用于制造战斗机座舱盖和风挡的透明材料目前已经历了四代的发展。
早期螺旋桨战斗机使用的是无机玻璃。由于这种材料脆而易碎,工艺性能较差,很难制成复杂曲面,所以只能用众多隔框来吧小块玻璃拼接成风挡和座舱盖。
第二代是丙烯酸酯类透明材料,也就是我们俗称的亚克力。与传统无机玻璃相比,丙烯酸酯类有机玻璃的密度仅为后者的一半,具有重量轻、机械强度高、透光率高的特点。
但随着战斗机进入超音速时代,丙烯酸酯类有机玻璃的缺点也就暴露出来了。丙烯酸酯类有机玻璃的热变形温度为104摄氏度,比玻璃的1000度熔点要低很多。当第二代喷气式战斗机开始突破2马赫时,座舱盖和风挡表面的气动加热温度高达110度,超过丙烯酸酯类有机玻璃的熔点,显然不能保证飞行安全。
于是诞生了第三代的聚碳酸酯类透明材料,热变形温度提高到130摄氏度,韧性也大幅提高,但是存在表面不耐磨损不耐有机溶剂的缺点。于是美国采用三明治制造工艺来结合丙烯酸酯和聚碳酸酯的优点,也就是两层薄薄的丙烯酸酯材料之间加一层聚碳酸酯材料,形成多层复合结构,既具有前者耐磨的优点,又具有后者耐热耐冲击的优点。
而苏联则继续该进丙烯酸酯类透明材料,研制出独家的聚氟代丙烯酸酯有机玻璃,耐温直接提高到180摄氏度,同时保留了丙烯酸酯类的优点,所以无需采用三明治结构,大幅简化了制造工艺。
但是不管美国的“三明治”还是苏联的聚氟代丙烯酸酯,两者仍存在很多有机玻璃的固有缺陷,如易被划伤、易被有机溶剂腐蚀、热膨胀系数大,在温度急剧变化时三明治结构易出现分层。这些缺点大大增加了战斗机风挡和座舱盖的维护负担,表面出现细微划痕时必须打磨处理,出现0.4毫米以上的深度划痕时必须更换,否者容易出现座舱盖在飞行中爆破的事故。
有机玻璃的这些缺点恰恰都是无机玻璃的优点。
俄罗斯目前就研制出第四代座舱盖和风挡透明材料——特种硅酸盐玻璃,首先应用在了苏-57隐身战斗机上。这种玻璃是俄罗斯应用玻璃研究院(NITS)专门研制的战斗机用透明材料,苏-57的风挡和座舱盖就采用了以这种玻璃为主的复合多层结构透明材料。由于无机玻璃存在脆性高和韧性差的缺点,所以苏-57并未采用整体座舱盖设计,而是用一个大型风挡隔框来提高风挡玻璃的抗鸟击性能。据俄罗斯媒体透露,苏-57的硅酸盐玻璃风挡可承受900公里/小时2千克的鸟类的撞击,性能比美国的有机玻璃三明治结构大幅提高(F-16的整体座舱盖只能抵御1.8千克的鸟类648.2千米/时速度的撞击)。
由于无机玻璃的热变形温度比有机玻璃大幅提高,所以也不会限制T-50的最大飞行速度。如F-16在低空的最大速度被限制在900节(1670千米/时),超过这个速度,空气摩擦加热会导致聚碳酸酯座舱盖变软,最终破裂。
继苏-57首先装备新型透明材料后,俄罗斯的苏-35、米格-35、米格-31、雅克-130等主力战机在未来也将使用该材料。
从无机玻璃到有机玻璃再到无机玻璃,战斗机透明材料就这样走过一个轮回。
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