隐身飞机的奇怪设计:明明材料最强为何弃之不用?

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  出品:科普中国

  作者:王明志

  策划:武玥彤

  监制:光明网科普事业部

  网友提问:隐身飞机的奇怪设计:明明材料最强为何弃之不用?

  专家解答:

  要更好地回答这个问题,我们还是以F-22战斗机的设计特点为例。隐身飞机实际上需要从三个方面入手实现“隐身”,一是缩减飞机的雷达反射截面,二是降低飞机的红外辐射特征,三是控制飞机主动辐射电磁信号。前两个方面在很大程度上都与材料有关,而材料都涉及到材质与重量。

  飞机设计历来都有一个重要的原则,就是飞机要维持在空中飞行需要用升力克服飞机自身的重力,设计师们必须想方设法为飞机节省每一克的重量。而像F-22那样的新一代隐身飞机,一方面,需要安装各种先进而又复杂的任务设备,飞机的体积和重量都很大,F-22飞机的空重就有20吨,载油和挂载武器后,飞机的最大起飞重量已经达到37.893吨,支撑这种机体重量需要强劲的结构;另一方面,F-22飞机机动能力很强,特别是在大速度大过载机动的情况下,机身和各个操纵面会承载很大的气动力。这两方面的因素作用,对飞机机体及部件的结构强度提出很高的要求,在这种情况下,材料就显得尤为重要,既要有满足要求的结构强度,又有尽可能轻的结构重量,这两者的平衡是一个困难的决策问题。

  为了达成某种平衡,飞机的某些部件通常会选择复合材料。就F-22飞机而言,以高强度著称的钛64合金占36%,热机械疲劳性能更好的钛62222合金占3%,热固性复合材料占24%,抗损毁性好的热塑性复合材料占1%,铝材料占16%,钢材料占6%,其他材料占14%。这些材料会根据结构强度特点和需要,使用在机身的不同部位。前机身结构主要是铝和复合材料;中机身结构主要是钛、铝和复合材料;后机身结构67%为钛合金,22%为铝合金,11%为复合材料。为了达到降低F-22飞机雷达反射特性的要求,在制造中不仅会选择结构件的材质,而且还会在结构件的表面按特定的排列方式钻出很多精确成形的小孔,形成对电磁波的散射作用。因此,对隐身飞机的制造来说,选择满足强度要求的材料只是一个方面,在满足强度及重量要求的前提下,能够降低雷达反射特性的先进制造技术才是关键所在。

  

  图 隐身战斗机F-22的机身表面(图片来自网络)

  王明志,1980年6月加入空军,1991年获军事学硕士学位,2000年获军事学博士学位。曾任航空兵部队作训参谋、副团长、教研室副主任、主任。先后在《外国军事学术》、《空军军事学术》、《外国空军军事学术》、《中国空军》、《航空杂志》等发表论文、译文30余篇;1996年以来为《世界军事年鉴》“航空武器装备”类目撰稿人;担任3本教材的主编、副主编;获军队科技进步三等奖1项,空军军事理论研究成果一等奖1项,二等奖和三等奖多项。

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