苏57战机上的新型复合材料

苏-57战斗机是俄联邦“联合航空”制造公司旗下“苏霍伊”航空集团主导和研发的高性能多用途战机，是一款具有隐身能力的双引擎多用途第五代制空及对地战机，也是俄罗斯的首架隐形战机。苏-57是俄罗斯多年来先进科研成果的集大成者，从苏57战机上可以看到先进的工艺、材料及结构等。以下就让我们来盘点一下苏57战机上使用的新型复合材料。

01/ 防雷击纳米隐身涂层复合材料

苏57飞机上使用了大量的复合材料，除了机身骨架、机翼、进气口的前缘耐热段、制动器基座以及垂尾主体为金属外，70%的机身蒙皮都由碳纤维复合材料打造，复合材料零部件差不多占了机体总重量的25%。这样大规模的使用复材能够有效地降低飞机重量，提升飞机性能，但是由于复材导电性能比较差，在遭受雷电袭击的过程中会对飞机造成非常严重的损伤。图1是飞机不同部位遭受雷击的概率图。

从图1中可以看出雷击损伤区域主要分布在飞机雷达罩、机身前段、发动机吊舱、机翼翼尖、水平安定面翼尖和升降舵尖部、垂直安定面和方向舵尖部，以及机翼-机身整流罩等，几乎遍布整个机身。这意味着有效的防雷措施是飞机安全的重要保障。

图1 飞机遭雷击部位图

传统的防雷击方法主要是使用金属网或者在碳纤维表面加入金属颗粒涂层，由此来消散雷击产生的高电流及热量，但是这种方法不仅会增加飞机重量并且还会带来新的腐蚀问题。为此全俄航空材料研究院特研发了一种新型的防雷电碳布结构（MKY），该结构由两层碳布组成：一层是加入防雷击纳米涂层（МЗП）的0°和45°编织碳布，另一层就是单向普通碳布（见图2）。

图2 防雷击纳米隐身涂层复合材料

经过试验证明，这种新型的防雷电碳布结构与传统的添加铜丝网的防护方法相比雷击创伤面积可从65m2降低到4m2；减重80-310克/m2 ；避免了金属和碳布之间的腐蚀问题；新型防雷电纳米涂层碳布损坏之后还可修复，如果使用铜丝网就只能更换。另外新型涂层还考虑到了飞机的隐身性能。使用这种新型材料的蒙皮不会增加飞机的散射面积，蒙皮之间的连接处以及缝隙等都要填上高导电性的密封胶，使得飞机表面平整均匀，以保护飞机的低可探测性能。

图3 在I=200kA,Q=20C下的三种碳纤维复材损坏情况对比

02/可通信复合材料

如今纤维复合材料已是未来打造新一代战机必不可少的先进材料，但纤维复合材料在使用过程中的维护成本特别高。据统计一架飞机的复材结构检修时间需要900小时左右。可通信复合材料即指在飞机的复合材料结构内埋设灵敏度高达0.001%的光纤网络，当结构受损时，传感器可以根据激光信号的变化，判定损伤的位置，评估剩余寿命，依据情况给予飞行员建议。例如损伤较大时，建议飞行员赶快返航；严重损伤时，要求飞行员弃机逃生等，这样就能实时、持续地掌握飞机结构状况。使用这种智能复材结构，可使维护工作量减少数倍，内埋光纤和传感器增加的重量也不超过5-7公斤。

这种可通信复材结构在多个国家已得到实际应用。在美国NASA早在2017年就规定飞机上的复材结构必须要使用集成光纤传感器，以便监控飞机状态。在俄罗斯这种智能复材结构不仅用于战斗机上而且民机上也有使用。

图4 内埋光纤的复材结构

03/吸波防辐射耐冲击复材玻璃

苏-57早期舱盖材料是采用了硅酸盐玻璃，但是硅酸盐玻璃与隐身镀层存在黏附性的问题，会有粘不牢的情况，并且制造过程中也会出现有毒物质，成品率也较差。

2019年俄罗斯奥姆宁斯克工艺研究所调整了传统军机玻璃的材料成分，为苏-57研制了一款新型整体聚碳酸酯材料的座舱盖，舱盖表面用磁控溅射镀膜技术沉积以黄金和铟锡合金为主的专用多功能隐身涂层。这种新型座舱盖比原先减重约５０％；吸收率从４０％提高到８０％；镀膜与玻璃之间的黏着力比以往更强，因此该镀膜在外部气流猛烈冲击下的耐磨损性更佳。

为苏-57专门量身定制的“玻璃座舱”能够保护苏-57机组不受电磁、紫外线、红外线辐射的影响，甚至核爆炸所产生的光辐射。此外，这种玻璃窗的抗撞击性、透光性均有所增强，有助于飞行员在外部光线昏暗的环境下具有更佳视觉。

结语

新材料产业被认为是21世纪最具发展潜力并对未来发展有着巨大影响的高技术产业。航空材料的进步往往会促使装备的更新换代。俄罗斯作为世界上领先的航空工业大国，近年来在新材料的研发和应用上取得了一定的进展，这也是苏-57战机高性能的保障。从苏57上应用的新材料我们可以看到以下趋势：

1、碳纤维复合材料在飞机机体的应用不断增加。碳纤维复合材料良好的力学性能和不断降低的生产成本促使该材料在飞机上的应用不断增加，这种趋势从近年来的军机和民机上都能体现出来；

2、具有多功能的新型复合材料是未来发展方向。为了满足新一代先进飞机的高性能需求，复合材料从以前单纯的满足强度、硬度、韧性、塑性等力学性能需求的结构材料向具有优良的电、磁、光、热、声、力等性能的多功能材料发展，比如透波复合材料、吸波复合材料、红外敏感复合材料、减震复合材料等。

（作者单位：中国航空制造技术研究院）