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飞机的“眼睛”:先进航空透明件

175 人阅读 | 时间:2018年04月08日 17:06

航空结构透明件位于飞机前端,因其功能及重要性而被称为飞机的“眼睛”,航空透明材料与透明件的研究与发展伴随着人类航空事业的进步,是飞机上关键功能结构件之一。首先,透明件是飞行员起降飞机、观察外界环境的唯一途径,因此要有良好的光学性能,为飞行员提供良好的视野;其次,透明件与前机身结构融合,一起构成气密座舱,要有很高的结构强度,能够承受强烈的气动载荷与飞鸟撞击,为飞行员提供封闭的生存空间与应急弹射时的离机救生通道,是飞行员空中飞行、执行任务的生命安全保障;最后,根据飞机的飞行服役需求,还要求透明件具有多频谱隐身、电加温、电磁屏蔽、防高能射线辐射、防眩光、静电防护以及环境自适应性光致变色等功能中的一种或几种。因此,先进航空透明材料与透明件技术并非单一学科,而是涉及材料学、高分子材料、光学、力学、热力学、机械设计、机械制造以及隐身技术等众多学科领域,内涵十分丰富。

先进航空透明件的发展及特点

先进航空透明件按机构特点可以分为单层结构与多层复合结构。航空单层结构透明件的结构特点逐渐往一体化、集成化与轻薄化方向发展,也更加注重透明件的人机功效,实现光学性能、结构强度与特殊功能的综合优化,为飞行员提供更加安全舒适、高效的服役环境。如从二代机的三块式风挡和蚌式活动舱盖组成的透明件,如图1-a,典型的飞机有米格-21、F-4等;到三代机的整体式圆弧风挡和可开启的水泡式活动舱盖组成的透明件,如图1-b,典型的飞机包括F-15、F-16、F/A-18、苏-27系列、“阵风”等;再到四代机的风挡与座舱结构一体化透明件,如图1-c,典型的代表飞机为美国F-22。

同样,多层结构航空透明件结构设计理念以轻薄化、降低整体重量并提高抗冲击强度为目的。为了满足高性能飞机对透明材料所提出的光学、力学和热学方面的综合性能要求,因此人们早在20世纪50年代开始就花费了大量的精力探索结构与性能优化的多层结构透明件。夹层结构透明件主结构材料多选用无机玻璃,而为了实现整体减重,又避免无机玻璃抗裂纹扩展能力差、安全性不足的问题,人们逐渐探索将无机玻璃与透明高分子材料结合使用的方法。如波音787应用的复合结构风挡透明件最外层采用化学钢化玻璃以提高强度与耐磨性,内层选用定向有机玻璃,这样结合了二者的优点,既降低了整体重量又保证了足够的结构安全性能,如图2(a)所示。同时,为了给飞行员提供更加优良的视界,传统民航客机的六块式结构风挡也逐渐被四块结构代替。如波音787的四块式结构风挡代表着当前民航飞机透明件制造与应用技术的最高水平)。

总之,先进航空透明件结构设计应逐渐往一体化、轻薄化与结构力学更加优化方向发展,制造技术趋向于高可靠性、低成本、高效率、低应力方向发展,材料技术更加追求多功能性、智能化、高强韧化与轻量化。因此,未来先进航空结构透明件技术是集基础理论、设计计算、宏观制造、实验分析与先进材料技术为一体的复杂体系,与其他相关领域理论共享、技术融合将是人们关注的又一热点。

先进航空透明材料技术

对于战斗机、教练机多采用的单层结构透明件,至今应用最为广泛的是航空有机玻璃,有机玻璃又可以分为浇注有机玻璃、定向拉伸有机玻璃以及微交联有机玻璃。浇注有机玻璃在室温下是脆性材料,对缺口和应力集中比较敏感,抗裂纹扩展能力差。定向有机玻璃是用浇注有机玻璃加热至其玻璃化温度以上经双轴定向拉伸制成的,经过定向使某些物理性质和力学性能改善,其室温抗应力-溶剂银纹性比浇注有机玻璃高2~3倍,冲击强度提高1倍,断裂韧度提高1~2倍。用定向有机玻璃制造的透明件不易产生银纹,定向有机玻璃是目前战斗机上使用的最重要的透明塑料,如美国的F-14、F-15、F/A-18、F-35,法国的“幻影”2000、“阵风”,日本的F-2等。

除微交联有机玻璃和定向有机玻璃外,聚碳酸酯(PC)具有很好的光学性能(2mm厚板材的透光率可达90%以上),较高的比刚度、比强度特性(密度为1.2kg/m3,准静态下的杨氏模量为2.1GPa、拉伸强度大于60MPa),冲击强度是有机玻璃的5倍以上,冲击韧性是所有透明材料中最高的,且其热变形温度可达138℃以上。因此在航空座舱透明件中也得到了初步应用。美国现役飞机中使用聚碳酸酯材料的有F-22、F-111、F-16、F/A-18及B-1B等。PPG工业公司在2012年巴黎航展上推出了高性能抗裂航空透明材料,称是50多年来为航空领域打造的首款新型透明塑料。该产品质量轻、抗裂性好、耐火度高,已经被湾流公司选作G650新型商务机客舱玻璃舷窗外表面材料。他们期望能够取代用作客舱玻璃舷窗的传统亚克力材料。这种高级透明材料成功通过了美国联邦航空管理局关于授予飞机型号合格证书的质量鉴定检测。

对于多层复合结构透明件,一般为无机玻璃或其他透明高分子材料中的一种或几种经过一层或多层聚合物胶片(热塑性聚氨酯TPU、聚乙烯缩丁醛PVB等)粘接而成,多层复合结构透明件多选用加热加压的方式进行成形制造,透明结构材料能够保证复合结构透明件的结构强度,在遭到鸟体撞击破碎时,中间层材料能够起到分散应力集中产生的冲击能量和缓冲的作用,同时中间层胶片能够将破碎的玻璃碎片粘接在一起防止碎片溅射,充分保护飞行员的安全。成形后的透明件具有抗冲击强度高、安全性好等优点,因此,被广泛用于民航客机、直升机、运输机以及高速列车、船舶等透明件领域。

先进航空透明件成型制造技术

1、冷弯、自由吹塑与真空辅助成形技术

冷弯、自由吹塑与真空辅助成形技术是将透明材料板材(如PMMA)加热至玻璃化转变温度附近,经靠模、真空吸塑或高压气体吹塑成形出所需形状的过程。冷弯成形温度一般低于PMMA的玻璃化转变温度;真空辅助成形一般借用模具控制透明件的外形精度,多用于成形制造形状较为简单的航空座舱结构透明件。而自由吹塑成形技术无需模具控制外形,其原理是首先将有机玻璃加热并施加载荷弯曲,达到所需的曲率后用梯度加热技术对其进行梯度加热实现局部较高的温度,同时用压缩气体进行吹塑使透明件在所需位置变形拱高,可以根据需要得到不同外形与曲率的航空结构透明件,适合于双曲率外形薄壁透明件的成型制造,如图3所示。冷弯、自由吹塑与真空辅助成形技术被广泛用于国内外三代机、四代机座舱透明件的制造。

2、注射压缩成型技术

注射压缩成型技术相对于传统成型技术具有很多优点,如成型周期短、制品内应力小表面质量高,能够得到复杂外形制件,因此被认为是一种高效率、低成本、高精度透明件制造技术已经被广泛用于汽车风挡、车灯以及光学显示屏等领域透明件的成型制造。但是在航空结构透明件领域至今应用较少,据报道,目前,只有美国T-38教练机风挡透明件是通过注射压缩成型制造的。

3、热压复合成形技术

复合结构透明件多采用热压复合工艺实现,其原理是将制件加热至聚合物胶片的粘流温度附近,利用加压的方法使其与结构材料进行粘接。该工艺过程容易控制,制件缺陷较少,成品率高,因此得到了广泛使用。但是对于复杂形状和异形制件就很难实现,真空灌注工艺就具有其独特的优势,美国PPG公司已经成功研发出专门用于复合结构透明件的灌注料,且真空灌注工艺具有高效节能的优点,在未来复杂异形结构透明件的制造中也具有良好的应用前景。

随着国民经济发展与人们生活水平的不断提高,先进航空透明件在飞机上所占比例呈现逐渐增大的趋势,形式也逐渐多样化、个性化、美观化。空客公司已经在2010年巴黎航展上展出了全透明飞机的设计理念,并预计2050年实现市场化,如图3为空客公司全透明飞机设计模型图,该飞机设计思想在飞机平稳行驶的过程中,乘客们可以通过机舱两边以及机顶全透明的膜壁360度地观看天空中的景观;起飞降落时,则可能通过按键控制,使透明膜壁被遮盖。该设计理念为更高性能的透明材料与结构设计更加合理的透明件提出更高的要求和挑战。

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