材料技术进步推动航空装备发展

材料技术进步推动航空装备发展

2012-04-05 作者：本报记者胡勤 来源:《中国航空报》  
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张文冬　摄除航空结构材料外，功能材料在先进航空武器装备的发展中同样具有重要的作用，如功能陶瓷材料、信息显示和存储材料、隐身材料、智能材料、微电子和光电子材料、传感器敏感元件材料等。总之，航空武器装备的发展要求使
张文冬　摄

除航空结构材料外，功能材料在先进航空武器装备的发展中同样具有重要的作用，如功能陶瓷材料、信息显示和存储材料、隐身材料、智能材料、微电子和光电子材料、传感器敏感元件材料等。总之，航空武器装备的发展要求使用强度更高、更轻、更耐用、高功能及多功能、低成本、复合化的材料，从而带动了航空材料的发展。而新材料的出现，又为飞机设计提供了更广阔的选材空间和设计基础，促进了新一代飞机问世。“一代材料，一代飞机”这句话就是对材料技术在飞机发展历程中所起的先导性和基础性作用的真实写照。
科技前沿：随着战机作战特别是隐身性能的不断提高，对材料的要求也越来越高，您能不能从隐身技术等方面谈一下未来战机在材料方面的要求？
丁鹤雁：目前战机从隐身的角度来说，主要有雷达隐身、红外隐身。雷达隐身的作用主要是缩短被雷达发现的距离，这也是我们普遍概念中说到的隐身技术。红外隐身主要针对红外探测器，随着技术的发展，当前红外探测器的探测距离已经有了显著的提高，能与雷达的探测距离保持相当量级，所以红外隐身对于飞机来说变得越来越重要。
对于探测技术来说，分为有源和无源两种，一般意义上的雷达是有源探测，它先发射信号，再通过接受目标反射回来的信号来判断目标的距离与方位。无源探测只需要接受别人发射的信号，自身是沉默的，可以很好地隐藏自己的位置。
目前，雷达在探测目标过程中起主要作用，所以谈及隐身技术主要是以雷达隐身为主。飞机的隐身首先要依赖于外形设计，通过外形设计，飞机强散射源将得到有效控制，飞机的倾斜垂尾就是一种典型的外形隐身设计。另外，还有一些针对次、弱散射源的隐身措施，由于电磁波的特性，在飞机外表面的蒙皮缝隙、台阶、口盖、边缘等部位会产生电磁散射，我们能在F-22和F-35的表面看到一些锯齿形的结构，这就是针对边缘结构产生的电磁散射而采取的隐身设计措施。除了外形设计，飞机表面的适当部位采用吸波涂料也是有效的。利用吸波涂料特有的电磁性能，通过将电磁波的能量转换为其他形式的能量，
比如热能等。但是由于电磁波的一些特性和规律，随着雷达频率的扩展，要想完全吸收所有频率的雷达波是很困难的。
科技前沿：从前有种说法叫“厨师做菜，从下地种田开始”，说的是我国基础科学包括材料研发的滞后性，现在这种情况肯定有了很大改观，您能谈一下我国这些年来在材料领域都取得哪些成就，面临哪些问题吗？
丁鹤雁：航空工业的发展历程是与材料科学的进步密切相关的。航空材料既是研制生产先进航空武器装备的物质保障，又是推动航空武器装备更新换代的技术先导。近年来伴随着飞机、发动机性能及结构效率的不断提高，先进航空材料技术仅次于航空动力系统之后，已成为保证航空装备发展的第二大关键技术，也是实现飞机结构减重和长寿命、发动机高推重比和效率的基础和先导技术。
航空材料按其使用功能可分为结构材料和功能材料两大类。从第二代到第四代战斗机减重，50％～70％的贡献来自于先进航空结构材料及相关制备技术；提高先进航空发动机推重比，50％～70％的贡献来自于先进航空高温结构材料及相关制备技术。航空武器装备具有技术高度密集、系统集成度高、高可靠性、产品多样性和小批量等特点。航空材料作为发展航空武器装备的基础和先导技术，受航空装备的载人要求、使用条件和环境的制约，除最关键的轻质、高温高强、综合性能好、高耐久性特征外，还要求制备的构件在寿命周期内使用和服役具备高的可靠性。同时，随着航空武器装备向高机动、高隐身、高精确
打击、轻量化、低成本、长寿命、多功能等方向快速发展，结构设计又总是把材料用到“极限”，而且要求材料不断提高“极限”。因此，航空材料又具有极限应用、整体化、难度大的特征。一般来说，重要的航空用新材料从研制到装备上成功应用，一般至少需要10年，甚至更长的时间。
目前，我国在基础研究领域确实比较薄弱，在历史上我们国家相对于西方国家在飞机和发动机方面的研发投入要少很多，而且很多能力受制于我国的工业基础。就像你说的，“厨师做菜，从下地种田开始”过去的确是存在的。这种情况对飞机和发动机的发展造成一定影响，但随着我国对材料研究的深入，已逐步认识到了材料对航空装备性能提高的重要性，近些年来一直在努力追赶世界先进水平。
伴随着我国航空工业的快速发展，航空材料也取得了长足进步，现役飞机机体材料总体上仍以铝合金为主，钢用量趋于减少，钛合金用量显著增加，树脂基复合材料在承力构件上得到有效应用。我国在航空新材料领域的发展思路是实施跨越式发展，发展高比强度、比刚度、高韧性、高损伤容限、抗腐蚀、耐环境等综合性能优异的新型结构材料；开发结构承载和功能一体化，既能承受气动载荷又具备多功能的复合材料与结构；开展新材料疲劳寿命、耐久性和损伤容限设计等研究。
科技前沿：在飞机和发动机的研发过程中，结构设计师与材料设计师都在挑战对方以及自己的极限，这其中既能相互促进，又存在一定的矛盾，您是怎么看待这个问题的？
丁鹤雁：我们国家在武器装备的研制方面，走过了一条由测绘仿制到自主研发的路子。在进行测绘仿制的时候，对产品原有设计理念的理解是非常关键的。吴大观曾经说过，我们不但要知道别人怎么设计，更要知道别人为什么这么设计。只有知道别人为什么这么设计，才能进行有效地改进和提高。
同样，对于航空材料的研发也是一样的道理。就拿发动机叶片来说，即便拿到别人的叶片，其中的成分可能能够分析出来，但怎么把它做出来，人家是不会告诉你的，所以同样需要我们自主创新，加强基础研究、材料研制、应用研究和制造技术研究等方面的工作。
航空材料的研制为飞机结构设计部门提供选材支持，为实现设计思想、推动飞机设计技术进步奠定基础；飞机结构设计部门根据发展需求对航空材料研制提出任务牵引。
科技前沿：总体上来说，我国航空科技对相关产业的带动作用相对于美国要弱一些，但相比过去我们已经取得了很大的进步，而对于材料科学这些基础领域，这种带动作用会不会更强一些？
丁鹤雁：是的。像发动机叶片上的很多技术都可以应用到民用领域，比如地面燃气轮机等。航空材料是国家战略性新兴产业规划中的新材料，是国民经济各产业的基础，有很强的通用性，材料产业市场的空间很大。在交通领域，铝合金制品、复合材料、橡胶密封材料及制品等产品可用于列车各部件。在民用航空领域，航材院是国内最早从事铸造钛合金材料及其
工艺研究的单位，是国内最大民机钢刹车盘副供应商。材料科学在这些领域的应用都对国民经济的发展产生了直接的推动作用。
科技前沿：怎样在飞机的机动性和隐身性取得一个平衡一直是困扰飞机设计师的难题，从美国的F-117到F-22，直至现在的F-35，您认为从这些飞机的演进中，能看到一个怎样的设计思路？
丁鹤雁：首先，飞机的机动性和隐身性之间是矛盾的，飞机为了在外形上达到隐身的要求，肯定无法达到理想的气动性能，对设计的要求主要来自飞机自身的定位，是为了空中格斗还是为了对地打击。像美国的F-117，它的机动性就非常差，基本不能进行空中格斗，主要进行对地打击。另外，这也跟每个国家的指导思想有很大关系，像俄罗斯T-50就更强调飞机的机动性。
科技前沿：据您判断，未来战斗机或者说第六代战斗机会有哪些突出的性能？在材料科学方面会有哪些突破性的进展呢？
丁鹤雁：就当前情况来看，传统金属材料仍然是飞机结构材料的首选。其中，铝、钛、高强度钢及高温合金仍占主导地位，其中高温合金是
动力装置材料的主流。在铝合金方面，近年来开发了一批新的高强、高韧、耐蚀、高损伤容限、大规格低成本合金。密度更低的铝锂合金通过调整成分，降低各向异性，提高了断裂韧性和焊接性能。在钛合金方面，航空结构用新型钛合金在向中温高韧、高强高韧、损伤容限型、可焊接等优异综合性能方向发展。除此之外，还重点开展了耐高温钛合金和阻燃钛合金方面的研究。
目前，发达国家对第六代战斗机的研发也只是处于概念状态，在美国空军2010年发布的“下一代战术飞机系统”能力需求征询书中提到第六代战斗机应具备2030~2050年防空系统环境中作战的能力，要在航程和航时、生存力、态势感知力、武器效能等方面要优于五代战斗机的水平。另外，未来飞机的定位问题非常关键，首先要有明确的需求，才能设计出针对性的产品。像美国正在发展的空天飞机，能够达到高超声速，如果未来战机定位于高超声速，那么对于热量的抗冲击能力就成为未来材料的发展方向，由此带来的陶瓷材料和耐高温合金材料都会有很大的跨越。
在现阶段的战斗机对隐身性有迫切需求，这是为了“先敌发现、先敌攻击”，单向的隐身能力能够使本方战机无需进行空中格斗，就能将敌机击落，所以各国都在战机的隐身性能上下了很大功夫。






http://www.cannews.com.cn/2012/0405/190684.html


材料技术进步推动航空装备发展

2012-04-05 作者：本报记者胡勤 来源:《中国航空报》  
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张文冬　摄除航空结构材料外，功能材料在先进航空武器装备的发展中同样具有重要的作用，如功能陶瓷材料、信息显示和存储材料、隐身材料、智能材料、微电子和光电子材料、传感器敏感元件材料等。总之，航空武器装备的发展要求使
张文冬　摄

除航空结构材料外，功能材料在先进航空武器装备的发展中同样具有重要的作用，如功能陶瓷材料、信息显示和存储材料、隐身材料、智能材料、微电子和光电子材料、传感器敏感元件材料等。总之，航空武器装备的发展要求使用强度更高、更轻、更耐用、高功能及多功能、低成本、复合化的材料，从而带动了航空材料的发展。而新材料的出现，又为飞机设计提供了更广阔的选材空间和设计基础，促进了新一代飞机问世。“一代材料，一代飞机”这句话就是对材料技术在飞机发展历程中所起的先导性和基础性作用的真实写照。
科技前沿：随着战机作战特别是隐身性能的不断提高，对材料的要求也越来越高，您能不能从隐身技术等方面谈一下未来战机在材料方面的要求？
丁鹤雁：目前战机从隐身的角度来说，主要有雷达隐身、红外隐身。雷达隐身的作用主要是缩短被雷达发现的距离，这也是我们普遍概念中说到的隐身技术。红外隐身主要针对红外探测器，随着技术的发展，当前红外探测器的探测距离已经有了显著的提高，能与雷达的探测距离保持相当量级，所以红外隐身对于飞机来说变得越来越重要。
对于探测技术来说，分为有源和无源两种，一般意义上的雷达是有源探测，它先发射信号，再通过接受目标反射回来的信号来判断目标的距离与方位。无源探测只需要接受别人发射的信号，自身是沉默的，可以很好地隐藏自己的位置。
目前，雷达在探测目标过程中起主要作用，所以谈及隐身技术主要是以雷达隐身为主。飞机的隐身首先要依赖于外形设计，通过外形设计，飞机强散射源将得到有效控制，飞机的倾斜垂尾就是一种典型的外形隐身设计。另外，还有一些针对次、弱散射源的隐身措施，由于电磁波的特性，在飞机外表面的蒙皮缝隙、台阶、口盖、边缘等部位会产生电磁散射，我们能在F-22和F-35的表面看到一些锯齿形的结构，这就是针对边缘结构产生的电磁散射而采取的隐身设计措施。除了外形设计，飞机表面的适当部位采用吸波涂料也是有效的。利用吸波涂料特有的电磁性能，通过将电磁波的能量转换为其他形式的能量，
比如热能等。但是由于电磁波的一些特性和规律，随着雷达频率的扩展，要想完全吸收所有频率的雷达波是很困难的。
科技前沿：从前有种说法叫“厨师做菜，从下地种田开始”，说的是我国基础科学包括材料研发的滞后性，现在这种情况肯定有了很大改观，您能谈一下我国这些年来在材料领域都取得哪些成就，面临哪些问题吗？
丁鹤雁：航空工业的发展历程是与材料科学的进步密切相关的。航空材料既是研制生产先进航空武器装备的物质保障，又是推动航空武器装备更新换代的技术先导。近年来伴随着飞机、发动机性能及结构效率的不断提高，先进航空材料技术仅次于航空动力系统之后，已成为保证航空装备发展的第二大关键技术，也是实现飞机结构减重和长寿命、发动机高推重比和效率的基础和先导技术。
航空材料按其使用功能可分为结构材料和功能材料两大类。从第二代到第四代战斗机减重，50％～70％的贡献来自于先进航空结构材料及相关制备技术；提高先进航空发动机推重比，50％～70％的贡献来自于先进航空高温结构材料及相关制备技术。航空武器装备具有技术高度密集、系统集成度高、高可靠性、产品多样性和小批量等特点。航空材料作为发展航空武器装备的基础和先导技术，受航空装备的载人要求、使用条件和环境的制约，除最关键的轻质、高温高强、综合性能好、高耐久性特征外，还要求制备的构件在寿命周期内使用和服役具备高的可靠性。同时，随着航空武器装备向高机动、高隐身、高精确
打击、轻量化、低成本、长寿命、多功能等方向快速发展，结构设计又总是把材料用到“极限”，而且要求材料不断提高“极限”。因此，航空材料又具有极限应用、整体化、难度大的特征。一般来说，重要的航空用新材料从研制到装备上成功应用，一般至少需要10年，甚至更长的时间。
目前，我国在基础研究领域确实比较薄弱，在历史上我们国家相对于西方国家在飞机和发动机方面的研发投入要少很多，而且很多能力受制于我国的工业基础。就像你说的，“厨师做菜，从下地种田开始”过去的确是存在的。这种情况对飞机和发动机的发展造成一定影响，但随着我国对材料研究的深入，已逐步认识到了材料对航空装备性能提高的重要性，近些年来一直在努力追赶世界先进水平。
伴随着我国航空工业的快速发展，航空材料也取得了长足进步，现役飞机机体材料总体上仍以铝合金为主，钢用量趋于减少，钛合金用量显著增加，树脂基复合材料在承力构件上得到有效应用。我国在航空新材料领域的发展思路是实施跨越式发展，发展高比强度、比刚度、高韧性、高损伤容限、抗腐蚀、耐环境等综合性能优异的新型结构材料；开发结构承载和功能一体化，既能承受气动载荷又具备多功能的复合材料与结构；开展新材料疲劳寿命、耐久性和损伤容限设计等研究。
科技前沿：在飞机和发动机的研发过程中，结构设计师与材料设计师都在挑战对方以及自己的极限，这其中既能相互促进，又存在一定的矛盾，您是怎么看待这个问题的？
丁鹤雁：我们国家在武器装备的研制方面，走过了一条由测绘仿制到自主研发的路子。在进行测绘仿制的时候，对产品原有设计理念的理解是非常关键的。吴大观曾经说过，我们不但要知道别人怎么设计，更要知道别人为什么这么设计。只有知道别人为什么这么设计，才能进行有效地改进和提高。
同样，对于航空材料的研发也是一样的道理。就拿发动机叶片来说，即便拿到别人的叶片，其中的成分可能能够分析出来，但怎么把它做出来，人家是不会告诉你的，所以同样需要我们自主创新，加强基础研究、材料研制、应用研究和制造技术研究等方面的工作。
航空材料的研制为飞机结构设计部门提供选材支持，为实现设计思想、推动飞机设计技术进步奠定基础；飞机结构设计部门根据发展需求对航空材料研制提出任务牵引。
科技前沿：总体上来说，我国航空科技对相关产业的带动作用相对于美国要弱一些，但相比过去我们已经取得了很大的进步，而对于材料科学这些基础领域，这种带动作用会不会更强一些？
丁鹤雁：是的。像发动机叶片上的很多技术都可以应用到民用领域，比如地面燃气轮机等。航空材料是国家战略性新兴产业规划中的新材料，是国民经济各产业的基础，有很强的通用性，材料产业市场的空间很大。在交通领域，铝合金制品、复合材料、橡胶密封材料及制品等产品可用于列车各部件。在民用航空领域，航材院是国内最早从事铸造钛合金材料及其
工艺研究的单位，是国内最大民机钢刹车盘副供应商。材料科学在这些领域的应用都对国民经济的发展产生了直接的推动作用。
科技前沿：怎样在飞机的机动性和隐身性取得一个平衡一直是困扰飞机设计师的难题，从美国的F-117到F-22，直至现在的F-35，您认为从这些飞机的演进中，能看到一个怎样的设计思路？
丁鹤雁：首先，飞机的机动性和隐身性之间是矛盾的，飞机为了在外形上达到隐身的要求，肯定无法达到理想的气动性能，对设计的要求主要来自飞机自身的定位，是为了空中格斗还是为了对地打击。像美国的F-117，它的机动性就非常差，基本不能进行空中格斗，主要进行对地打击。另外，这也跟每个国家的指导思想有很大关系，像俄罗斯T-50就更强调飞机的机动性。
科技前沿：据您判断，未来战斗机或者说第六代战斗机会有哪些突出的性能？在材料科学方面会有哪些突破性的进展呢？
丁鹤雁：就当前情况来看，传统金属材料仍然是飞机结构材料的首选。其中，铝、钛、高强度钢及高温合金仍占主导地位，其中高温合金是
动力装置材料的主流。在铝合金方面，近年来开发了一批新的高强、高韧、耐蚀、高损伤容限、大规格低成本合金。密度更低的铝锂合金通过调整成分，降低各向异性，提高了断裂韧性和焊接性能。在钛合金方面，航空结构用新型钛合金在向中温高韧、高强高韧、损伤容限型、可焊接等优异综合性能方向发展。除此之外，还重点开展了耐高温钛合金和阻燃钛合金方面的研究。
目前，发达国家对第六代战斗机的研发也只是处于概念状态，在美国空军2010年发布的“下一代战术飞机系统”能力需求征询书中提到第六代战斗机应具备2030~2050年防空系统环境中作战的能力，要在航程和航时、生存力、态势感知力、武器效能等方面要优于五代战斗机的水平。另外，未来飞机的定位问题非常关键，首先要有明确的需求，才能设计出针对性的产品。像美国正在发展的空天飞机，能够达到高超声速，如果未来战机定位于高超声速，那么对于热量的抗冲击能力就成为未来材料的发展方向，由此带来的陶瓷材料和耐高温合金材料都会有很大的跨越。
在现阶段的战斗机对隐身性有迫切需求，这是为了“先敌发现、先敌攻击”，单向的隐身能力能够使本方战机无需进行空中格斗，就能将敌机击落，所以各国都在战机的隐身性能上下了很大功夫。






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