03.05 战斗机座舱盖是用什么材料做的?

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为了抵御鸟击和超音速飞行中的气动摩擦加热,现代战斗机的座舱盖玻璃大都采用有机玻璃夹层复合结构来制造。如F-22的单片式座舱盖玻璃为两层9.525毫米厚的聚碳酸酯(PC)板材层叠制造,先经过加热和熔融处理成为一片1.905厘米厚的有机玻璃板,然后在覆盖在模具上热压成形。聚碳酸酯(PC)材料具有很好的韧性和透明度,耐冲击性能好,可用温度达180摄氏度,能承受超音速气动加热。

也有战斗机的座舱盖采用两种或两种以上的有机玻璃制成,如F-16的座舱盖玻璃采用三层结构,最内层是。 在F-16的情况下,它由三层组成:最内层是1.27厘米厚的聚碳酸酯(PC)材料,这层是构成座舱盖的主要有机玻璃。中间层是1.27毫米厚的聚氨酯(PU)材料,其作用是粘合内层和外层。最外层是3.175毫米厚的丙烯酸(PMMA)材料,取其耐磨特性来提高座舱盖的耐用性,不容易被刮花。

俄罗斯在战斗机座舱盖的研制方面有自己的独特理解。为了进一步提高战斗机座舱盖玻璃的抗鸟击性能和高温性能,俄罗斯为苏-57战斗机研制了特种硅酸盐玻璃,并以这种无机玻璃为主要结构为该机制作出了多层结构风挡和座舱盖。

测试表明这种新型座舱盖和风挡的耐冲击性能和耐高温指标都远超传统有机玻璃,而且由于无机玻璃表面硬度高,所以也更耐用。


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玻璃座舱盖是战斗机的标准设备,但它并不能简单的归纳为玻璃材料或者塑料材料,这主要是由座舱盖的性能要求所决定的。

早期的螺旋桨战斗机座舱盖多采用无机玻璃制成,缺点很多。无机玻璃由熔融物经过冷硬化而获得的非晶态固体,主要成分是二氧化硅、硅酸钠和硅酸钙,因此脆且易碎,工艺性能很差,难以做成复杂曲面。所以这时候的战斗机都是采用多片式平面风挡,阻力大而且重,就像这样:

二战日本零式战斗机多片式座舱盖

现代战斗机随着性能提升对座舱盖要求高了很多:

透光性要好,便于飞行员观察外部环境和地面人员观察舱内情形;

阻光性要好,保护飞行员不受高空红外线和紫外线伤害及延缓座舱内非金属设备的老化;

防撞性要好,一般规定战斗机在最大速度飞行时被1.8千克的鸟类撞击不应发生穿透性损害,保护飞行员人身安全;

耐高温性要好,高速、超音速流过机体表面的空气摩擦导致的升温要被合理的控制隔离开;

保温性要好,高空低温的环境,要能保持座舱内温度适宜,同时防止结冰起雾;

隐身性能,第四代隐身战斗机座舱盖要具备阻挡和吸收雷达波的能力,防止座舱形成腔体反射效应,降低战斗机的等效反射面积。

F-22战斗机采用一体化座舱盖

美国战斗机是一种典型,其座舱盖主要采用两种树脂材料加上金属氧化膜。

丙烯酸酯具有良好的光学性能,其透光率接近高级光学仪器的水晶,高达90%。而且它的耐候性好,不易老化,不会像无机玻璃一样出现银纹现象,颜色也可以长期不发生变化,加工性能也不错,因此是座舱盖的优先选择材料。

但它有一个最大的缺点,耐冲击性和耐温性差,如果单独用于高速战斗机座舱盖还是不足以胜任。

聚碳酸酯是一种几乎无色的玻璃态无定形聚合物,光学性能同样优秀,关键是热变形温度高达130多°C,且具有类似于有色金属般的高冲击强度和高韧性,还易加工成型,因此广泛用于航空航天领域。

但它也有缺点,易溶于有机溶剂,耐磨性差,长期置于紫外线中会发黄。

F-35隐身战斗机的座舱盖

由于上述两种材料各有优缺点且优势互补,所以美国人将丙烯酸酯作为内外两层,将聚碳酸酯作为中间夹层制成三明治般的复合有机玻璃座舱盖,能有效隔断大多数有害的电子辐射、紫外线及长红外线,并且厚度很薄。

而在此基础上用磁控溅射法再镀一层氧化铟锡金属薄膜,加上其他强化增透膜及保护层,就是隐身战斗机座舱盖的由来。

作为另一种典型的俄罗斯更多的采用聚氟代丙烯酸酯。这种特殊的丙烯酸酯的特点就是耐高温超过180°C,非常适合高速飞行。其缺点就是硬度小,耐磨性差且有毒。

俄罗斯苏-30战斗机

实际中,俄罗斯将新型无机玻璃和聚氟代丙烯酸酯复合制成战斗机座舱盖,大大提高了耐磨性的同时降低了成本。

不过这种方法做成的座舱盖相对来说脆性较高、韧性较低。为了满足使用要求,一般比美国战斗机座舱盖做的更为厚重

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战斗机的座舱盖,就是飞机的保护罩。从外表上看它像是一整块透明的玻璃制造的。然而,确实是这样,他的确是用玻璃制造。但是这可不是普通的玻璃。因为在飞行中对飞机的每一个部分的要求都非常严格。普通的玻璃是用硅酸盐制造的,它的缺点是重量大而且很难被加工,只能做成平面模样,这样的形状运用在超音速的飞机上肯定是不行的,因为受到的空气阻力可能会很大,不符合飞机的要求。

经过科学的研究发明,现代的战斗机座舱盖玻璃大都采用有机高分子制作,也就是我们常说的有机玻璃,这种新材料在原有玻璃优点的基础上同时强度也提升很多,在重量方面更是极其突出,只有原有的二分之一重,而飞机对于重量的要求是很严格的,所以这种新材料才被应用到现代战斗机上。

如今的玻璃大多都是用化学方法合成,现在使用最广的材料是聚碳酸酯材料,比如美国的f22就使用的这种材料,具有延展性好,硬度大,还能隔热等众多优点,早知道,飞机以如此快的速度飞行,与空气摩擦产生的热量也是及其恐怖的,一般材料早就受热融化变软,只有特制的材料才能隔绝这种温度。但是由于制作难度较大,所以价格也比较昂贵。而普通的丙烯酸酯虽然说差一点,但奈何成本低,所以一般都是两层丙烯酸酯中间夹一层聚碳酸酯,这样一来问题就完美解决了,同时透光度也有提升。


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F-22A的一体化座舱盖。

战机座舱盖也是随着科技水平的不断进步而不断的改变。早期螺旋桨时代的战机座舱盖玻璃,就是我们平常最常用的窗户玻璃“无机玻璃”,我们都知道这样的玻璃脆而又易碎、工艺性能也差;很难制成复杂的曲面,只能用三片式平面风挡,没法加工成更符合空气动力学特性、阻力更小的圆弧形风挡;而且密度大,重量也大,不利于飞机减重。

不过随着科技水平的进步,工艺性能良好、质地轻、强度也高的有机高分子透明材料,即有机玻璃;逐渐成为航空透明材料的主力军。其中最具有代表性的就是丙烯酸脂类透明材料和聚碳酸脂类透明材料。

丙烯酸脂类透明材料强度高重量轻,在同等强度下,重量仅为传统无机玻璃的一半。这样使用丙烯酸脂类透明材料做成的座舱盖就要比无机玻璃舱盖要薄很多,然后本身抗环境能力也强,即使使用多年后在力学性能和透光性都基本保持不变,不会出银纹路及老化问题,另外透光性也相当不错,能透过90%的日光。在现代战斗机使用上,丙烯酸脂类透明材料会与钢化玻璃组成多层的复合透明玻璃,用来提高刚度。不过这种材料也有缺点,不抗冲击,耐高温不太好。

为了解决这两个问题,聚碳酸脂类透明材料就面世了。著名的美国空军F-22A战机就是用聚碳酸脂类透明材料制成的座舱盖。这种材料韧性更好强度更大,耐高温也强。即使F-22超音速飞行,座舱盖表面经空气摩擦可达到110度,也能承受。不过东西是好就是太贵,聚碳酸脂类透明材料比丙烯酸脂类透明材料成本升上一半,耐磨性也一般,加工复杂难度大。做成舱盖时需要与丙烯酸脂类透明材料一起混合使用。


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