03.05 戰鬥機座艙蓋是用什麼材料做的?

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為了抵禦鳥擊和超音速飛行中的氣動摩擦加熱,現代戰鬥機的座艙蓋玻璃大都採用有機玻璃夾層複合結構來製造。如F-22的單片式座艙蓋玻璃為兩層9.525毫米厚的聚碳酸酯(PC)板材層疊製造,先經過加熱和熔融處理成為一片1.905釐米厚的有機玻璃板,然後在覆蓋在模具上熱壓成形。聚碳酸酯(PC)材料具有很好的韌性和透明度,耐衝擊性能好,可用溫度達180攝氏度,能承受超音速氣動加熱。

也有戰鬥機的座艙蓋採用兩種或兩種以上的有機玻璃製成,如F-16的座艙蓋玻璃採用三層結構,最內層是。 在F-16的情況下,它由三層組成:最內層是1.27釐米厚的聚碳酸酯(PC)材料,這層是構成座艙蓋的主要有機玻璃。中間層是1.27毫米厚的聚氨酯(PU)材料,其作用是粘合內層和外層。最外層是3.175毫米厚的丙烯酸(PMMA)材料,取其耐磨特性來提高座艙蓋的耐用性,不容易被刮花。

俄羅斯在戰鬥機座艙蓋的研製方面有自己的獨特理解。為了進一步提高戰鬥機座艙蓋玻璃的抗鳥擊性能和高溫性能,俄羅斯為蘇-57戰鬥機研製了特種硅酸鹽玻璃,並以這種無機玻璃為主要結構為該機制作出了多層結構風擋和座艙蓋。

測試表明這種新型座艙蓋和風擋的耐衝擊性能和耐高溫指標都遠超傳統有機玻璃,而且由於無機玻璃表面硬度高,所以也更耐用。


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玻璃座艙蓋是戰鬥機的標準設備,但它並不能簡單的歸納為玻璃材料或者塑料材料,這主要是由座艙蓋的性能要求所決定的。

早期的螺旋槳戰鬥機座艙蓋多采用無機玻璃製成,缺點很多。無機玻璃由熔融物經過冷硬化而獲得的非晶態固體,主要成分是二氧化硅、硅酸鈉和硅酸鈣,因此脆且易碎,工藝性能很差,難以做成複雜曲面。所以這時候的戰鬥機都是採用多片式平面風擋,阻力大而且重,就像這樣:

二戰日本零式戰鬥機多片式座艙蓋

現代戰鬥機隨著性能提升對座艙蓋要求高了很多:

透光性要好,便於飛行員觀察外部環境和地面人員觀察艙內情形;

阻光性要好,保護飛行員不受高空紅外線和紫外線傷害及延緩座艙內非金屬設備的老化;

防撞性要好,一般規定戰鬥機在最大速度飛行時被1.8千克的鳥類撞擊不應發生穿透性損害,保護飛行員人身安全;

耐高溫性要好,高速、超音速流過機體表面的空氣摩擦導致的升溫要被合理的控制隔離開;

保溫性要好,高空低溫的環境,要能保持座艙內溫度適宜,同時防止結冰起霧;

隱身性能,第四代隱身戰鬥機座艙蓋要具備阻擋和吸收雷達波的能力,防止座艙形成腔體反射效應,降低戰鬥機的等效反射面積。

F-22戰鬥機採用一體化座艙蓋

美國戰鬥機是一種典型,其座艙蓋主要採用兩種樹脂材料加上金屬氧化膜。

丙烯酸酯具有良好的光學性能,其透光率接近高級光學儀器的水晶,高達90%。而且它的耐候性好,不易老化,不會像無機玻璃一樣出現銀紋現象,顏色也可以長期不發生變化,加工性能也不錯,因此是座艙蓋的優先選擇材料。

但它有一個最大的缺點,耐衝擊性和耐溫性差,如果單獨用於高速戰鬥機座艙蓋還是不足以勝任。

聚碳酸酯是一種幾乎無色的玻璃態無定形聚合物,光學性能同樣優秀,關鍵是熱變形溫度高達130多°C,且具有類似於有色金屬般的高衝擊強度和高韌性,還易加工成型,因此廣泛用於航空航天領域。

但它也有缺點,易溶於有機溶劑,耐磨性差,長期置於紫外線中會發黃。

F-35隱身戰鬥機的座艙蓋

由於上述兩種材料各有優缺點且優勢互補,所以美國人將丙烯酸酯作為內外兩層,將聚碳酸酯作為中間夾層製成三明治般的複合有機玻璃座艙蓋,能有效隔斷大多數有害的電子輻射、紫外線及長紅外線,並且厚度很薄。

而在此基礎上用磁控濺射法再鍍一層氧化銦錫金屬薄膜,加上其他強化增透膜及保護層,就是隱身戰鬥機座艙蓋的由來。

作為另一種典型的俄羅斯更多的採用聚氟代丙烯酸酯。這種特殊的丙烯酸酯的特點就是耐高溫超過180°C,非常適合高速飛行。其缺點就是硬度小,耐磨性差且有毒。

俄羅斯蘇-30戰鬥機

實際中,俄羅斯將新型無機玻璃和聚氟代丙烯酸酯複合製成戰鬥機座艙蓋,大大提高了耐磨性的同時降低了成本。

不過這種方法做成的座艙蓋相對來說脆性較高、韌性較低。為了滿足使用要求,一般比美國戰鬥機座艙蓋做的更為厚重

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戰鬥機的座艙蓋,就是飛機的保護罩。從外表上看它像是一整塊透明的玻璃製造的。然而,確實是這樣,他的確是用玻璃製造。但是這可不是普通的玻璃。因為在飛行中對飛機的每一個部分的要求都非常嚴格。普通的玻璃是用硅酸鹽製造的,它的缺點是重量大而且很難被加工,只能做成平面模樣,這樣的形狀運用在超音速的飛機上肯定是不行的,因為受到的空氣阻力可能會很大,不符合飛機的要求。

經過科學的研究發明,現代的戰鬥機座艙蓋玻璃大都採用有機高分子製作,也就是我們常說的有機玻璃,這種新材料在原有玻璃優點的基礎上同時強度也提升很多,在重量方面更是極其突出,只有原有的二分之一重,而飛機對於重量的要求是很嚴格的,所以這種新材料才被應用到現代戰鬥機上。

如今的玻璃大多都是用化學方法合成,現在使用最廣的材料是聚碳酸酯材料,比如美國的f22就使用的這種材料,具有延展性好,硬度大,還能隔熱等眾多優點,早知道,飛機以如此快的速度飛行,與空氣摩擦產生的熱量也是及其恐怖的,一般材料早就受熱融化變軟,只有特製的材料才能隔絕這種溫度。但是由於製作難度較大,所以價格也比較昂貴。而普通的丙烯酸酯雖然說差一點,但奈何成本低,所以一般都是兩層丙烯酸酯中間夾一層聚碳酸酯,這樣一來問題就完美解決了,同時透光度也有提升。


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F-22A的一體化座艙蓋。

戰機座艙蓋也是隨著科技水平的不斷進步而不斷的改變。早期螺旋槳時代的戰機座艙蓋玻璃,就是我們平常最常用的窗戶玻璃“無機玻璃”,我們都知道這樣的玻璃脆而又易碎、工藝性能也差;很難製成複雜的曲面,只能用三片式平面風擋,沒法加工成更符合空氣動力學特性、阻力更小的圓弧形風擋;而且密度大,重量也大,不利於飛機減重。

不過隨著科技水平的進步,工藝性能良好、質地輕、強度也高的有機高分子透明材料,即有機玻璃;逐漸成為航空透明材料的主力軍。其中最具有代表性的就是丙烯酸脂類透明材料和聚碳酸脂類透明材料。

丙烯酸脂類透明材料強度高重量輕,在同等強度下,重量僅為傳統無機玻璃的一半。這樣使用丙烯酸脂類透明材料做成的座艙蓋就要比無機玻璃艙蓋要薄很多,然後本身抗環境能力也強,即使使用多年後在力學性能和透光性都基本保持不變,不會出銀紋路及老化問題,另外透光性也相當不錯,能透過90%的日光。在現代戰鬥機使用上,丙烯酸脂類透明材料會與鋼化玻璃組成多層的複合透明玻璃,用來提高剛度。不過這種材料也有缺點,不抗衝擊,耐高溫不太好。

為了解決這兩個問題,聚碳酸脂類透明材料就面世了。著名的美國空軍F-22A戰機就是用聚碳酸脂類透明材料製成的座艙蓋。這種材料韌性更好強度更大,耐高溫也強。即使F-22超音速飛行,座艙蓋表面經空氣摩擦可達到110度,也能承受。不過東西是好就是太貴,聚碳酸脂類透明材料比丙烯酸脂類透明材料成本升上一半,耐磨性也一般,加工複雜難度大。做成艙蓋時需要與丙烯酸脂類透明材料一起混合使用。


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