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6代機(jī)研發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù),超高強(qiáng)度耐熱蒙皮即將突破!

2021-03-08 23:38 作者:瀚海狼山  | 我要投稿



所有叫飛機(jī)的飛行器,一個(gè)最本質(zhì)的特點(diǎn)就是比空氣更重。比空氣輕的飛行物叫做氣球或者熱氣球。飛機(jī)本身比空氣重還能穩(wěn)定高飛,本質(zhì)上就在于飛機(jī)可以通過機(jī)翼翼面,也包括機(jī)身產(chǎn)生一定的空氣動力升阻比,讓飛行阻力的一部分變成正升力。有些飛機(jī),典型的比如B2,機(jī)體和機(jī)翼是完全融合在一起的。獲得升力的原因同樣是獲得穩(wěn)定的升阻比。要獲得部分阻力變成的升力,本質(zhì)上是飛機(jī)上下面的空氣壓力差不相等。一般要求飛機(jī)下表面的空氣壓力要大于飛機(jī)上表面的空氣壓力。而根據(jù)流體力學(xué)的基本規(guī)律,流經(jīng)一個(gè)物體表面的流體的流速越快,則流體施加給物體的壓力越小。作為飛機(jī),上下表面在空氣中運(yùn)動時(shí),整體速度是一致的。但是可以通過把機(jī)翼包括機(jī)身的上表面做的更加凸起,下表面做的相對平滑,則相同時(shí)間內(nèi),上表面的空氣流過的距離就比下表面更長,


這樣就等于飛機(jī)下表面的空氣施加給飛機(jī)的壓力會大于上表面,這種壓力差就是升力。這一點(diǎn)從B2這種巨大的飛翼體布局的飛機(jī)中會很容易觀察到。而這種上下空氣壓力差獲得的升力是非常巨大的。很多人不知道。這種上下壓力差獲得升力,往往是飛機(jī)總推力的5倍以上。比如B2的4臺發(fā)動機(jī)的最大總推力不過34噸,但是B2的最大起飛重量在170噸。B2起飛時(shí)的總升力肯定還大于170噸。因此以34噸的較小推力就可以獲得5倍以上的升力。全重100噸級的民航機(jī),只需要20噸出頭的發(fā)動機(jī)推力機(jī)可以飛到萬米以上也是這個(gè)原因。這也是為何正規(guī)航母都追求水平彈射起飛。因?yàn)樗綇椛浍@得的最大升力值,比直接靠發(fā)動機(jī)噴氣垂直起飛獲得的升力大得多而且省油數(shù)倍。直接靠火箭噴射式的“旱地拔蔥”起飛模式,其實(shí)是很不劃算的。那么既然飛機(jī)的上下面的基本形狀是不一樣的。就必須用一定的材料和結(jié)構(gòu)讓這種上下面不一樣的外形比較容易保持。


這樣就要求現(xiàn)代飛機(jī)的外殼不能太軟,必須保持一定的外形“剛度”。否則一陣強(qiáng)風(fēng)吹來,飛機(jī)的機(jī)翼或者機(jī)體如果當(dāng)即被風(fēng)壓壓癟了,那么這種飛機(jī)的氣動外形就被破壞了。會嚴(yán)重影響飛機(jī)本身的飛行安全。人類最早發(fā)明的飛機(jī)都是木框結(jié)構(gòu),加上鋼絲強(qiáng)化,外表直接蒙上帆布。這種軟殼飛機(jī)低速飛行尚可。如果空中時(shí)速超過200公里每小時(shí),帆布飛機(jī)就有可能被高速氣流直接撕裂外表。二戰(zhàn)早期的活塞螺旋槳飛機(jī)的時(shí)速已經(jīng)超過了500公里每小時(shí),比目前運(yùn)行的高鐵還快了,此時(shí)風(fēng)壓已經(jīng)很大,帆布外蒙皮和木框結(jié)構(gòu)完全承受不了。于是改用航空鋁材框架,以及采用航空鋁材的外蒙皮。有些強(qiáng)度要求高的飛機(jī)還直接采用鋼材作為結(jié)構(gòu)主梁,這種情況一直用到了今天。不論民航機(jī)還是作戰(zhàn)飛機(jī),飛機(jī)不同位置受到空氣沖擊的嚴(yán)重程度也不同。因此大多數(shù)飛機(jī)都有3種外表受力形式。


蒙皮主要分為半硬殼式和硬殼式結(jié)構(gòu)。這些航空專業(yè)術(shù)語,瀚海狼山(匈奴狼山)以后會專門解釋。大多數(shù)飛機(jī)的外殼傳統(tǒng)蒙皮材料還是航空鋁材,一般厚度2到5毫米之間。鋁材蒙皮鉚接固定在內(nèi)框架上。最新式的大飛機(jī)和戰(zhàn)機(jī)則多用碳纖維復(fù)合材料代替普通航空鋁材制作蒙皮。不過不論是傳統(tǒng)的鋁材還是復(fù)合材料做蒙皮,飛機(jī)在2.2馬赫以下飛行問題不大。但是一旦速度更高,則會產(chǎn)生嚴(yán)重的氣動加熱外加飛行蒙皮受到氣動高壓變形的問題。過去提到3倍音速飛行,氣動加熱嚴(yán)重的情況分析較多。其實(shí)高速下外殼變形的問題同樣嚴(yán)重。比如看J8高速飛行的錄像,就會看到J8的部分外蒙皮嚴(yán)重抖動并且明顯變形。其實(shí)J8有加速到2.5馬赫以上的潛力。但是傳統(tǒng)的鋁合金蒙皮根本受不了。硬飛之下,甚至?xí)霈F(xiàn)蒙皮撕裂的故障。高速下蒙皮抖動變形,還會導(dǎo)致隱身飛機(jī)的隱身外形整體破壞。


嚴(yán)重不平整的表面會瞬間增大反射指標(biāo),導(dǎo)致大部分隱身能力失效。而目前普通的航空鋁材和一般的復(fù)合材料,都解決不了受壓變形和長時(shí)間耐高熱的問題。米格25用不銹鋼蒙皮簡單解決了這個(gè)問題。但是到了5.5代甚至以后的6代機(jī),再用不銹鋼顯然是不行的。某20就采用了特殊材料和特殊工藝,讓其高速下外蒙皮變形很小,外觀像銀灰色金屬一樣的平滑可靠。而6代機(jī)的飛行速度更高更快,某20上使用的適應(yīng)2.9馬赫以下的蒙皮還屬于差強(qiáng)人意。完整的6代機(jī),需要適合2.9馬赫到3.9馬赫速度的超強(qiáng)蒙皮。其全新材料的高端堅(jiān)硬耐熱外蒙皮已經(jīng)接近提前突破!


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