第四代战斗机材料的新进展(注意座舱盖成型)

第四代战斗机是各种新材料的试验台。这些材料尽管不属于远期探索性范畴，但国外公开报道仍局限于消息型，技术细节并不为公众所知。特别是近年来，国外对于第四代战斗机材料的报道常处于分散状态，选材处于动态变化之中，有些甚至是颠覆性的。一些关键技术细节也在逐渐透露。本刊曾于2002年第51期刊登了《F-22及F-35选材的最新动态》，透露了第四代战斗机材料近年的变化情况。现将此后出现的一些情况通报给读者。
　　（1） PR500-RTM树脂遭遇劲敌
　　PR500-RTM是F-22应用的六种树脂之一，且是该机重点采用的三大树脂之一。PR500-RTM是美国3M公司开发的一种成熟的环氧树脂。在F-22的材料选用中占据相当重要的地位。在F-22上用了100多个IM7/PR500RTM的零件。PR500是单组元的、膏状树脂、固化温度低为120℃，其CAI达到234MPa，疲劳寿命也比一般环氧复合材料高。由于固化温度为120℃，固化时间比177℃的环氧复合材料少一半，在80℃热性能良好。这种IM7/PR500RTM树脂基复合材料在F-22上主要用作驾驶舱支架、地板加强肋、接头等零件。除F-22外，PR500用碳纤维及玻璃纤维增强复合材料也已广泛用于F-18E/F及RAH-66等飞行器上。然而，随着公司间竞争的加剧，美国Cytec公司和Hexcel公司都力图成为F-22及F-35树脂的唯一供应商。2003年洛克希德·马丁公司选用Cytec890 RTM和Hexcel RTM6在P3飞机上开展了真空辅助树脂转移成形的初步试验。零件工作温度100~300℃。尽管P3为非战斗机型飞机，机身温度很少超过100℃。但为了与公司其他项目协调，公司选用了180℃固化用的环氧树脂。目前，890RTM和RTM6已被F-22计划验证可作为PR500的早期候选代替材料，PR500不久将不为RTM件供应。因此洛·马公司将从890RTM或RTM6中选一种用来获得壁板设计所需数据。890RTM和RTM6是市上供应的成熟树脂，在纤维粘结剂方面已积累许多经验。计划完成后，洛·马公司将利用成果在P-3、S-3、C-130和C-5上进行试验，加速低成本复合材料在有人驾驶飞机结构上的应用。
　　与PR500-RTM中温固化树脂不同的是，Cytec890 RTM和Hexcel RTM6均为180℃高温固化树脂。如前所述，洛·马公司采用这种树脂主要是为了与公司的其他项目相协调。Cytec公司是美国一家很有实力的复合材料原材料供应商，在F-22及F-35上广泛使用的5250-4RTM即由该公司开发，其中F-22上400多个RTM零件采用了该树脂。正是由于IM7/5250-4RTM在F-22上的成功应用导致了PR500RTM的开发应用，而Hexcel公司也堪称原材料供应商中的巨头。因而，Cytec890 RTM和Hexcel RTM6究竟谁能替代PR500，进而夺得F-22的RTM树脂的地位仍将拭目以待。从以上例子可以看出，原材料供应商之间的竞争是左右树脂选用的一个因素，但不是唯一的因素，这件事情最根本的原因是受减少树脂牌号、开发普适性、通用性树脂大趋势的影响。
　　（2）座舱盖成形技术走出困境
　　F-22的座舱盖是飞机工程中最富挑战性的项目之一，据洛·马公司技术一体化负责人称，制造座舱盖是F-22最重要、最复杂的工作之一，耗费了多年的时间，主要是因为要将一些相互矛盾的要求体现在单一的产品中。主要由聚碳酸酯透明层合板支承的座舱盖既要能承受1.8千克的鸟以350节的速度的撞击，还要具有突出的光学品质、隐身性能、防雷击、良好的柔顺性以及能抗雨、沙石的损伤作用，尤其是舱盖上的涂层，"既要软、又要硬"，而这些要求几乎都与透明度有关，例如要求F-22的前视及侧视区都能提供顶级品质的光学性能。在满足这一要求的同时，还要采用某些涂层来实现隐身，最容易的办法是采用导电涂层，但涂层用多了也会影响光学性能，要恰到好处，所选用的涂层还要对座舱中的电子设备提供电磁防护，同时防止座舱表面的光反射，通过设计虽然解决了大部分光反射，但仍留下一些影响，只好修改防眩板的形状并改用一种平面黑色材料制造。
　　目前座舱盖采用的是板材成形方式。座舱盖为长356厘米、宽144厘米、高70厘米、重量160千克的聚碳酸酯整体有机玻璃，是由两块厚0.9厘米的片材叠在一起，两个抛光面分别朝外，经加热熔结后经过包模真空成形（drape-forged）而成，它是把片材夹于活动框架上，加热使片材包复于阳模，然后施加真空以完成操作。随后进行精加工、抛光、钻孔及切边，最后进行涂层。该涂层是由Sierracin公司与洛·马公司联合开发的。原型机YF-22座舱盖用的是聚丙烯酸酯。整块层合玻璃，F-22座舱盖为水泡式，无弓形架，没有复杂曲线，因此有优异的光学性能及所需的隐身特征。
　　与板材成形相对应的是注射成形法。这是一种座舱盖的新型加工方法，以往在F-16及T-38上已成功试飞，F-22的注射成形座舱盖也将在2004年试验试飞。材料为聚碳酸酯。传统的抛光、层合及压力成形法的制造工时需6个星期，而用注射成形法只需1个小时。F-22的座舱盖重90千克，尺寸2794毫米×1270毫米×812毫米。现有的注射成形机可注射重205千克的工件，传统成形法的手工很昂贵，废品率有的高达20%~30%。
　　早在1993年就曾经对F-16战斗机注射成形第一原型座舱盖，虽然能透明，但是畸变不能满足美空军的光学标准。但现在由于有了能制造实际上无缺陷的表面的工装以及体积注射成形技术，首个可飞行的注射成形座舱盖将在2003年12月装载在T-38上飞行。
　　本来要用注射成形制造座舱盖是不可能的。一方面是由于它的尺寸过大，但由于开发了光学上正确的模具以及具有专利技术的体积注射成形工艺来制造厚壁件才取得成功。目前EnviroTech、波音及美空军已成功制成壁厚达66毫米的飞机透明材料，具有所需的结构性能及光学清晰度。座舱盖的制造目前采用的是EnviroTech公司1963年开发的体积注射成形技术，所不同的是所用的树脂，由聚丙烯改为聚碳酸酯，另外还用了一些具有专利权的技术。
　　所用的树脂是具有UV稳定剂的Dow plastics 300树脂，注射工艺是：将树脂在挤压机中加热到熔化阶段。然后将树脂聚集在一个由EnviroTech公司设计的专用设备内，注射入模内直到完全固结为止。然后打开模具，用剥离机构将座舱盖件从芯子上取下，并在取下系统上冷却几分钟。
　　座舱盖成形工艺上的巨大进展为F-22座舱性能改进提供了可能。事实上，注射成形座舱盖的发展历史已有十年，由于存在诸多问题而未能在型号上获得实际应用，特别是对于像F-22这种大尺寸座舱盖的成形，问题更为突出。然而，新技术的发展在经过一个阶段的探索过程后，终将臻于完善。
　　（3）F-35超重引发结构设计改变
　　F-35的超重和软件问题被并列称为目前的两大关键问题。目前洛克希德·马丁公司正在寻求将飞机蒙皮承重向内部结构转移的设计方案。本来，飞机外表面结构设计及先进材料的选用是JSF的创新点之一，由外向内的设计方案遵循了硬壳式飞机的基本设计思路，由于采用硬壳式结构，厚重的复合材料蒙皮承载能力大于其他战斗机。为满足这种硬壳式飞机的要求，美国加州的Loctite公司的航空航天分公司将为F-35提供一种牌号叫作SynCore的合成泡沫薄膜，通过这种合成泡沫薄膜的采用，可将机体承力框架间距从F-16的125毫米增加到510毫米，即至少减少一半的框架数量，与此同时加大了隔框间距。此举是轻型飞机的常用设计方案，也是有效的，但带来的问题是使结构超重，特别是对于短距起飞/垂直着陆型问题尤为严重，超重约达3400镑。空军的常规起降及海军的舰载型虽也有超重问题，但尚可满足性能要求。洛·马公司称，目前的解决方案是调整隔框间距与蒙皮厚度的比值。结构的调整必将带来材料的改变，因此蒙皮件与非蒙皮件数量的多寡、蒙皮的厚度等均将发生变化。在复合材料的使用上，目前非蒙皮件中主要为IM7/977-3增韧环氧复合材料制造的隔框，洛克希德·马丁在与日本人合作研制F-2战斗机中取得了日本人的先进共固化技术的专利，用来开发了的石墨/环氧复合材料隔框，验证在X-35上的应用，该隔框尺寸为1651毫米×1067毫米，用的是一种共固化成形技术，工艺及工装都是从日本得来的。该隔框恰恰是为短距起飞垂直降落型F-35研制的。因而，未来飞机结构的调整可能会导致隔框的增多。
　　（4）发动机双性能盘透露细节
　　F119发动机采用的双性能盘是实现高推重比的关键。以往报道均称对轮缘及轮心采用双重热处理，但具体技术内容不详。2003年，普惠公司透露了双性能盘的制备是采用了一种称为"超级冷却器"的热处理方法，该法是用感应加热将盘的外缘有选择地加热到高的温度，从而使晶粒长大。也尝试了其他方法，但工业上可行性及成本限制了它们的应用。
　　综上所述，第四代战斗机材料的进展仍在不断被透露出来。有些技术人们了解得只是名词，对其具体技术内涵并不掌握，目前国外在进行四代机材料的研究中并不追求全新概念材料的采用，而将重点放在已有项目的持续改进上。（陈亚莉）第四代战斗机是各种新材料的试验台。这些材料尽管不属于远期探索性范畴，但国外公开报道仍局限于消息型，技术细节并不为公众所知。特别是近年来，国外对于第四代战斗机材料的报道常处于分散状态，选材处于动态变化之中，有些甚至是颠覆性的。一些关键技术细节也在逐渐透露。本刊曾于2002年第51期刊登了《F-22及F-35选材的最新动态》，透露了第四代战斗机材料近年的变化情况。现将此后出现的一些情况通报给读者。
　　（1） PR500-RTM树脂遭遇劲敌
　　PR500-RTM是F-22应用的六种树脂之一，且是该机重点采用的三大树脂之一。PR500-RTM是美国3M公司开发的一种成熟的环氧树脂。在F-22的材料选用中占据相当重要的地位。在F-22上用了100多个IM7/PR500RTM的零件。PR500是单组元的、膏状树脂、固化温度低为120℃，其CAI达到234MPa，疲劳寿命也比一般环氧复合材料高。由于固化温度为120℃，固化时间比177℃的环氧复合材料少一半，在80℃热性能良好。这种IM7/PR500RTM树脂基复合材料在F-22上主要用作驾驶舱支架、地板加强肋、接头等零件。除F-22外，PR500用碳纤维及玻璃纤维增强复合材料也已广泛用于F-18E/F及RAH-66等飞行器上。然而，随着公司间竞争的加剧，美国Cytec公司和Hexcel公司都力图成为F-22及F-35树脂的唯一供应商。2003年洛克希德·马丁公司选用Cytec890 RTM和Hexcel RTM6在P3飞机上开展了真空辅助树脂转移成形的初步试验。零件工作温度100~300℃。尽管P3为非战斗机型飞机，机身温度很少超过100℃。但为了与公司其他项目协调，公司选用了180℃固化用的环氧树脂。目前，890RTM和RTM6已被F-22计划验证可作为PR500的早期候选代替材料，PR500不久将不为RTM件供应。因此洛·马公司将从890RTM或RTM6中选一种用来获得壁板设计所需数据。890RTM和RTM6是市上供应的成熟树脂，在纤维粘结剂方面已积累许多经验。计划完成后，洛·马公司将利用成果在P-3、S-3、C-130和C-5上进行试验，加速低成本复合材料在有人驾驶飞机结构上的应用。
　　与PR500-RTM中温固化树脂不同的是，Cytec890 RTM和Hexcel RTM6均为180℃高温固化树脂。如前所述，洛·马公司采用这种树脂主要是为了与公司的其他项目相协调。Cytec公司是美国一家很有实力的复合材料原材料供应商，在F-22及F-35上广泛使用的5250-4RTM即由该公司开发，其中F-22上400多个RTM零件采用了该树脂。正是由于IM7/5250-4RTM在F-22上的成功应用导致了PR500RTM的开发应用，而Hexcel公司也堪称原材料供应商中的巨头。因而，Cytec890 RTM和Hexcel RTM6究竟谁能替代PR500，进而夺得F-22的RTM树脂的地位仍将拭目以待。从以上例子可以看出，原材料供应商之间的竞争是左右树脂选用的一个因素，但不是唯一的因素，这件事情最根本的原因是受减少树脂牌号、开发普适性、通用性树脂大趋势的影响。
　　（2）座舱盖成形技术走出困境
　　F-22的座舱盖是飞机工程中最富挑战性的项目之一，据洛·马公司技术一体化负责人称，制造座舱盖是F-22最重要、最复杂的工作之一，耗费了多年的时间，主要是因为要将一些相互矛盾的要求体现在单一的产品中。主要由聚碳酸酯透明层合板支承的座舱盖既要能承受1.8千克的鸟以350节的速度的撞击，还要具有突出的光学品质、隐身性能、防雷击、良好的柔顺性以及能抗雨、沙石的损伤作用，尤其是舱盖上的涂层，"既要软、又要硬"，而这些要求几乎都与透明度有关，例如要求F-22的前视及侧视区都能提供顶级品质的光学性能。在满足这一要求的同时，还要采用某些涂层来实现隐身，最容易的办法是采用导电涂层，但涂层用多了也会影响光学性能，要恰到好处，所选用的涂层还要对座舱中的电子设备提供电磁防护，同时防止座舱表面的光反射，通过设计虽然解决了大部分光反射，但仍留下一些影响，只好修改防眩板的形状并改用一种平面黑色材料制造。
　　目前座舱盖采用的是板材成形方式。座舱盖为长356厘米、宽144厘米、高70厘米、重量160千克的聚碳酸酯整体有机玻璃，是由两块厚0.9厘米的片材叠在一起，两个抛光面分别朝外，经加热熔结后经过包模真空成形（drape-forged）而成，它是把片材夹于活动框架上，加热使片材包复于阳模，然后施加真空以完成操作。随后进行精加工、抛光、钻孔及切边，最后进行涂层。该涂层是由Sierracin公司与洛·马公司联合开发的。原型机YF-22座舱盖用的是聚丙烯酸酯。整块层合玻璃，F-22座舱盖为水泡式，无弓形架，没有复杂曲线，因此有优异的光学性能及所需的隐身特征。
　　与板材成形相对应的是注射成形法。这是一种座舱盖的新型加工方法，以往在F-16及T-38上已成功试飞，F-22的注射成形座舱盖也将在2004年试验试飞。材料为聚碳酸酯。传统的抛光、层合及压力成形法的制造工时需6个星期，而用注射成形法只需1个小时。F-22的座舱盖重90千克，尺寸2794毫米×1270毫米×812毫米。现有的注射成形机可注射重205千克的工件，传统成形法的手工很昂贵，废品率有的高达20%~30%。
　　早在1993年就曾经对F-16战斗机注射成形第一原型座舱盖，虽然能透明，但是畸变不能满足美空军的光学标准。但现在由于有了能制造实际上无缺陷的表面的工装以及体积注射成形技术，首个可飞行的注射成形座舱盖将在2003年12月装载在T-38上飞行。
　　本来要用注射成形制造座舱盖是不可能的。一方面是由于它的尺寸过大，但由于开发了光学上正确的模具以及具有专利技术的体积注射成形工艺来制造厚壁件才取得成功。目前EnviroTech、波音及美空军已成功制成壁厚达66毫米的飞机透明材料，具有所需的结构性能及光学清晰度。座舱盖的制造目前采用的是EnviroTech公司1963年开发的体积注射成形技术，所不同的是所用的树脂，由聚丙烯改为聚碳酸酯，另外还用了一些具有专利权的技术。
　　所用的树脂是具有UV稳定剂的Dow plastics 300树脂，注射工艺是：将树脂在挤压机中加热到熔化阶段。然后将树脂聚集在一个由EnviroTech公司设计的专用设备内，注射入模内直到完全固结为止。然后打开模具，用剥离机构将座舱盖件从芯子上取下，并在取下系统上冷却几分钟。
　　座舱盖成形工艺上的巨大进展为F-22座舱性能改进提供了可能。事实上，注射成形座舱盖的发展历史已有十年，由于存在诸多问题而未能在型号上获得实际应用，特别是对于像F-22这种大尺寸座舱盖的成形，问题更为突出。然而，新技术的发展在经过一个阶段的探索过程后，终将臻于完善。
　　（3）F-35超重引发结构设计改变
　　F-35的超重和软件问题被并列称为目前的两大关键问题。目前洛克希德·马丁公司正在寻求将飞机蒙皮承重向内部结构转移的设计方案。本来，飞机外表面结构设计及先进材料的选用是JSF的创新点之一，由外向内的设计方案遵循了硬壳式飞机的基本设计思路，由于采用硬壳式结构，厚重的复合材料蒙皮承载能力大于其他战斗机。为满足这种硬壳式飞机的要求，美国加州的Loctite公司的航空航天分公司将为F-35提供一种牌号叫作SynCore的合成泡沫薄膜，通过这种合成泡沫薄膜的采用，可将机体承力框架间距从F-16的125毫米增加到510毫米，即至少减少一半的框架数量，与此同时加大了隔框间距。此举是轻型飞机的常用设计方案，也是有效的，但带来的问题是使结构超重，特别是对于短距起飞/垂直着陆型问题尤为严重，超重约达3400镑。空军的常规起降及海军的舰载型虽也有超重问题，但尚可满足性能要求。洛·马公司称，目前的解决方案是调整隔框间距与蒙皮厚度的比值。结构的调整必将带来材料的改变，因此蒙皮件与非蒙皮件数量的多寡、蒙皮的厚度等均将发生变化。在复合材料的使用上，目前非蒙皮件中主要为IM7/977-3增韧环氧复合材料制造的隔框，洛克希德·马丁在与日本人合作研制F-2战斗机中取得了日本人的先进共固化技术的专利，用来开发了的石墨/环氧复合材料隔框，验证在X-35上的应用，该隔框尺寸为1651毫米×1067毫米，用的是一种共固化成形技术，工艺及工装都是从日本得来的。该隔框恰恰是为短距起飞垂直降落型F-35研制的。因而，未来飞机结构的调整可能会导致隔框的增多。
　　（4）发动机双性能盘透露细节
　　F119发动机采用的双性能盘是实现高推重比的关键。以往报道均称对轮缘及轮心采用双重热处理，但具体技术内容不详。2003年，普惠公司透露了双性能盘的制备是采用了一种称为"超级冷却器"的热处理方法，该法是用感应加热将盘的外缘有选择地加热到高的温度，从而使晶粒长大。也尝试了其他方法，但工业上可行性及成本限制了它们的应用。
　　综上所述，第四代战斗机材料的进展仍在不断被透露出来。有些技术人们了解得只是名词，对其具体技术内涵并不掌握，目前国外在进行四代机材料的研究中并不追求全新概念材料的采用，而将重点放在已有项目的持续改进上。（陈亚莉）