武器装备·第六代战斗机主要结构选材分析

以美国为代表的世界航空技术强国在陆续装备了当今世界上最为先进的F-22、F-35等先进战斗机以后，开始逐步探索未来新一代作战平台的技术研究和型号发展论证工作。目前，美国正在研制的 X-47B 无人机、X-37B 高超声速飞行器、SR-72高超声速隐身无人战略侦察机等先进飞行器均有可能成为未来作战使用平台。美国洛克希德-马丁公司不久前公布了自己设想的未来第六代战斗机初步目标图像和作战概念。

俄罗斯对未来第六代作战飞机的研究虽不如美国目标清晰，但是，其在新一代远程战略轰炸机平台研究方面丝毫没有滞后，经过多种方案优选竞标，最终，俄空军确认了新一代战略轰炸机研发方案将采用由图波列夫设计局设计的“飞翼式亚声速隐身布局”方案，俄罗斯将这种新一代战略轰炸机称为“远程航空兵远景航空系统”，即PAK DA轰炸机。另外，欧洲、日本等国家也都先后推出高超声速飞行器项目。所有这些先进飞行器大多数都具有隐身、高速、跨域等典型技术特征。因此，未来飞行器的发展方向就是更高、更快、更隐身。与之相应的飞行器结构设计技术必然将朝着更轻质、更高效、更长寿命、更低成本的方向发展，以满足飞行器平台不断提高的技术性能和作战能力要求。

战斗机结构外形演化

从各代战斗机演化过程可以看出，飞机的结构选材是随着航空材料技术发展、结构加工技术提高而不断向新材料、新工艺拓展应用的过程。因此，对于第六代战斗机来说，其结构选材具有以下特点。

主承力结构整体化复合材料

复合材料结构因其具有较高的比强度、比刚度，而成为现代先进战斗机结构的主要材料之一，随着技术发展，其用量比例将越来越高。据报道，F-35飞机结构的复合材料用量已经超过50%，其所用部位已经由最初的操纵面、口盖结构，到机翼、尾翼壁板结构，直到现在的机翼整体结构油箱、机身壁板结构主承力件。随着热固性复合材料技术成熟，以及陶瓷基复合材料的工程应用，在第六代战斗机上将会有更多的整体化、耐高温复合材料结构，以满足对飞机重量的苛刻要求。

高性能轻质结构材料

高性能轻质结构材料一直是战斗机上不可或缺的重要结构材料，这些材料的应用可以明显降低飞机结构重量系数，为提升飞机飞行性能、提高飞机的载油、载弹量具有重要作用。由于材料成本和加工工艺问题，以往，这些先进结构材料仅用于飞机的关键部位，如发动机等。随着技术发展，在第六代战斗机上将会大量采用高性能轻质合金材料，如高强高韧钛合金、耐蚀性/可焊性好的不锈钢、重量轻稳定性好的铝锂合金等材料。考虑第六代战斗机的高超声速飞行要求，结构材料的耐高温性能，如蠕变、伸展、耐蚀特性等将成为飞机平台选材的重要技术指标。

热防护结构材料

由于技术限制，目前能够在大气层内实现超高声速飞行并重复使用的飞行器还很少，主要原因之一就是结构材料的长时间耐热性问题。解决办法：（1）采取结构降温设计，往往代价较大且大幅提高了结构重量；（2）采用耐高温结构，需要有耐高温性好的结构材料；（3）在结构表面涂覆耐高温涂层，降低对结构的热传递；（4）采取隔热措施，阻止热载荷直接作用于飞行器主承力结构。无论何种措施，都需要对结构进行热设计和热防护，最终经过综合权衡以满足飞行器使用要求。

功能结构材料

近年来，一批新型功能结构材料涌现出来，如形状记忆结构材料、自诊断修复结构材料、超导结构材料、纳米材料、梯度功能结构材料以及模量可变结构材料等。这些新型结构材料在各自不同的应用领域都具有十分独特的技术特性，未来很可能应用于飞机结构变体设计、易损伤结构修复、结构表面减阻、结构防除冰和高温耐热防护等方面发挥重要作用。相信随着技术的不断发展成熟，它们将在未来飞行器结构设计中大放异彩。

新型隐身结构材料

隐身性能不仅是以F-22为代表的第五代战斗机的典型技术特征，在未来新一代远程战略轰炸机上也必将采用隐身技术。可以说，隐身技术是未来很长一段时期内飞行器发展的必由之路。因此，必须开展对新型隐身结构和材料的研究，以满足未来飞行器的设计需要。对第六代战斗机来说，就是要发展能够同时兼顾飞机高超声速飞行和隐身双重要求的新型结构材料，特别是红外隐身结构材料。

几种典型战斗机结构选材统计

摘自：李航航等《战斗机新结构应用与新材料需求分析》，发表于《航空科学技术》

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