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从歼-20座舱盖看中国航空工业所取得的进步
2016-09-30   转自 空军之翼 审核人:   (点击: )

话说2015年11月24日,与2016号歼-20首飞仅间隔两个多月,最新的第八架、编号2017的国产第四代隐形战机歼-20成功首飞。三天以后,各大媒体出现了《新版歼-20座舱盖成亮点 专家:金属镀膜提升隐身》的后续报道。

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2017号歼-20的座舱盖

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早期歼-2001的座舱盖

从上图比较可以看到,2017号的座舱盖,确实呈现出与以往架次不同的黄橙色的金属光泽。

那么,这层金属光泽的镀膜是用什么制作的,真的有隐身作用吗?

一、座舱盖的性能要求

现代战机对座舱盖的要求很多,主要有以下几项:

1.透光性

这个很好理解,要方便飞行员观察座舱外部环境和机务人员观察舱内情形,座舱盖必须要有良好的透光性。现在先进战机的座舱盖透光率可以达到70-80%,甚至达到90%。

2.阻光性

这个就有点不好理解了。怎么,还要阻光,上面说好的透光性呢?

是这样,座舱盖材料在允许可见光进入座舱的同时,要防止红外线和紫外线的进入。这一方面是为了保护高空强烈紫外线对飞行员眼睛和皮肤的伤害,另一方面,也是因为光谱上的这两种光波对座舱盖和座舱内的很多非金属材料都有加速老化的作用,因此要尽可能挡在外面。

3.防撞性

飞行中,座舱如果遇到飞鸟撞击穿透,会对飞行员的安全构成致命威胁,因此具有一定的强度,是非常必要的。德国的F-4改进型的座舱盖,厚度25.4毫米,可以承受1.816公斤的鸟以925公里速度撞击。美军F-22的座舱盖,可以承受4磅/350节鸟击。一般规定,军机在最大速度飞行时,被1.8公斤质量的鸟撞,应当做到无穿透性损害。

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F-35座舱盖的鸟撞测试

4.耐温性

飞机在高速飞行,特别是超音速飞行时,高速气流对飞机表面的摩擦,可以导致温度上升。比如F-22,在2马赫飞行时,座舱盖外部温度可以达到110°。因此座舱盖应当具有合理的耐温性能。

5.保温性

刚说完耐温,又要保温了。对的,在高空低温环境下,为了保持座舱内部的合理温度,同时也是为了防止低温在座舱盖表面形成雾膜或冰层,座舱盖的风挡上还会有成对出现的金属丝作为加热除雾的电极。

除了上面这些特点,座舱盖还要耐磨,重量轻,并有一定的经济寿命,等等其他因素,就不再一一赘述了。

值得注意的是,战斗机发展到第四代,对座舱盖又提出了一个特殊的要求,就是隐身需求。

6.隐身性

座舱盖的隐身需求,具体来说,就是阻挡和吸取雷达波的进入和射出座舱。

首先,座舱内是空腔结构,各个部件是很大的反射源。外部电磁波摄入座舱后,很容易经过多次反射后再多次射出座舱,形成腔体反射效应(类似角反射器),大大提高了战机的RCS。

其次,座舱内有多种设备会主动发射电磁波,这些电磁波不但具有暴露飞机方位的信号特征,通信电波甚至有可能暴露战机作战信息,从而不仅增加了战机的等效反射面积,还有情报泄密的可能。

说了这么多,那么座舱的RCS究竟能有多大呢?

以“狮”式战斗机为例:无隐身措施的情况下,用在3.2cm波长的X波段雷达探测计算,其迎头RCS大约9平米。其中,进气道、雷达舱各为3平米,座舱为2平米,而机身翼面和其他暴露部分大约1平米。也就是说,座舱大约占了全机RCS的22%,而座舱盖采用低信号隐身技术改进的必要性就在于此。

二、座舱盖的材料

和其他很多兵器装备类似,金属镀膜座舱盖的材料与生产也大致分为美、俄两个体系。

1.美式座舱盖材料体系

美国采用的材料主要是两种树脂材料,再加上金属氧化膜。

第一种是丙烯酸酯(Acrylic Ester)类透明材料。丙烯酸酯树脂是一个很大的树脂家族,其最重要的性能是其透明性,即良好的光学性能。其透光率达到几乎90%,接近用于高级光学仪器的水晶。丙烯酸酯家族中最重要的均聚物,聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)可见光的透射率达到92%,浑浊度不到2%。

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丙烯酸酯材料制作的高透明件

同时,丙烯酸酯的重量比较轻,仅是水晶的50%左右,比传统无机玻璃也轻大约一半,因此这种材料的座舱盖,比老式飞机的无机玻璃座舱盖要薄很多。另外,这种材料耐候性好,抗老化,装备之后不出现传统玻璃的银纹现象,其颜色也可以保持长期不变。它的加工性也很好,能方便的加工成纤维、片材、薄膜、型材、管材等。丙烯酸酯类材料由于有上述多优点,经常被用来与钢化玻璃多层复合后,用于民航客机的风挡和侧窗。

但是……(咬文嚼字,两面下注,兵器迷的一贯风格,呵呵。)

丙烯酸酯的缺点来了:耐冲击性和耐温性差。因此,用于亚音速客机舷窗问题不大,但用于高速战斗机的座舱盖材料,还是有美中不足的。这就引出了大家要先容的下一种材料:聚碳酸酯材料。

聚碳酸酯(Polycarbonate,PC)是分子链中含有碳酸酯基的一种高分子聚合物,是几乎无色的玻璃态的无定形聚合物,具有良好的光学性,PC薄膜的透光率超过90%。

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聚碳酸酯薄膜件

与丙烯酸酯不同,聚碳酸酯的热变形温度大约为130°C-140°C。同时具高强度及弹性系数、高冲击强度,具有类似有色金属的强度性能,并且有很高的韧性。聚碳酸酯具有高透光率、高折射率、高抗冲性、尺寸稳定性及易加工成型等特点,因此在光学领域(如光学级聚碳酸配制作的光学透镜)大显身手,可用于照相机、显微镜、望远镜及光学测试仪器,在眼镜和光盘领域也得到了广泛的应用。在航空航天领域,仅在波音飞机上的聚碳酸酯部件就达2500个,单机耗用聚碳酸酯约2吨。在宇宙飞船上,玻璃纤维增强的聚碳酸酯部件及宇航员的防护用品也有数百种。

当然,在高冲击强度和高变形温度的优点弥补了丙烯酸酯缺点的同时,聚碳酸酯也有自身的不足。首先是聚碳酸酯长期暴露于紫外线中会发黄,而且耐磨性差,易溶于有机溶剂,价格也比丙烯酸酯贵50%-100%。

有朋友问了:既然丙烯酸酯和聚碳酸酯各有千秋,性能互补,那么能否将二者结合取长补短呢?

您说对了,美国人就是这么干的。他们将环境适应性更好的丙烯酸酯作为内外两层,而将抗候性差的聚碳酸酯作为中间夹层,经过这样多层复合形成了三明治一般的有机玻璃座舱盖。

有意思的是:美帝在这个方面有一个绝活。多层不同材料层合后压叠成型,用的是传统的压力成型法,因此做一个F-22那样的座舱盖,一层一层压,全套工艺耗时六周。这个成本是无法接受的,而新的注射成型法只要1小时。量产型F-22就采用这样的工艺。要知道,如果是同一种材料,注射成型法是一种普通传统工艺。但丙烯酸酯和聚碳酸酯是不同材料,还能做到注射成型而各层不乱。从这样一件小事上,航空大国的功力足见一斑。

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F-22的一体座舱盖采用了注射成型法制造

在YF-22原型机上,美国采用的还是丙烯酸酯舱盖。随着工艺上的突破,到了量产型的F-22,用的就是二种材料多层复合的座舱盖了。

事情到这里,就该轮到隐身技术的金属镀膜上场了。即在有机玻璃座舱盖表面,再镀一层金属薄膜,切断对人体有害的电子辐射、紫外线及远红外线。

美国人用的是氧化铟锡(ITO)膜,厚10-20纳米。ITO是一种铟(III族)氧化物(In2O3) 和锡(IV族)氧化物(SnO2)的混合物,通常铟氧化物占90%,锡氧化物占10%。ITO膜层的电阻率一般在5*10e-4左右,最好可达5*10e-5,已接近金属的电阻率,同时透光率超过90%,化学性质稳定,对有机玻璃和无机玻璃都有很好的附着性。用磁控溅射法镀了这层膜,再加上其他强化增透膜和保护层,隐身座舱盖(不含机构件)就大功告成了。

费了这许多功夫,隐身座舱盖究竟能让座舱降低多少RCS呢?

大家再以狮式战斗机为例,在采用低信号技术即隐身措施之后,全机RCS从9平米降大幅降低到1.1-1.4平米。其中,带屏蔽和吸波涂层的进气道RCS可降低到0.4-0.5平米,倾斜安装天线的雷达舱RCS为0.3-0.4平米,镀金属膜的座舱盖使座舱RCS降低到0.15平米(比原来座舱的2平米降低90%以上),机体降低到0.2-0.3平米。这一次,座舱在全机RCS的比例大约为9-13%。

下面大家简单先容一下俄式座舱盖的不同。

2 俄式座舱盖材料简述

俄罗斯的座舱的材料,并未采用美式的聚碳酸酯。而是采用了丙烯酸酯的一个分支材料:多层复合的聚氟代丙烯酸酯,作为座舱盖的基础有机玻璃。其最大特点是耐高温超过180°C,比F-22的聚碳酸酯还要高40°C,非常适合高速飞行。

但是这种树脂的硬度小,耐磨性差,长期日照会改变树脂的性质。而且材料中的氟有毒,环境友好性差。因此,俄罗斯也另辟蹊径,用美国淘汰的无机玻璃与聚氟代丙烯酸酯复合,大大提升了耐磨性,而且降低了成本。使得其座舱盖使用皮实,维护容易,就是材料比较的脆性高,韧性低,因此不得不做的更加厚重。这些特点,完全符合老毛子在兵器工业上的一贯作风。

根据俄罗斯“科技‘科学生产企业(NPP Technology)2012年3月先容,T-50用等离子化学沉积法制作聚合物舱盖主体,以等离子磁控溅射镀上金属薄膜,由金属播磨与聚合物层交替构成。风挡上还有成对出现的金属丝作为加热除雾电极。

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T-50和米格-35的镀膜座舱盖

最后,俄式战机座舱盖的金属膜,主要采用的是金膜(Au膜),而不是氧化铟锡膜(ITO膜),也是与美式四代机的重要不同。

有朋友问了,美俄都说了,该轮到中国了吧。

3 关于J-20原型机2017座舱盖的讨论

20的事情,比较敏感,披露极少。兵器迷只能结合上面的先容,略作讨论,大家拍砖。

首先,媒体普遍报道2017用的是金膜,即Au膜。兵器迷觉得难以确定。目前,世界上先进战机座舱盖的膜系确实有两个,就是ITO膜系和Au(金)膜系。媒体的判断依据是颜色。为此,让大家再看一下2017的座舱盖:

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歼-20原型机2017的座舱盖

从上图看,这个依据有一定道理,但是兵器迷觉得,尚不充足。Au金膜系确实能呈现金属橙或淡茶色,难道F-22的ITO膜系就不能呈现出同样颜色吗?

过去就曾有网友争论说F-22的隐身金属膜是金膜,因为看上去是淡金色,而另一些网友说是ITO,因为呈现的是淡绿色。

这又是怎么回事?难道这个座舱盖是两眼异色的波斯猫不成?

其实,F-22用的是ITO膜。因为ITO膜在弱光线(如室内)下,确实是略显茶色,因此看起来像金膜。但是,如果在较强烈的阳光照射下,ITO会呈现出一种淡淡的墨绿色,这并不矛盾。

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机库内的F-22座舱呈淡茶色

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晴空下的F-22座舱盖呈现淡绿色

现在猜一猜,F-35这种座舱盖用的是Au膜还是ITO膜?

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F-35的座舱盖

光照不同造成的颜色差异,这就是兵器迷对媒体“土豪金“结论的疑问。因此,更准确的判断,需要更加丰富的证据。在此之前,兵器迷不敢请下结论。

此外,座舱盖的Au膜和ITO膜系,实际上并不一定是非此即彼,可以二者兼具。比如T-50未来的膜系,就有可能采用黄金+铟+锡,每层20-30纳米厚,共90纳米厚的镀膜,可以让电子设备辐射外泄为原来的1/250。

当然,兵器迷并不是对J-20采用金膜全面否定。因为实际上,Au膜和ITO膜的电磁性能基本上相同。而Au膜的优点是:工艺简单成熟,性能稳定,镀一层后长期不改变性质,因此可维护性更好。Au膜的缺点主要是在光学性上,如果厚度超过10纳米,则透光率就会下降很快。比如,上例中T-50如果要采用20-30纳米厚的Au膜,透光率会下降到70%左右。

反之,而ITO比Au膜,光学性占优,但工艺性就是弱点,真空层沉积工艺非常昂贵,而且ITO膜比较脆弱,柔韧性稍差,因此完成镀膜后,日常维护和寿命不如金膜。

更何况,从技术上看未来的发展,更加便宜,原料供应更加可靠的防辐射导电膜,应当是碳纳米管导电镀膜,也就是石墨烯。关于这方面,国内的情况是……(以下删去XXX字)。

总之,对于中国J-20这样的跟随创新四代机,隐身效果是刚需,而透光性差一些,对超视距作战为主的作战模式影响不大,选择工艺成熟的金膜,是完全可以理解的。从作战环境和维护成本上看,金膜也有优势。事实上,国内对Au膜的研究非止一日,且在应用上,J-20也未必是第一个型号。

有兴趣的同学,可以看看,10月份媒体曝光的疑似案例中,这款战机座舱盖用的是什么膜。

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2015年10月歼-10B的座舱盖

唠了这许多,也就是一个微不足道的座舱盖。或者说,是座舱盖的很小一部分技术特征。然而以小见大,知微见著,先进航空工业的复杂和先进在这里,中国航空工业的进步和差距在这里。

而大家中国军迷的学习和希望,也在这里。

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