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瀚海狼山:6代机研发中的关键技术,超高强度耐热蒙皮即将突破!|2021-03-09

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所有叫飞机的飞行器,一个最本质的特点就是比空气更重。比空气轻的飞行物叫做气球或者热气球。飞机本身比空气重还能稳定高飞,本质上就在于飞机可以通过机翼翼面,也包括机身产生一定的空气动力升阻比,让飞行阻力的一部分变成正升力。有些飞机,典型的比如B2,机体和机翼是完全融合在一起的。获得升力的原因同样是获得稳定的升阻比。要获得部分阻力变成的升力,本质上是飞机上下面的空气压力差不相等。一般要求飞机下表面的空气压力要大于飞机上表面的空气压力。而根据流体力学的基本规律,流经一个物体表面的流体的流速越快,则流体施加给物体的压力越小。作为飞机,上下表面在空气中运动时,整体速度是一致的。但是可以通过把机翼包括机身的上表面做的更加凸起,下表面做的相对平滑,则相同时间内,上表面的空气流过的距离就比下表面更长,

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这样就等于飞机下表面的空气施加给飞机的压力会大于上表面,这种压力差就是升力。这一点从B2这种巨大的飞翼体布局的飞机中会很容易观察到。而这种上下空气压力差获得的升力是非常巨大的。很多人不知道。这种上下压力差获得升力,往往是飞机总推力的5倍以上。比如B2的4台发动机的最大总推力不过34吨,但是B2的最大起飞重量在170吨。B2起飞时的总升力肯定还大于170吨。因此以34吨的较小推力就可以获得5倍以上的升力。全重100吨级的民航机,只需要20吨出头的发动机推力机可以飞到万米以上也是这个原因。这也是为何正规航母都追求水平弹射起飞。因为水平弹射获得的最大升力值,比直接靠发动机喷气垂直起飞获得的升力大得多而且省油数倍。直接靠火箭喷射式的“旱地拔葱”起飞模式,其实是很不划算的。那么既然飞机的上下面的基本形状是不一样的。就必须用一定的材料和结构让这种上下面不一样的外形比较容易保持。

这样就要求现代飞机的外壳不能太软,必须保持一定的外形“刚度”。否则一阵强风吹来,飞机的机翼或者机体如果当即被风压压瘪了,那么这种飞机的气动外形就被破坏了。会严重影响飞机本身的飞行安全。人类最早发明的飞机都是木框结构,加上钢丝强化,外表直接蒙上帆布。这种软壳飞机低速飞行尚可。如果空中时速超过200公里每小时,帆布飞机就有可能被高速气流直接撕裂外表。二战早期的活塞螺旋桨飞机的时速已经超过了500公里每小时,比目前运行的高铁还快了,此时风压已经很大,帆布外蒙皮和木框结构完全承受不了。于是改用航空铝材框架,以及采用航空铝材的外蒙皮。有些强度要求高的飞机还直接采用钢材作为结构主梁,这种情况一直用到了今天。不论民航机还是作战飞机,飞机不同位置受到空气冲击的严重程度也不同。因此大多数飞机都有3种外表受力形式。

蒙皮主要分为半硬壳式和硬壳式结构。这些航空专业术语,瀚海狼山(匈奴狼山)以后会专门解释。大多数飞机的外壳传统蒙皮材料还是航空铝材,一般厚度2到5毫米之间。铝材蒙皮铆接固定在内框架上。最新式的大飞机和战机则多用碳纤维复合材料代替普通航空铝材制作蒙皮。不过不论是传统的铝材还是复合材料做蒙皮,飞机在2.2马赫以下飞行问题不大。但是一旦速度更高,则会产生严重的气动加热外加飞行蒙皮受到气动高压变形的问题。过去提到3倍音速飞行,气动加热严重的情况分析较多。其实高速下外壳变形的问题同样严重。比如看J8高速飞行的录像,就会看到J8的部分外蒙皮严重抖动并且明显变形。其实J8有加速到2.5马赫以上的潜力。但是传统的铝合金蒙皮根本受不了。硬飞之下,甚至会出现蒙皮撕裂的故障。高速下蒙皮抖动变形,还会导致隐身飞机的隐身外形整体破坏。

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严重不平整的表面会瞬间增大反射指标,导致大部分隐身能力失效。而目前普通的航空铝材和一般的复合材料,都解决不了受压变形和长时间耐高热的问题。米格25用不锈钢蒙皮简单解决了这个问题。但是到了5.5代甚至以后的6代机,再用不锈钢显然是不行的。某20就采用了特殊材料和特殊工艺,让其高速下外蒙皮变形很小,外观像银灰色金属一样的平滑可靠。而6代机的飞行速度更高更快,某20上使用的适应2.9马赫以下的蒙皮还属于差强人意。完整的6代机,需要适合2.9马赫到3.9马赫速度的超强蒙皮。其全新材料的高端坚硬耐热外蒙皮已经接近提前突破!

 

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