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蘇-57戰鬥機是俄聯邦「聯合航空」製造公司旗下「蘇霍伊」航空集團主導和研發的高性能多用途戰機，是一款具有隱身能力的雙引擎多用途第五代制空及對地戰機，也是俄羅斯的首架隱形戰機。蘇-57是俄羅斯多年來先進科研成果的集大成者，從蘇57戰機上可以看到先進的工藝、材料及結構等。以下就讓我們來盤點一下蘇57戰機上使用的新型複合材料。
01/ 防雷擊納米隱身塗層複合材料
蘇57飛機上使用了大量的複合材料，除了機身骨架、機翼、進氣口的前緣耐熱段、制動器基座以及垂尾主體為金屬外，70%的機身蒙皮都由碳纖維複合材料打造，複合材料零部件差不多佔了機體總重量的25%。這樣大規模的使用復材能夠有效地降低飛機重量，提升飛機性能，但是由於復材導電性能比較差，在遭受雷電襲擊的過程中會對飛機造成非常嚴重的損傷。圖1是飛機不同部位遭受雷擊的概率圖。
從圖1中可以看出雷擊損傷區域主要分布在飛機雷達罩、機身前段、發動機吊艙、機翼翼尖、水平安定面翼尖和升降舵尖部、垂直安定面和方向舵尖部，以及機翼-機身整流罩等，幾乎遍布整個機身。這意味著有效的防雷措施是飛機安全的重要保障。
圖1 飛機遭雷擊部位圖
傳統的防雷擊方法主要是使用金屬網或者在碳纖維表面加入金屬顆粒塗層，由此來消散雷擊產生的高電流及熱量，但是這種方法不僅會增加飛機重量並且還會帶來新的腐蝕問題。為此全俄航空材料研究院特研發了一種新型的防雷電碳布結構（MKY），該結構由兩層碳布組成：一層是加入防雷擊納米塗層（МЗП）的0°和45°編織碳布，另一層就是單向普通碳布（見圖2）。圖2 防雷擊納米隱身塗層複合材料
經過試驗證明，這種新型的防雷電碳布結構與傳統的添加銅絲網的防護方法相比雷擊創傷面積可從65m2降低到4m2；減重80-310克/m2 ；避免了金屬和碳布之間的腐蝕問題；新型防雷電納米塗層碳布損壞之後還可修復，如果使用銅絲網就只能更換。另外新型塗層還考慮到了飛機的隱身性能。使用這種新型材料的蒙皮不會增加飛機的散射面積，蒙皮之間的連接處以及縫隙等都要填上高導電性的密封膠，使得飛機表面平整均勻，以保護飛機的低可探測性能。圖3 在I=200kA,Q=20C下的三種碳纖維復材損壞情況對比
02/ 可通信複合材料
如今纖維複合材料已是未來打造新一代戰機必不可少的先進材料，但纖維複合材料在使用過程中的維護成本特別高。據統計一架飛機的復材結構檢修時間需要900小時左右。可通信複合材料即指在飛機的複合材料結構內埋設靈敏度高達0.001%的光纖網絡，當結構受損時，傳感器可以根據雷射信號的變化，判定損傷的位置，評估剩餘壽命，依據情況給予飛行員建議。例如損傷較大時，建議飛行員趕快返航；嚴重損傷時，要求飛行員棄機逃生等，這樣就能實時、持續地掌握飛機結構狀況。使用這種智能復材結構，可使維護工作量減少數倍，內埋光纖和傳感器增加的重量也不超過5-7公斤。
這種可通信復材結構在多個國家已得到實際應用。在美國NASA早在2017年就規定飛機上的復材結構必須要使用集成光纖傳感器，以便監控飛機狀態。在俄羅斯這種智能復材結構不僅用於戰鬥機上而且民機上也有使用。
圖4 內埋光纖的復材結構
03/ 吸波防輻射耐衝擊復材玻璃
蘇-57早期艙蓋材料是採用了矽酸鹽玻璃，但是矽酸鹽玻璃與隱身鍍層存在黏附性的問題，會有粘不牢的情況，並且製造過程中也會出現有毒物質，成品率也較差。
2019年俄羅斯奧姆寧斯克工藝研究所調整了傳統軍機玻璃的材料成分，為蘇-57研製了一款新型整體聚碳酸酯材料的座艙蓋，艙蓋表面用磁控濺射鍍膜技術沉積以黃金和銦錫合金為主的專用多功能隱身塗層。這種新型座艙蓋比原先減重約５０％；吸收率從４０％提高到８０％；鍍膜與玻璃之間的黏著力比以往更強，因此該鍍膜在外部氣流猛烈衝擊下的耐磨損性更佳。
為蘇-57專門量身定製的「玻璃座艙」能夠保護蘇-57機組不受電磁、紫外線、紅外線輻射的影響，甚至核爆炸所產生的光輻射。此外，這種玻璃窗的抗撞擊性、透光性均有所增強，有助於飛行員在外部光線昏暗的環境下具有更佳視覺。
結語
新材料產業被認為是21世紀最具發展潛力並對未來發展有著巨大影響的高技術產業。航空材料的進步往往會促使裝備的更新換代。俄羅斯作為世界上領先的航空工業大國，近年來在新材料的研發和應用上取得了一定的進展，這也是蘇-57戰機高性能的保障。從蘇57上應用的新材料我們可以看到以下趨勢：
1、碳纖維複合材料在飛機機體的應用不斷增加。碳纖維複合材料良好的力學性能和不斷降低的生產成本促使該材料在飛機上的應用不斷增加，這種趨勢從近年來的軍機和民機上都能體現出來；
2、具有多功能的新型複合材料是未來發展方向。為了滿足新一代先進飛機的高性能需求，複合材料從以前單純的滿足強度、硬度、韌性、塑性等力學性能需求的結構材料向具有優良的電、磁、光、熱、聲、力等性能的多功能材料發展，比如透波複合材料、吸波複合材料、紅外敏感複合材料、減震複合材料等。
（作者單位：中國航空製造技術研究院）