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【往期经典】一文详细解密碳纤维复合材料在国外战斗机中的应用

国外军用战斗机中碳纤维复合材料用量发展如图1所示。随着战斗机综合性能要求的提升,其碳纤维复合材料应用比例也是稳步提升的。

图1 碳纤维复合材料在军机中用量

既然国外军用战斗机中碳纤维复合材料(CFRP)应用比例增加,那么其他材料比例肯定就会下降。在1986年首飞的美国F-15E战斗轰炸机中,CFRP比例仅为2%,而铝合金比例高达49%。

到了1992年研制、1995年首飞美国F/A-18E/F“超级大黄蜂”第三代战斗机上,CFRP比例已经提高到19%。而此时铝合金比例已经降至31%。

1997年首飞、21世纪初列装的美国F-22猛禽第五代战斗机中,铝合金含量已经降至16%,而CFRP比例也达到24%(图2)。


图2 美国军用战斗机中材料比例变化

与1986年前后生产的F/A-18C/D相比,F/A-18E/E中碳纤维复合材料用量增加,而且碳纤维也由第一代航空用碳纤维转变为第二代航空用碳纤维。树脂选择了高韧性环氧树脂。


图3 碳纤维复合材料在F/A-18E/F第三代战斗机应用

F/A-18E/F之所以增加CFRP含量,主要原因在于:需要减轻重量并提高航空母舰环境中的强度,可靠性和可维护性。中/后机身蒙皮以及其他辅助结构,如快速刹车和后盖,在F/A-18E/F中为全碳纤维/增韧环氧结构。机翼和尾翼使用碳纤维为具有改进强度和刚度特性IM7型碳纤维。虽然CFRP复合材料通常对冲击损伤极其敏感,但F/A-18E/F使用了Fiberite 977-3增韧环氧树脂体系已成功解决了运行中的威胁。

需要强调的是美国军用战斗机几乎全部采用的是美国赫氏公司的碳纤维产品,如AS4、IM7、IM8、IM10等,即便是东丽公司在美国开了分厂,也只是为民用航空提供材料。核心技术必须国产化,核心材料必须用国产,使得美国军用战斗机可以完全不用受日本东丽牵制

而且军用CFRP还是一块相当大的蛋糕,在偌大经费的支持下,2010年美国赫氏公司更是于全球率先研发出航空用第三代碳纤维,进一步加强美国军机用碳纤维大量应用国产材料的信心。

欧洲战斗机台风剖视图如图4所示,该型军用战斗机结构重量中40%由碳纤维复合材料组成,如机翼蒙皮,前机身,襟副翼和方向舵中均大量使用了碳纤维复合材料。其外壳复合材料基体选用的是美国赫氏8552增韧环氧树脂制成。

图4 欧洲台风Typhoon 战斗机剖视图

达索Dassault战斗机中CFRP比例在一直稳定增长,从首批Mirage 2000战斗机中的7%上升至阵风(Rafale)的26%以上。而欧洲公司制造的其他战斗机,例如萨博·格里彭(Saab Gripen)和EADS的新开发的“轻型”战斗机Makouse复合材料,重量百分比范围在20%至25%之间。经过多年发展,目前国外战斗机和攻击机结构重量中CFRP比例似乎稳定在30%。

美国B-2隐形战略轰炸机是当今世界上最先进的,也是唯一的一种的隐身战略轰炸机,该款轰炸机中碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料应用如图5所示。对于B-2轰战机而言,隐身或最小化雷达横截面是采用CFRP的主要驱动因素,由于石墨纤维(即高强高模碳纤维)含碳量99%以上,具有更优异信号屏蔽性能等,因此B-2隐形轰战机采用碳纤维为高强高模型石墨纤维。


图5 美国B-2隐形轰战机中CFRP应用

由于复合材料的密度低于金属,因此复合材料的机身体积分数相当大,据估计美国B-2隐形轰战机复合材料用量可能超过60%。对于B-2轰炸机,其独特的隐身性能要求决定了高强高模碳纤维及其复合材料的使用量显着增加

B-2轰炸机采用翼身融合、无尾翼的飞翼构形,机翼前缘交接于机头处,机翼后缘呈锯齿形。机身机翼大量采用高强高模碳纤维复合材料,超轻便结构可使B-2轰炸机作战航程可达1.2万千米,空中加油一次则可达1.8万千米,但其单架造价也高达22-24亿美元。

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