三明治层合结构，这一结构已广泛应用于现代飞机风挡。
由于无机玻璃是脆性材料，工艺性能较差，很难制成复杂曲面，而且密度大，不利于飞机减重，因此，工艺性能良好、质轻、强度高的塑料透明材料逐渐成为航空透明材料的主力军。典型聚甲基丙烯酸甲醋(PMMA)透明塑料在波长为430-1200纳米的光线中透光度可达到92%，是种透明、洁白晶莹的非晶态高聚物材料。PMMA的研究与发展至今已有近100年的历史。二战期间因PMMA具有优异的强韧性及透光性，首先被应用于飞机的挡风玻璃和坦克司机驾驶室的视野镜。普通PMMA的分子链是无规排列的，若将PMMA加热，从两个方向或多方向拉伸到一定程度，可以使PMMA结构中各个分子链沿拉伸方向排列成有序状态，制成定向PMMA。如此一来，其强度和韧性都大大增加。因此现今飞机大量采用定向PMMA来制造座舱盖透明件。
除了PMMA以外，聚碳酸醋(PC)材料也是一类重要的透明高分子聚合物材料。PC发展至今已有40多年历史。PC的透光性不如PMMA，但其韧性极高，耐热性也较好。例如，飞机以马赫数2.0高速飞行(表面受空气动力摩擦后温度高达110摄氏度左右)或者飞机在低空飞行时受到飞鸟撞击，在这些情况下PMMA性能都不如PC。但PC的缺点是表面不耐磨损，不耐有机溶剂，因此还必须采取相应的防护措施。比如，将PC与其他透明材料如PMMA、硅酸盐玻璃等进行复合应用就可以克服PC的这些缺点，这在航空透明件中已经得到了广泛的研究与应用。
三代座舱盖
无论是民航客机，还是军用运输机、战斗机以及直升机都不能没有窗户。飞机舷窗、座舱或风挡玻璃就犹如飞机的眼睛，飞行员通过这双眼睛来判断航向与外界情况，乘客也可以通过这双眼睛欣赏外界的风景。
军用飞机座舱系统一般由风挡、座舱盖、锁系统、正常操纵系统、气密系统及应急抛放系统组成。其中透明部分主要是风挡与座舱盖，其主要功能是与机身座舱段构成密封座舱，为飞行员提供舒适密闭、宽敞明亮的活动空间和飞行员地面进出座舱和应急弹射救生通道，保护飞行员免受迎面高速气流的吹袭和外部环境的威胁，并给飞行员提供良好的视界，以完成起飞着陆和战斗任务。从国内外战斗机的结构形式来看，座舱盖设计方案的发展主要经历了以下三个阶段:
蚌式座舱盖:属第二代战机典型的座舱盖结构形式，由三块式风挡和可开启的蚌壳式活动舱盖组成。采用该种结构的飞机有苏联米格21、美国F-4以及我国的歼7、歼8飞机等。
水泡式座舱盖:属第3代战机典型的座舱盖结构形式，由整体式圆弧风挡和可开启的水泡式活动舱盖组成。采用该种结构的飞机有美国F-15、F-16、F/A-18和苏联苏-27系列、法国"阵风"等。
整体式座舱盖:属第4代战机的座舱盖结构形式，座舱盖采用菱形外形并与机身融为体，风挡和座舱盖透明件采用一体化设计。F-22的整体式水泡型座舱盖相当美观，由于无"肋骨"可以给飞行员提供接近无死角的全方位观察视野，为飞行员的安全飞行与执行任务提供了更为良好的视界条件。
为满足现代先进战机透明件抗鸟撞、穿盖救生等功能以及减重的要求，需要将整体式座舱透明件风挡部位加厚而舱盖部分减薄，即制成整体变厚度透明件。美国F-35战机就采用了这种结构形式的座舱透明件。变厚度座舱透明件代表着航空透明件的发展趋势和最高水平。
吹出来的座舱盖
国内外军事爱好者在各大论坛上对各类飞机结构、外观、性能等进行了大量评述，这包括各类型飞机的透明座舱盖部分，但很少有人会提到这些座舱盖是怎么做出来的。当我们看到这些如水滴般晶莹剔透的透明座舱盖时，是否考虑过这些圆弧形、水泡式的座舱盖是如何制造的?工程人员怎样将一块平板有机玻璃制作成形状各异、大小不同的飞机座舱盖?典型的第3代战机水泡式座舱盖是用类似吹气球的方法吹出来的。当有机玻璃被加热至玻璃化转变温度以主时，就会进入高弹态，此时的有机玻璃具有类似橡胶一样的弹性，可以通过向一个由有机玻璃与模胎组成的密闭腔体内通入压缩空气使舱盖膨胀变形--即吹出一个座舱盖来。但是，单纯充气怎么能做到对舱盖外形精确控制，保证能正好吹出想要的外形呢?这就是高精度舱盖成形的奥秘所在即梯度温度场吹塑成形。大家知道，有机玻璃的拉伸强度随温度的升高而不断下降，如果我们能够控制有机玻璃的不同区域温度不同或其热透的时间不同，那么在相同的拉伸力的作用下，各部位产生的变形就会不同，这就为我们实现不同区域非均匀拉伸提供了可能。我国研制生产的"枭龙"战机的座舱盖就是吹出来的水泡式座舱盖，国内外众多媒体网站都对"枭龙"战机的座舱盖的先进程度给予了高度评价。
透明舱盖的玄机
除基本的飞行安全要求外，现代战斗机、直升机还要求对红外、雷达具有隐身能力。隐身技术一直是大家热论的话题，人们把飞机隐身技术看做是很神奇、很先进的技术之。1991年l月17日凌晨，伊拉克首都巴格达的人们还处在香甜的睡梦中，几架外形奇特、颜色漆黑的飞机悄无声息地进入伊拉克的领空，并突然出现在巴格达的上空，向着位于市中心的通讯大楼投下了激光制导炸弹，45分钟以后，巴格达的空袭警报才响起。成功完成这次空袭任务的神秘飞机便是美国空军鼎鼎大名的隐形飞机F-117。能成功躲开巴格达的防空系统，都要归功于F-117所采用的隐身技术。座舱与凤挡透明材料是雷达波强反射部位，也是隐身飞机重点设防部位。另外，为了阻止电磁辐射以及太阳辐射以及降低舱内温度，有的飞机还要求透明材料有反射或吸收阳光的能力。因此现代飞机透明件是一个多功能的结构件，不仅对材料有很高的要求，在设计、制造工艺等方面也有十分严格的要求。
那么怎么实现座舱盖透明的同时对红外、雷达等隐身呢?对于飞机座舱透明件，一是采用结构隐身技术，如第3代水泡式座舱盖与第4代菱形座舱盖的区别就是第4代战斗机座舱盖为侧向低雷达散射截面(RCS)外形，能够有效透过可见光而将雷达波反射到非重要方向。
在结构隐身技术的基础上，再通过磁控溅射技术在飞机座舱盖上沉积一层甚至多层透明导电薄膜，如美国F-22战斗机座舱盖上就镀有导电的半导体金属氧化物膜，可以减少雷达波的可探测性及红外辐射对座舱材料及飞行员的损伤，抵御各种天然和格斗环境中的威胁。在现有技术条件下，常用于飞机透明座舱盖的透明导电薄膜主要有氧化锢锡膜(ITO)与极薄的金属膜如金膜、银膜。由于金膜、银膜厚度稍大时，会大大影响透明件的透光率，因此一般配合-些其他的透明氧化物(比如二氧化铁)薄膜作为增透膜，这样不仅能够满足较高的透光率，也能维持较高的雷达反射性能。
金膜是最先发展的膜系，已在飞机座舱上应用多年。尽管金膜有颜色，在一定程度上影响透光率，但由于其制造工艺相对简单、易沉积、延伸性及稳定性好，仍是一种可行的导电膜系。但如前所述，当金膜厚度超过10纳米后，飞机透明件的透光率会大大下降，影响到飞行员的正常视野。ITO透明导电膜无色、透光率高，化学稳定性与耐磨性都较好，而且对有机或无机透明材料都有很好的附着力，技术也较成熟，是一种理想的飞机透明件隐身膜。
透明导电膜系除对飞机透明件起到隐身作用外，还有一个重要作用就是可以实现电加热，起到除冰、防雾的功能，以保证飞行员良好的视野。
通透的未来
随着一代代新型飞机的问世，新型透明件及其制造技术也呈现在世人面前，航空透明件的发展史见证了世界航空工业的发展历程。据洛克希德马丁公司的项目技术一体化负责人说"座舱盖是F/A-22最重要和最复杂的工作之一，耗费了多年的时间。主要是因为要把一些相互矛盾的要求体现在一个单一的产品中。"
为了保持飞机良好的气动外形，透明件外形越来越复杂，结构上由平板组合向曲面一体化融合，最大限度增加飞行员视野和减阻，其透明材料已进入耐热性、高抗冲击能力以及功能化复合航空透明材料时代，并向材料系列化、设计标准化、制造专业化以及使用便捷化方向发展。随着我国航空事业的蓬勃发展，航空透明材料必将在我国得到迅速发展，以推动航空透明件技术进步，服务于航空装备需求。

责任编辑:王鑫邦  转自 航空知识2011年第10期


最近看到N多CDers对国家之间座舱盖科研能力相互质询。此间看过一篇好文，扫描识别了一下，给CD军友们做个参考。
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2011-12-10 14:51 上传

透明，但不简单
--航空透明材料浅谈
文/颜悦
透明材料在航空中的应用主要是座舱，是飞机的重要功能结构部件之一。飞机座舱透明件作为飞机的"眼睛"是飞行员观察外界情况、判断飞行状况的主要通道。飞机座舱透明件包括风挡、座舱盖、舷窗玻璃以及观察窗等，要求具有良好的光学性能、足够的结构强度及较长的使用寿命。随着现代飞机性能不断提高，工作条件更加苛刻，透明件不仅要求能够承受座舱内外压差产生的结构载荷，同时要承受高速飞机气动加热及各种飞行条件下瞬时或长时间的热影响，对于风挡还有除冰、防雾、抵御飞鸟撞击、泄静电、对雷达波反射强度和对激光、核防护等功能要求。
何谓透明材料
通俗地讲，透明材料就是不遮挡视线，透光度在80%以上的纯净的非晶态材料。通常情况下，人们提到透明材料，首先想到的就是窗户玻璃。无机硅酸盐玻璃也是人类应用的最早的一类透明材料。15万年前人们就利用黑曜岩薄片做窗户玻璃，公元前7000年人们在无意中发现了玻璃的配方，3500~1500年前人们开始制造玻璃纤维，直到公元200年才开始有平板玻璃出现，现代玻璃工业起始于1957年英国的浮法玻璃专利，该专利在1963年被美国购买，1975年美国发明新浮法玻璃的专利诞生。我国1971年在洛阳首先引进浮法玻璃生产线，现有30多条生产线。在航空领域中应用的无机玻璃通常需要经物理钢化或化学钢化，并与透明塑料胶片经复合制成三明治层合结构，这一结构已广泛应用于现代飞机风挡。
由于无机玻璃是脆性材料，工艺性能较差，很难制成复杂曲面，而且密度大，不利于飞机减重，因此，工艺性能良好、质轻、强度高的塑料透明材料逐渐成为航空透明材料的主力军。典型聚甲基丙烯酸甲醋(PMMA)透明塑料在波长为430-1200纳米的光线中透光度可达到92%，是种透明、洁白晶莹的非晶态高聚物材料。PMMA的研究与发展至今已有近100年的历史。二战期间因PMMA具有优异的强韧性及透光性，首先被应用于飞机的挡风玻璃和坦克司机驾驶室的视野镜。普通PMMA的分子链是无规排列的，若将PMMA加热，从两个方向或多方向拉伸到一定程度，可以使PMMA结构中各个分子链沿拉伸方向排列成有序状态，制成定向PMMA。如此一来，其强度和韧性都大大增加。因此现今飞机大量采用定向PMMA来制造座舱盖透明件。
除了PMMA以外，聚碳酸醋(PC)材料也是一类重要的透明高分子聚合物材料。PC发展至今已有40多年历史。PC的透光性不如PMMA，但其韧性极高，耐热性也较好。例如，飞机以马赫数2.0高速飞行(表面受空气动力摩擦后温度高达110摄氏度左右)或者飞机在低空飞行时受到飞鸟撞击，在这些情况下PMMA性能都不如PC。但PC的缺点是表面不耐磨损，不耐有机溶剂，因此还必须采取相应的防护措施。比如，将PC与其他透明材料如PMMA、硅酸盐玻璃等进行复合应用就可以克服PC的这些缺点，这在航空透明件中已经得到了广泛的研究与应用。
三代座舱盖
无论是民航客机，还是军用运输机、战斗机以及直升机都不能没有窗户。飞机舷窗、座舱或风挡玻璃就犹如飞机的眼睛，飞行员通过这双眼睛来判断航向与外界情况，乘客也可以通过这双眼睛欣赏外界的风景。
军用飞机座舱系统一般由风挡、座舱盖、锁系统、正常操纵系统、气密系统及应急抛放系统组成。其中透明部分主要是风挡与座舱盖，其主要功能是与机身座舱段构成密封座舱，为飞行员提供舒适密闭、宽敞明亮的活动空间和飞行员地面进出座舱和应急弹射救生通道，保护飞行员免受迎面高速气流的吹袭和外部环境的威胁，并给飞行员提供良好的视界，以完成起飞着陆和战斗任务。从国内外战斗机的结构形式来看，座舱盖设计方案的发展主要经历了以下三个阶段:
蚌式座舱盖:属第二代战机典型的座舱盖结构形式，由三块式风挡和可开启的蚌壳式活动舱盖组成。采用该种结构的飞机有苏联米格21、美国F-4以及我国的歼7、歼8飞机等。
水泡式座舱盖:属第3代战机典型的座舱盖结构形式，由整体式圆弧风挡和可开启的水泡式活动舱盖组成。采用该种结构的飞机有美国F-15、F-16、F/A-18和苏联苏-27系列、法国"阵风"等。
整体式座舱盖:属第4代战机的座舱盖结构形式，座舱盖采用菱形外形并与机身融为体，风挡和座舱盖透明件采用一体化设计。F-22的整体式水泡型座舱盖相当美观，由于无"肋骨"可以给飞行员提供接近无死角的全方位观察视野，为飞行员的安全飞行与执行任务提供了更为良好的视界条件。
为满足现代先进战机透明件抗鸟撞、穿盖救生等功能以及减重的要求，需要将整体式座舱透明件风挡部位加厚而舱盖部分减薄，即制成整体变厚度透明件。美国F-35战机就采用了这种结构形式的座舱透明件。变厚度座舱透明件代表着航空透明件的发展趋势和最高水平。
吹出来的座舱盖
国内外军事爱好者在各大论坛上对各类飞机结构、外观、性能等进行了大量评述，这包括各类型飞机的透明座舱盖部分，但很少有人会提到这些座舱盖是怎么做出来的。当我们看到这些如水滴般晶莹剔透的透明座舱盖时，是否考虑过这些圆弧形、水泡式的座舱盖是如何制造的?工程人员怎样将一块平板有机玻璃制作成形状各异、大小不同的飞机座舱盖?典型的第3代战机水泡式座舱盖是用类似吹气球的方法吹出来的。当有机玻璃被加热至玻璃化转变温度以主时，就会进入高弹态，此时的有机玻璃具有类似橡胶一样的弹性，可以通过向一个由有机玻璃与模胎组成的密闭腔体内通入压缩空气使舱盖膨胀变形--即吹出一个座舱盖来。但是，单纯充气怎么能做到对舱盖外形精确控制，保证能正好吹出想要的外形呢?这就是高精度舱盖成形的奥秘所在即梯度温度场吹塑成形。大家知道，有机玻璃的拉伸强度随温度的升高而不断下降，如果我们能够控制有机玻璃的不同区域温度不同或其热透的时间不同，那么在相同的拉伸力的作用下，各部位产生的变形就会不同，这就为我们实现不同区域非均匀拉伸提供了可能。我国研制生产的"枭龙"战机的座舱盖就是吹出来的水泡式座舱盖，国内外众多媒体网站都对"枭龙"战机的座舱盖的先进程度给予了高度评价。
透明舱盖的玄机
除基本的飞行安全要求外，现代战斗机、直升机还要求对红外、雷达具有隐身能力。隐身技术一直是大家热论的话题，人们把飞机隐身技术看做是很神奇、很先进的技术之。1991年l月17日凌晨，伊拉克首都巴格达的人们还处在香甜的睡梦中，几架外形奇特、颜色漆黑的飞机悄无声息地进入伊拉克的领空，并突然出现在巴格达的上空，向着位于市中心的通讯大楼投下了激光制导炸弹，45分钟以后，巴格达的空袭警报才响起。成功完成这次空袭任务的神秘飞机便是美国空军鼎鼎大名的隐形飞机F-117。能成功躲开巴格达的防空系统，都要归功于F-117所采用的隐身技术。座舱与凤挡透明材料是雷达波强反射部位，也是隐身飞机重点设防部位。另外，为了阻止电磁辐射以及太阳辐射以及降低舱内温度，有的飞机还要求透明材料有反射或吸收阳光的能力。因此现代飞机透明件是一个多功能的结构件，不仅对材料有很高的要求，在设计、制造工艺等方面也有十分严格的要求。
那么怎么实现座舱盖透明的同时对红外、雷达等隐身呢?对于飞机座舱透明件，一是采用结构隐身技术，如第3代水泡式座舱盖与第4代菱形座舱盖的区别就是第4代战斗机座舱盖为侧向低雷达散射截面(RCS)外形，能够有效透过可见光而将雷达波反射到非重要方向。
在结构隐身技术的基础上，再通过磁控溅射技术在飞机座舱盖上沉积一层甚至多层透明导电薄膜，如美国F-22战斗机座舱盖上就镀有导电的半导体金属氧化物膜，可以减少雷达波的可探测性及红外辐射对座舱材料及飞行员的损伤，抵御各种天然和格斗环境中的威胁。在现有技术条件下，常用于飞机透明座舱盖的透明导电薄膜主要有氧化锢锡膜(ITO)与极薄的金属膜如金膜、银膜。由于金膜、银膜厚度稍大时，会大大影响透明件的透光率，因此一般配合-些其他的透明氧化物(比如二氧化铁)薄膜作为增透膜，这样不仅能够满足较高的透光率，也能维持较高的雷达反射性能。
金膜是最先发展的膜系，已在飞机座舱上应用多年。尽管金膜有颜色，在一定程度上影响透光率，但由于其制造工艺相对简单、易沉积、延伸性及稳定性好，仍是一种可行的导电膜系。但如前所述，当金膜厚度超过10纳米后，飞机透明件的透光率会大大下降，影响到飞行员的正常视野。ITO透明导电膜无色、透光率高，化学稳定性与耐磨性都较好，而且对有机或无机透明材料都有很好的附着力，技术也较成熟，是一种理想的飞机透明件隐身膜。
透明导电膜系除对飞机透明件起到隐身作用外，还有一个重要作用就是可以实现电加热，起到除冰、防雾的功能，以保证飞行员良好的视野。
通透的未来
随着一代代新型飞机的问世，新型透明件及其制造技术也呈现在世人面前，航空透明件的发展史见证了世界航空工业的发展历程。据洛克希德马丁公司的项目技术一体化负责人说"座舱盖是F/A-22最重要和最复杂的工作之一，耗费了多年的时间。主要是因为要把一些相互矛盾的要求体现在一个单一的产品中。"
为了保持飞机良好的气动外形，透明件外形越来越复杂，结构上由平板组合向曲面一体化融合，最大限度增加飞行员视野和减阻，其透明材料已进入耐热性、高抗冲击能力以及功能化复合航空透明材料时代，并向材料系列化、设计标准化、制造专业化以及使用便捷化方向发展。随着我国航空事业的蓬勃发展，航空透明材料必将在我国得到迅速发展，以推动航空透明件技术进步，服务于航空装备需求。

责任编辑:王鑫邦  转自 航空知识2011年第10期