侃侃战斗机的座舱盖

源济

侃侃战斗机的座舱盖 

原创 2017-09-30 卢士玉 军胜 王野 空军之翼

座舱盖是用什么材料做的？

　　战斗机座舱盖从外形看，给人的第一个印象就是——透明，甚至在专业术语里，也将其称为“座舱盖透明件”，这让人第一时间想到了一种目前世界上应用最广泛的透明材料——玻璃。事实上，战斗机座舱盖的确是由玻璃材料制成的。

正在进行切削加工的F-35整体座舱盖

　　早期低速螺旋桨时代的座舱盖玻璃，就是我们平常最常用的窗户玻璃——无机玻璃，但无机玻璃脆而易碎、工艺性能较差；很难制成复杂曲面，只能用三片式平面风挡，不能加工成更符合空气动力学特性、阻力更小的圆弧形风挡；而且密度大，重量大，不利于飞机减重。

Me 109战斗机的平板玻璃座舱盖

　　随后，工艺性能良好、质轻、强度高的有机高分子透明材料（即有机玻璃）逐渐成为航空透明材料的主力军。其中最具代表性的当属丙烯酸酯类透明材料和聚碳酸酯类透明材料。

　　丙烯酸酯类的优点是比强度高，在同等强度下，重量仅为传统无机玻璃的50%，因此丙烯酸酯类材料制造的座舱盖比无机玻璃舱盖要薄得多；同时它抗环境作用能力也很突出，在使用多年后，其力学性能和透光性都能基本保持；此外，丙烯酸酯类材料的透光性很好，能透过超过90%的日光。早在上世纪60年代，德国的垂直起降研究机就率先采用了浇注制造的交联丙烯酸有机玻璃209材料（丙烯酸酯类材料的一种）。在现代战斗机上，丙烯酸酯类材料多与钢化玻璃材料组成多层复合透明玻璃，以提高其刚度。此外在民航客机上，它也有广泛应用，多用于制造风挡和侧窗、客舱口透明材料。

聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA，也就是亚克力）在1936年开始批量生产，因此被二战飞机广泛使用。图为B-17F的PMMA机鼻

　　丙烯酸酯类材料最大的缺点是耐冲击性和耐温性较差，聚碳酸酯类材料就是为了解决这一问题发展起来的。目前，美国空军的第五代战斗机F-22，就采用了聚碳酸酯类材料来制造座舱盖（F-22的早期原型机YF-22，座舱盖采用的仍为丙烯酸酯类材料）。与丙烯酸酯类材料相比，聚碳酸酯类材料的优点很鲜明，首先是韧性更好强度更大，抗鸟击能力突出。卢卡斯航空航天公司进行过试验，用普通的丙烯酸酯类有机玻璃制造的风挡，很容易被鸟撞击击破，而如果将两层薄薄的丙烯酸酯之间加入一层聚碳酸酯类材料，其抗鸟击能力就会成倍提高。试验表明，它可以抵抗1千克的鸟以97千米/小时速度的撞击。而且，聚碳酸酯类材料不只抗鸟撞能力高20%，而且抗炮弹能力更好。聚碳酸酯类材料的耐热性也很好，试验证明，当F-22战斗机以马赫数2.0的高速进行飞行时，座舱盖表面受空气动力摩擦后温度高达110摄氏度左右，此时聚碳酸酯制造的有机玻璃座舱盖性能很稳定，完全满足使用要求。

现在聚碳酸酯类材料（PC）与丙烯酸酯类材料的复合结构已经成为战斗机座舱盖的主流材料

　　聚碳酸酯类材料由于工艺复杂，加工浇注难度大，目前还比较昂贵，比丙烯酸酯类材料贵50%~100%。同时聚碳酸酯类材料耐磨性较差，且易溶于有机溶剂，因此非常娇贵，对后勤保养提出了很高的要求和挑战。目前在具体使用中，聚碳酸酯材料多与丙烯酸酯类材料进行复合，构成复合多层有机玻璃材料来使用，其中丙烯酸酯类材料在外，聚碳酸酯材料夹在中间，以充分扬长避短，并降低成本。德国空军的F-4战斗机在升级改造时，就使用了麦道和古德意航空航天公司的聚碳酸酯丙烯酸酯复合有机玻璃座舱盖，其厚度仅为25.4毫米，这种透明材料可以承受1.816千克重的鸟以925千米/小时的速度的撞击。

两层PMMA中间夹一层PC的三明治结构，之间通过聚氨酯粘结

F-15的座舱盖就采用这种结构

　　值得注意的是，F-22的聚碳酸酯有机玻璃座舱盖，使用了新的成型加工工艺，传统的座舱盖采用压力成形法，多层材料层合后压叠成形，而后进行抛光等工艺处理，加工一个座舱盖，整个流程需要六个星期工时，而新的工艺采用注射成形法，只需要1个小时。

F-22的PC和PMMA多层材料采用新型注射成形法制造

　　在座舱盖材料技术上，还有另外一个比较特殊的流派，这就是苏联/俄罗斯，它们在技术上自成一格。在上世纪60、70年代，苏联也开始采用有机玻璃材料制造座舱盖，比如聚氟代丙烯酸酯有机玻璃（也属于丙烯酸酯类材料），其优点是耐高温能力远强于美国使用的部分丙烯酸酯类材料，最大耐温温度高达180摄氏度，特别适合高速战斗机。但众所周知氟是剧毒物质，因此该座舱盖在制造过程中不可避免会产生剧毒物质，且造价十分昂贵。

米格-25的座舱盖应该就是采用聚氟代丙烯酸酯有机玻璃制造的

　　随后，苏联意识到有机玻璃还有一些固有的缺点，比如硬度小，耐磨性差，易划伤；导热性差，热膨胀系数大；受到温度、日光和溶剂等的作用时，性质会变化。而这些缺点，恰恰是无机玻璃的优点。而只要通过对传统无机玻璃进行技术改进，比如无机玻璃分层制造、或在多层无机玻璃中间复合有机玻璃材料等，就能部分解决无机玻璃脆性大等缺点。据专家推测，在俄罗斯第五代战斗机T-50上，就很可能使用了以无机玻璃材料为主的多层玻璃复合材料来制造座舱盖，由于无机玻璃脆性高，韧性差，因此T-50的座舱盖厚度很可能厚于F-22和F-16等为代表采用有机玻璃材料的战斗机，同时为了保证座舱盖材料不碎裂，还需要多加一道金属框进行加强。但T-50的座舱盖耐磨性更佳，且不溶于有机溶剂（比如机油等），因此更皮实、更易保养，在造价和可维护性方面相比F-22的座舱盖占有一定性优势。

苏-57的硅酸盐玻璃风挡和座舱盖。图4是苏-35S的硅酸盐玻璃风挡

座舱盖的颜色哪儿来的？

　　现代战斗机，比如F-22，其座舱盖看上去不是无色透明的，而是五颜六色的，这些颜色是哪儿来的？其实秘密全在于座舱盖材料的表面上镀了一层膜。为什么要镀膜？目的主要是为了提高隐身性能。因为战斗机座舱为空腔结构，雷达波经座舱盖玻璃投射入座舱后，会发生多次反射，形成腔体反射效应，这是飞机最重要的雷达信号反射来源之一。而在座舱盖上镀一层导电膜，就可以有效屏蔽和吸收雷达波，达到降低雷达反射信号的隐身效果。目前座舱盖上的镀膜，是通过磁控溅射等技术来敷设的。

这架F-16AM已升级氧化铟锡膜座舱盖，但后部的固定段还是金膜

我国歼-20和歼-10B/应该也采用了氧化铟锡膜座舱盖

　　由于镀膜的材料不同，因此膜经太阳照射后显现出的颜色也各有不同，F-22的氧化铟锡膜，经阳光投射显现出淡淡的墨绿色，金膜和银膜则体现出金属色彩。其中氧化铟锡膜无色透明，透光率最高，化学性质稳定，还可增加座舱盖耐磨性，而且对有机或无机透明材料都有很好的附着力，在F-22战斗机使用之后，已经成为目前最为成熟的膜系材料之一。而金膜则出现得更早，尽管金膜透光率稍差，但制造工艺相对简单，同时金膜化学性能非常稳定，一旦镀膜之后可以保持很多年，可维护性比氧化铟锡膜要更好。但金膜和银膜也有缺点，当涂敷厚度超过10纳米后，透光率就会有很大下降，因此一股会与其它透明的氧化物薄膜一同使用，作为增透膜。

进行纳米镀膜工艺的苏-57和苏-35风挡

　　透明的导电膜除了能起到隐身作用之外，还有一个重要作用就是可以实现电加热，起到除冰、防雾的功能，以保证飞行员在恶劣天气也具有良好的视野。

座舱盖的强度要求

　　飞机在高空所处环境大气压强是非常低的，而飞行员需要正常的地面压强来维持其正常的生理需求，而座舱就是通过其气密系统和飞机的增压装置来保证座舱内的气压始终保持满足飞行员对于体外气压的最低要求（266毫米水银柱的压强），而随着飞机升空高度增加，外部气压会降低，这就造成了飞机座舱内外压差越来越大，如果座舱盖结构不够牢固，出现破损，就会产生“爆炸减压”的现象，就像气球爆炸一样内部空气会迅速逃逸到座舱外面，造成座舱内部气压急剧下降，给舱内人员造成巨大伤害，所以座舱盖是否能够顶住这种大压差是衡量座舱合格与否的重要标准。

　　此外，座舱盖风挡结构强度还要涉及到抗鸟撞性能，从统计数据来看，飞鸟撞击在座舱透明区约占全部鸟撞的30%左右。飞行器的风挡为飞行员提供前部视野与安全防护，当它遭到飞鸟撞击后可能导致视区损失或是风挡击穿。这两种情况都会造成机毁人亡的严重后果。因此鸟撞载荷是飞机风挡最严重的外载荷。风挡的抗鸟撞性能指标一般要求是：风挡透明件和支撑结构应具有足够的强度，能承受飞机在海平面上作最大设计平飞速度飞行时1.8千克的飞鸟的撞击而不被穿透。另外，应尽量防止飞鸟撞击产生的碎片伤害飞行员。

F-35座舱盖鸟击测试

　　座舱盖设计主要考虑的是在增压载荷、气动载荷和热载荷作用下，座舱盖持续安全使用的能力。以美军准备的第五代战斗机F-22“猛禽”为例，其整体座舱盖厚度为20毫米，迎面强度达到196兆帕（可承受以相对速度1018千米/小时正面的一只1.8千克重飞鸟的撞击）。

由于F-22的整体座舱盖较厚，所以无法穿盖弹射

座舱盖的人机环境

　　战斗机的座舱盖是飞行员感知外界环境的主要媒介，对于外界情况有一个良好的观察视野这对飞行员操纵飞机至关重要，这就要求飞机的座舱透明件具有高标准的光学性能，飞行员能够非常清晰通过它去观察空域和地面环境，同时不会感到视觉上的疲劳。

　　此外飞行员的视野大小也是座舱盖的设计中考虑的重要因素这一，飞行员在座舱中视野的大小被称为视界，分为下视界、侧视界和后视界三部分。从飞行员眼位出发，向正前方观察小受阻碍的最大范围成为下视界，任飞机进行起飞、降落、盘旋等动作时，飞行员主要是依靠这个区域进行对外观察，目前战机的下视角一般不小于11°，同理，飞行员观察侧下方，不受阻碍的最大范围交侧视界，一般不小于30°，飞行员转动头部，从眼位观察座舱后面外部环境的最大范围成为后视界，现代一般要求战机能够拥有全向的后视界。所以座舱在设计时要结合飞机的外形（如机翼布局、雷达人线罩等）进行通盘考虑。既要将座舱盖设计成更凸出的形状（比如水泡式座舱），又要尽可能减少座舱盖上用于加强和连接的金属框，同时还要最大限度保证座舱足够坚固结买。

在三代机中，F-16拥有最好的视野

　　在目前五代机战机里面，F-22“猛禽”会字塔一样高耸的座舱视野更开阔，更有利于近距离格斗时观察周围情况，近距离态势感知能力最优。而T-50为了考虑力学性能和成本，因此采用复合无机玻璃座舱盖，并采用金属框进行连接加固。金属框的出现对飞行员的视线有一定遮挡，T50的座舱盖人机环境设计比起F-22来显然略逊一筹。

T-50采用了类似AV-8B的滑动式座舱盖设计，后向视野较差

座舱盖的弹射通道设计

　　飞机住空中出现故障的时候，有时候飞行员不得不采取弃机逃生的方式来保证生命安全，通常的方式就是通过座舱内的弹射座椅进行逃生，这就需要座椅在弹射的时候有足够人的空间使飞行员迅速悦离飞机，这个弹射空间就被称为弹射通道。很显然，弹射通道必须经过座舱盖，因此座舱盖的弹射通道设计就很重要。

先抛盖后弹射的F-18和F-16

　　目前，弹射逃生主要采用的是火箭弹射椅，而座舱逃生的方式主要有两种：抛盖式和穿盖式。抛盖救生顾名思义就是在座舱盖被抛开后，飞行员进行弹射逃生的方式，主要是通过座舱盖的自动解锁系统来解除与座舱盖与机身的链接，使得弹射通道畅通，飞行员顺利脱离飞机。抛盖的方式又细分为风吹抛盖和动力抛盖，风吹抛盖上要指的是在座舱盖与机身断开连接后，借助风力使座舱盖分离的抛盖方式，其优点是系统结构简单，缺点是飞机速度不能提供足够相对风力使得抛盖延时，不利于飞行员快速逃生；动力抛盖就是座舱自身利用燃气、火箭等动力主动抛盖，弥补了风吹抛盖的不足，也逐渐成为了现代战机主要抛盖方式。穿盖救生，就是采用一定方法使得舱盖透明件破裂，使得弹射通道畅通的脱仓方式，这种方式不必等舱盖脱离再进行弹射，缩短了逃生的准备时间，用于穿盖的系统有破盖枪穿盖和微爆索穿盖两种，它们都可以在飞行员弹射之前有效地破除座舱盖，为顺利逃生扫清障碍。为了缩短逃生的准备时间和更轻的结构重量，目前舰载机、短距/垂直起降战机和第五代机座舱普遍采用微爆索穿盖方式。

“鹰狮”战斗机的穿盖弹射测试

结语

　　目前座舱盖的工艺技术发展日新月异，F-22、F-35和T-50战斗机在座舱盖材料技术研究上，都有了新的突破和成果。如何能以更快的速度造出更好、更便宜、更坚固、更耐用的座舱盖，为飞行员打造最好的座舱环境，是一个不容忽视的技术课题。

本文原载中国论文网