國(guó)外下一代戰(zhàn)斗機(jī)和高超聲速飛機(jī)結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展綜述

馬征

國(guó)外下一代戰(zhàn)斗機(jī)和高超聲速飛機(jī)結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展綜述

馬征

（中國(guó)航空研究院，北京 100029）

以第六代戰(zhàn)斗機(jī)、高超聲速飛機(jī)等航空裝備為重點(diǎn)，開展國(guó)外先進(jìn)飛機(jī)典型技術(shù)特征分析，針對(duì)技術(shù)特征提出先進(jìn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展需求，梳理先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、變體結(jié)構(gòu)、多功能結(jié)構(gòu)、熱防護(hù)結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，為未來技術(shù)發(fā)展提供參考。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)；變體結(jié)構(gòu)；多功能結(jié)構(gòu)；熱防護(hù)結(jié)構(gòu)

0 引言

未來空戰(zhàn)裝備正經(jīng)歷著機(jī)械化、信息化、智能化的躍升發(fā)展[1]，以第六代戰(zhàn)斗機(jī)、高超聲速飛機(jī)為代表的作戰(zhàn)飛機(jī)是未來作戰(zhàn)體系（系統(tǒng)簇）中的核心裝備，代表了航空裝備最先進(jìn)的技術(shù)水平。隨著國(guó)外第六代戰(zhàn)斗機(jī)、高超聲速飛機(jī)等典型先進(jìn)飛機(jī)論證和設(shè)計(jì)工作的推進(jìn)，其技術(shù)特征逐步清晰，開展先進(jìn)航空裝備結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展需求研究，具備新形勢(shì)賦予的可行性和必要性，先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、變體結(jié)構(gòu)、多功能結(jié)構(gòu)、熱防護(hù)結(jié)構(gòu)作為結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的關(guān)鍵核心技術(shù)，需密切跟蹤其技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，研判技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，從而支撐未來航空裝備的發(fā)展。

1 國(guó)外先進(jìn)飛機(jī)典型技術(shù)特征分析

1.1 國(guó)外第六代戰(zhàn)斗機(jī)典型技術(shù)特征分析

為奪取未來空中優(yōu)勢(shì)，美歐各國(guó)均已把第六代戰(zhàn)斗機(jī)的研發(fā)提上日程，且不斷加快研發(fā)步伐[2]。其中，2018年7月，英國(guó)對(duì)外宣布了“暴風(fēng)”（Tempest）戰(zhàn)斗機(jī)研發(fā)項(xiàng)目[3]，目前正在開展概念研究；2019年9月，美空軍“下一代空中主宰”（NGAD）項(xiàng)目開始以“系統(tǒng)簇”理念取代單一高性能平臺(tái)[4]；2020年2月，法德兩國(guó)政府授出“未來作戰(zhàn)航空系統(tǒng)”（FCAS）初始框架合同，正式啟動(dòng)演示驗(yàn)證研究，計(jì)劃于2026年開展飛行驗(yàn)證[5]，第六代戰(zhàn)斗機(jī)項(xiàng)目特征總結(jié)如下。

1.1.1 美空軍NGAD項(xiàng)目

1）使命任務(wù)

美空軍NGAD項(xiàng)目發(fā)展跨空、天、網(wǎng)、電，并能與地面／水面能力強(qiáng)聯(lián)合的網(wǎng)絡(luò)化“系統(tǒng)簇”，以獲取空中優(yōu)勢(shì)。未來空戰(zhàn)平臺(tái)是該“系統(tǒng)簇”的核心裝備，將可同時(shí)遂行火力打擊、信息獲取、數(shù)據(jù)處理、目標(biāo)指示等多種功能。

2）概念方案

在圖1的波音和洛馬公司提出的概念方案中，均采用雙發(fā)、后掠翼、翼身融合的無尾氣動(dòng)布局。

3）典型技術(shù)特征

與裝有下一代先進(jìn)電子攻擊裝備、先進(jìn)綜合防空系統(tǒng)、無源探測(cè)系統(tǒng)、綜合自防御系統(tǒng)、定向能武器和網(wǎng)絡(luò)電磁攻擊設(shè)備的敵軍對(duì)抗；在航程、續(xù)航時(shí)間、生存力、網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)、態(tài)勢(shì)感知、人－機(jī)系統(tǒng)綜合及武器效能等方面擁有更強(qiáng)能力。

1.1.2 法、德FCAS項(xiàng)目

1）使命任務(wù)

圖2中的FCAS項(xiàng)目旨在開發(fā)一個(gè)人工平臺(tái)、無人機(jī)和武器等多種裝備互聯(lián)并協(xié)同作戰(zhàn)的“系統(tǒng)簇”，成員裝備共同實(shí)施空戰(zhàn)行動(dòng)，協(xié)同奪取制空權(quán)?？墒褂枚ㄏ蚰芪淦鳌⒏叱曀?gòu)椝幍刃滦臀淦?，在打擊作?zhàn)的同時(shí)可遂行指揮控制等任務(wù)。2035年至2040年裝備法國(guó)、德國(guó)和西班牙空軍，取代目前的“陣風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)、“臺(tái)風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)和F/A-18“大黃蜂”多用途戰(zhàn)斗機(jī)。

2）概念方案

FCAS采用雙發(fā)、雙后掠三角翼、外傾雙垂尾布局，綜合了俄羅斯的蘇-57和美國(guó)F-35的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

3）典型技術(shù)特征

FCAS具備低可探測(cè)、高生存力、遠(yuǎn)航程、數(shù)據(jù)融合、智能化、經(jīng)濟(jì)可承受等特點(diǎn)。

圖2 空客集團(tuán)提出的FCAS概念方案

1.1.3 英國(guó)Tempest戰(zhàn)斗機(jī)項(xiàng)目

1）使命任務(wù)

Tempest戰(zhàn)斗機(jī)可執(zhí)行各類軍事任務(wù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)支持“即插即用”和“可擴(kuò)展的自主性”。采用“協(xié)同交戰(zhàn)能力”技術(shù)，共享信息，與天、空、陸、海、賽博各疆域平臺(tái)進(jìn)行互操作。

2）概念方案

圖3中的Tempest戰(zhàn)斗機(jī)采用雙發(fā)、后緣鋸齒三角翼、V形垂尾，將搭載機(jī)載激光武器、高超聲速武器。

3）典型特征

Tempest戰(zhàn)斗機(jī)具備低可探測(cè)性、任務(wù)靈活性、較強(qiáng)的連通與協(xié)作能力、經(jīng)濟(jì)可承受且易于升級(jí)。綜合來看，美國(guó)和歐洲第六代戰(zhàn)斗機(jī)在使命任務(wù)和典型特征上的構(gòu)想具有一定的相似度，對(duì)于平臺(tái)的遠(yuǎn)航程、超聲速巡航、多任務(wù)能力、低可探測(cè)性、信息交互與融合、經(jīng)濟(jì)可承受性等方面的要求高度一致。

圖3 Tempest戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)展設(shè)想

1.2 國(guó)外高超聲速飛機(jī)典型技術(shù)特征分析

高超聲速飛機(jī)憑借其特殊的高度、速度優(yōu)勢(shì)，將對(duì)傳統(tǒng)的戰(zhàn)爭(zhēng)模式及作戰(zhàn)樣式產(chǎn)生革命性影響，是未來大國(guó)之間非接觸對(duì)抗與空天對(duì)抗的戰(zhàn)略支點(diǎn)，高超聲速技術(shù)也已被美國(guó)防部列為五大改變游戲規(guī)則的技術(shù)之一[6]。2007年，波音公司啟動(dòng)了Manta高超聲速飛機(jī)研究項(xiàng)目。2013年，洛馬公司提出SR-72高超聲速飛機(jī)概念方案，2018年6月，歐洲“地平線2020框架計(jì)劃設(shè)立超聲速民用飛機(jī)技術(shù)驗(yàn)證項(xiàng)目”（StratoFly）。2019年，法國(guó)國(guó)防部長(zhǎng)宣布將在2021進(jìn)行高超聲速滑翔飛行器驗(yàn)證機(jī)V-max的飛行試驗(yàn)。2020年3月，美軍成功開展“通用高超聲速滑翔體”飛行試驗(yàn)，驗(yàn)證了向武器轉(zhuǎn)化的可行性。

1）美國(guó)高超聲速飛機(jī)

隨著美國(guó)空軍未來高超聲速飛機(jī)論證工作的不斷深入，近來已經(jīng)有越來越多分系統(tǒng)或部件級(jí)的相關(guān)指標(biāo)在預(yù)算材料、招標(biāo)公告等各種官方文件中披露出來。綜合美國(guó)空軍高級(jí)官員以及空軍發(fā)布的項(xiàng)目指南信息，美國(guó)空軍未來高超聲速飛機(jī)或?qū)⒉捎锰細(xì)淙剂蠝u輪基沖壓組合發(fā)動(dòng)機(jī)，巡航速度馬赫數(shù)5～7，高度為25～30km，巡航時(shí)間為30 min ～60min，典型航程可達(dá)5500km～6000km。

2）歐洲StratoFly高超聲速飛機(jī)

StratoFly重點(diǎn)研究推進(jìn)系統(tǒng)集成、熱結(jié)構(gòu)、熱管理等技術(shù)，計(jì)劃采用液氫燃料，實(shí)現(xiàn)3h從歐洲飛到澳大利亞，同時(shí)每千米二氧化碳排放量降低75%～100%，氮氧化物排放量降低90%。StratoFly采用鴨翼布局，巨大橢圓形進(jìn)氣道和一體化尾噴管。尾噴管兩側(cè)各有一副傾斜垂尾。該機(jī)從起飛爬升到馬赫數(shù)4.5，使用6臺(tái)渦輪沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。速度達(dá)到馬赫數(shù)4.5后，將轉(zhuǎn)換到雙模態(tài)亞燃/超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)（DMR），以亞燃模態(tài)繼續(xù)加速到馬赫數(shù)5，以超燃模態(tài)加速到馬赫數(shù)8。

1.3 國(guó)外先進(jìn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展需求

未來先進(jìn)飛機(jī)的飛行空域和速域在擴(kuò)大，飛行包線不斷擴(kuò)展，高速度、遠(yuǎn)航程、多任務(wù)能力、寬隱身性、高生存力、經(jīng)濟(jì)可承受是未來先進(jìn)飛機(jī)的典型特征。對(duì)于機(jī)體結(jié)構(gòu)而言，更高的平臺(tái)性能指標(biāo)同樣對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)提出了新的要求，其中： 1）高速度不僅需要機(jī)體結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度以承受過載，還需要具有很強(qiáng)的耐高溫性能來支撐高超聲速飛行；2）遠(yuǎn)航程要求機(jī)身采用更加輕質(zhì)高強(qiáng)的結(jié)構(gòu)材料，從而提高結(jié)構(gòu)承載效率、降低油耗，具有輕量化先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)技術(shù)需求； 3）多任務(wù)能力要求戰(zhàn)斗機(jī)在不同任務(wù)狀態(tài)和外界環(huán)境下均具有較優(yōu)的氣動(dòng)性能，智能變體結(jié)構(gòu)或?qū)⒊蔀橛行Ы鉀Q途徑之一； 4）寬隱身要求飛機(jī)具有更小的雷達(dá)散射面積，超材料紅外隱身涂層、智能蒙皮天線等多功能結(jié)構(gòu)的重要性日益凸顯； 5）生存力是軍用飛機(jī)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，直接影響戰(zhàn)斗機(jī)的作戰(zhàn)能力，未來先進(jìn)飛機(jī)的高生存力特征要求飛機(jī)結(jié)構(gòu)具有較高的抗毀傷性能； 6）經(jīng)濟(jì)可承受性要求平臺(tái)的設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)、保障成本可控，從而具有結(jié)構(gòu)低成本、模塊化制造的需求。為滿足未來飛機(jī)結(jié)構(gòu)輕量化、智能化、耐高溫、抗毀傷、低成本的發(fā)展需求，國(guó)外在先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)技術(shù)、變體結(jié)構(gòu)技術(shù)、多功能結(jié)構(gòu)技術(shù)和熱防護(hù)結(jié)構(gòu)技術(shù)等方向開展研究。

2 先進(jìn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)技術(shù)

2.1 先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)技術(shù)

復(fù)合材料憑借其高比強(qiáng)度、高比剛度、耐疲勞、抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代飛機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制造中得到廣泛的應(yīng)用[7]，美國(guó)第四代戰(zhàn)斗機(jī)F-22的復(fù)合材料用量達(dá)到24%，第五代戰(zhàn)斗機(jī)F-35的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)用量達(dá)到約35%。波音公司的波音787客機(jī)的復(fù)合材料用量達(dá)到50%，空中客車公司的A350XWB寬體客機(jī)，復(fù)合材料使用比例高達(dá)52%，部分無人機(jī)的主要機(jī)體結(jié)構(gòu)甚至全部采用復(fù)合材料。近年來，國(guó)外先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的研究重點(diǎn)包括大型整體復(fù)合材料結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)制造和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1.1 大型整體復(fù)合材料結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)制造

先進(jìn)復(fù)合材料的使用量已經(jīng)成為衡量飛機(jī)結(jié)構(gòu)先進(jìn)性的重要標(biāo)志，并且是提高飛機(jī)性能和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的重要手段[8]。隨著對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析方法的逐漸成熟，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)逐漸由小的非承載構(gòu)件向大型關(guān)鍵承載部件過渡。

2019年，美國(guó)斯普利特公司展示了為下一代飛機(jī)設(shè)計(jì)的“先進(jìn)結(jié)構(gòu)技術(shù)和革命性結(jié)構(gòu)”（ASTRA）機(jī)身整體壁板演示件（見圖4），采用蒙皮壁板和縱梁一體化成型技術(shù)，將新型高性能復(fù)合材料(T1100 / 3960)、新型編織復(fù)合材料方法和斯普利特公司的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造能力相結(jié)合。經(jīng)分析計(jì)算，與傳統(tǒng)鉚接結(jié)構(gòu)相比，可降低成本約30%，并使飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)重量降低約5%。

圖4 ASTRA機(jī)身整體壁板演示件

2019年，由英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、西班牙等國(guó)家共同開展的“明日之翼”項(xiàng)目取得重要進(jìn)展，空中客車公司設(shè)計(jì)并制造了長(zhǎng)5m的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件?！懊魅罩怼庇?jì)劃為下一代單通道飛機(jī)開發(fā)復(fù)合機(jī)翼，其機(jī)翼主要結(jié)構(gòu)由碳纖維復(fù)合材料構(gòu)成，該項(xiàng)目預(yù)計(jì)在2022年初完成。在“明日之翼”項(xiàng)目中，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部件的制造工藝得到改進(jìn)，開發(fā)了自動(dòng)化程度更高的新裝配方法，減少了工藝步驟和零件數(shù)量。2020年，歐盟“潔凈天空2凈計(jì)劃完成了高速低成本直升機(jī)碳纖維復(fù)合材料機(jī)蓋結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計(jì)與制造，減輕了結(jié)構(gòu)重量，減少了零部件數(shù)量，大幅節(jié)省組裝時(shí)間。

2.1.2 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)具有可設(shè)計(jì)性，通過適當(dāng)?shù)募舨迷O(shè)計(jì)可以得到所需的強(qiáng)度、剛度等力學(xué)特性。2017年，在美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）航空研究任務(wù)理事會(huì)的先進(jìn)航空運(yùn)輸技術(shù)項(xiàng)目資助下，弗吉尼亞的Aurora飛行科學(xué)公司開發(fā)了“被動(dòng)氣動(dòng)彈性剪裁機(jī)翼”（Passive Aeroelastic Tailored ,PAT），通過對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)獨(dú)特的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，得到了更輕、更高效、更具柔性的機(jī)翼結(jié)構(gòu)。2018年9月和10月，展長(zhǎng)12m的PAT機(jī)翼試驗(yàn)樣件分別在NASA位于加利福尼亞州的阿姆斯特朗飛行研究中心進(jìn)行了兩輪載荷試驗(yàn)（見圖5）。試驗(yàn)中使用了超過10000個(gè)傳感器對(duì)機(jī)翼結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。試驗(yàn)證明，優(yōu)化后的機(jī)翼結(jié)構(gòu)能在載荷作用下達(dá)到預(yù)期的變形效果，其應(yīng)用將最大限度地提高結(jié)構(gòu)效率、減輕機(jī)翼結(jié)構(gòu)重量并提高飛機(jī)燃油效率。

2.2 變體結(jié)構(gòu)技術(shù)

變體結(jié)構(gòu)技術(shù)是指飛機(jī)在飛行過程中，通過改變飛機(jī)結(jié)構(gòu)形狀以及剖面，使飛機(jī)能適應(yīng)不同的飛行條件，從而實(shí)現(xiàn)性能和效率最優(yōu)的技術(shù)。

圖5 PAT機(jī)翼開展載荷試驗(yàn)

飛機(jī)變體結(jié)構(gòu)技術(shù)通過改變機(jī)體結(jié)構(gòu)氣動(dòng)外形，確保飛行器在不同飛行狀態(tài)下持續(xù)獲得最優(yōu)氣動(dòng)效益，一直是航空領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[9-11]。隨著壓電陶瓷、形狀記憶合金等智能材料和控制技術(shù)的進(jìn)步，變體飛機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式不再局限于機(jī)械機(jī)構(gòu)的形式，部分采用智能材料驅(qū)動(dòng)器的變體飛機(jī)方案已經(jīng)完成設(shè)計(jì)并進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)。目前飛機(jī)變體結(jié)構(gòu)技術(shù)方面最具有代表性的研究項(xiàng)目是歐盟“靈巧智能飛機(jī)結(jié)構(gòu)”（SARISTU）項(xiàng)目、美國(guó)“自適應(yīng)柔性后緣襟翼”（ACTE）項(xiàng)目[12]和美國(guó)NASA的“任務(wù)自適應(yīng)數(shù)字化復(fù)合材料航空結(jié)構(gòu)技術(shù)”（MADCAT）項(xiàng)目。

2.2.1 歐盟“靈巧智能飛機(jī)結(jié)構(gòu)”（SARISTU）

SARISTU項(xiàng)目是歐盟第七框架（FP7）航空學(xué)和航空運(yùn)輸研究計(jì)劃下的大規(guī)模集成驗(yàn)證項(xiàng)目，通過在飛機(jī)承載結(jié)構(gòu)中集成新系統(tǒng)和新技術(shù)的方式，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)減阻、降噪、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控、減重和降低制造和運(yùn)營(yíng)成本。項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)5100萬(wàn)歐元，項(xiàng)目周期2011年9月～2015年8月，由空客公司牽頭。SARISTU項(xiàng)目設(shè)計(jì)制造了大尺寸變形機(jī)翼驗(yàn)證件，采用電機(jī)和鉸接結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)翼前緣、后緣襟翼和翼稍，實(shí)現(xiàn)了機(jī)翼前后緣的無縫連續(xù)變形，有助于飛機(jī)降噪降耗，如圖6所示。

2.2.2 美國(guó)“自適應(yīng)柔性后緣”（ACTE）項(xiàng)目

ACTE項(xiàng)目由美國(guó)宇航局（NASA）和柔性系統(tǒng)公司（FlexSys）合作開展，旨在研制一種可連續(xù)變形的柔性后緣襟翼，并通過飛行驗(yàn)證，證明其變形能力和減阻、降噪能力。2014年，ACTE變形襟翼在NASA阿姆斯特朗飛行研究中心開展飛行試驗(yàn)，如圖7所示，實(shí)現(xiàn)了在馬赫數(shù)0.75速度下?2°～30°的變形。2017年，該自適應(yīng)柔性后緣結(jié)構(gòu)開展第二輪飛行試驗(yàn)，襟翼形狀保持為內(nèi)段向下偏轉(zhuǎn)2.5°、外段向上偏轉(zhuǎn)2.5°，實(shí)現(xiàn)了機(jī)翼的扭轉(zhuǎn)變形，試飛最大速度接近馬赫數(shù)0.85，此外，還對(duì)飛機(jī)加裝了測(cè)試設(shè)備以便對(duì)燃油流動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析扭轉(zhuǎn)襟翼對(duì)燃油效率的影響。

圖6智能機(jī)翼結(jié)構(gòu)演示樣件

圖7 試飛中的ACTE變形襟翼

2.2.3 MADCAT 項(xiàng)目

美國(guó)NASA和麻省理工學(xué)院聯(lián)合開展了“任務(wù)自適應(yīng)數(shù)字化復(fù)合材料航空結(jié)構(gòu)技術(shù)”（MADCAT）項(xiàng)目，設(shè)計(jì)了一種柔性機(jī)翼，主要由桁架結(jié)構(gòu)、柔性蒙皮、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)三部分組成，桁架結(jié)構(gòu)由體積元通過微型螺栓連接而成，其中體積元是由高剛度碳纖維復(fù)合材料注塑成形的骨骼狀多面體；柔性蒙皮為條帶狀聚酰亞胺薄膜，通過固定銷與桁架結(jié)構(gòu)連接；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要包括伺服電機(jī)和轉(zhuǎn)向管。轉(zhuǎn)向管在伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)桁架結(jié)構(gòu)連續(xù)變形，同時(shí)條帶狀蒙皮沿機(jī)翼變形方向滑動(dòng)，維持光滑的氣動(dòng)表面。2017年6月，“積木式”柔性機(jī)翼的平直翼模型完成了原理性飛行試驗(yàn)，該機(jī)翼無襟副翼，能實(shí)現(xiàn)從翼尖到翼根的連續(xù)扭轉(zhuǎn)變形，最大扭轉(zhuǎn)角度±10°，具有良好的升阻特性和操縱性能。2019年，“積木式”柔性結(jié)構(gòu)制造的展長(zhǎng)4.27m的飛翼飛機(jī)模型在NASA 蘭利研究中心完成風(fēng)洞試驗(yàn)，如圖8所示。NASA稱，“積木式”柔性機(jī)翼通過在飛行過程中連續(xù)光滑變形，能有效提升飛機(jī)操縱性和經(jīng)濟(jì)性。這種模塊化的機(jī)翼結(jié)構(gòu)概念，可用于未來新型轟炸機(jī)和高空長(zhǎng)航時(shí)無人機(jī)，成為未來飛機(jī)提高機(jī)動(dòng)性、降低成本的重要途徑之一。

圖8 積木式結(jié)構(gòu)組裝的飛翼模型風(fēng)洞試驗(yàn)

2.3 多功能結(jié)構(gòu)技術(shù)

多功能結(jié)構(gòu)（MFS）使結(jié)構(gòu)的承載與功能性相結(jié)合，提高了承載結(jié)構(gòu)和功能設(shè)備之間的集成性，在減輕重量、節(jié)省空間方面具有很大的潛力。目前，研究較多的多功能結(jié)構(gòu)是智能蒙皮天線、儲(chǔ)能與承載一體化結(jié)構(gòu)等[13][14]。

2.3.1 智能蒙皮天線

智能蒙皮天線是指既能承載，表面又能發(fā)揮天線功能的結(jié)構(gòu)。這種集成化的多功能天線結(jié)構(gòu)，避免了在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上安裝復(fù)雜的天線接口，降低了結(jié)構(gòu)重量，此外，整體天線的氣動(dòng)外形更為光滑，減弱雷達(dá)反射信號(hào)，增強(qiáng)飛機(jī)的隱身性和生存能力。美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室提出的“傳感器飛機(jī)”概念中，即采用了諾斯羅普·格魯門公司研制的“智能蒙皮”。2015年，NASA采用超材料智能技術(shù)將機(jī)載通信天線、合成孔徑雷達(dá)和飛機(jī)垂尾共形設(shè)計(jì)，既實(shí)現(xiàn)了全方位的快速雷達(dá)波束掃描，又滿足了低可探測(cè)性的關(guān)鍵指標(biāo)，解決了雷達(dá)探測(cè)和隱身的兼容問題，該技術(shù)已在美軍多個(gè)飛機(jī)型號(hào)上獲得應(yīng)用。2019年，英國(guó)科巴姆航空航天通信公司將天線功能集成在機(jī)身復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中，取代了外置天線。采用嵌入式共形天線結(jié)構(gòu)，有助于減少零件數(shù)量，縮短生產(chǎn)周期，消除外部天線對(duì)氣動(dòng)外形的破壞從而降低阻力。該技術(shù)獲得了2019年空中客車直升機(jī)公司創(chuàng)新獎(jiǎng)。

2.3.2 儲(chǔ)能與承載一體化結(jié)構(gòu)

目前，航空領(lǐng)域正在逐步開展能源變革，電動(dòng)飛機(jī)得到快速發(fā)展，電動(dòng)飛機(jī)想要增加續(xù)航時(shí)間，就必須進(jìn)一步減少結(jié)構(gòu)重量，因此，集儲(chǔ)能與承載一體化的多功能結(jié)構(gòu)具有重要的應(yīng)用前景。2019年，由NASA和俄亥俄州聯(lián)邦研究網(wǎng)絡(luò)（OFRN）共同資助，凱斯西儲(chǔ)大學(xué)開發(fā)的結(jié)構(gòu)功能一體化電池被用于一架展長(zhǎng)1.8m的小型手拋式無人機(jī)，完成了長(zhǎng)達(dá)171min的飛行，此前，該無人機(jī)使用傳統(tǒng)電池和機(jī)翼的最長(zhǎng)飛行時(shí)間為91min，結(jié)構(gòu)功能一體化電池幾乎實(shí)現(xiàn)了續(xù)航時(shí)間的翻倍提升。2019年，NASA格倫研究中心在匯聚航空解決方案（CAS）計(jì)劃下設(shè)計(jì)了一種輕質(zhì)可承重高儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)M-shell，將承載結(jié)構(gòu)與電能存儲(chǔ)相集成，以支撐未來電動(dòng)飛機(jī)的發(fā)展。研究結(jié)果表明，該多功能結(jié)構(gòu)在提供電能的同時(shí)，重量代價(jià)較小，且不破壞結(jié)構(gòu)的完整性。此外，以X-57型麥克斯韋電動(dòng)飛機(jī)和N+3常規(guī)結(jié)構(gòu)機(jī)身（N3CC）為對(duì)象的分析結(jié)果顯示，除去能量存儲(chǔ)功能所需的芯材料，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，機(jī)身結(jié)構(gòu)重量減少了3.2％。2020年，歐盟“潔凈天空”計(jì)劃為電動(dòng)和混合動(dòng)力推進(jìn)飛機(jī)開發(fā)了儲(chǔ)能承載多功能復(fù)合材料，在總重量保持不變的情況下，提高了儲(chǔ)能供電能力，如圖9所示。

圖9 M-shell儲(chǔ)能承載多功能結(jié)構(gòu)

2.3.3 多功能隱身涂層

將先進(jìn)吸波材料與飛機(jī)結(jié)構(gòu)相集成，是提高飛機(jī)隱身性能的重要手段之一。2019年，俄羅斯奧姆寧斯克工藝研究所采用新型聚碳酸酯材料研制了一款戰(zhàn)斗機(jī)座艙蓋，并成功應(yīng)用于蘇-57戰(zhàn)斗機(jī)，艙蓋表面采用磁控濺射鍍膜技術(shù)沉積以黃金和銦錫合金為主的專用多功能隱身涂層。新型多功能隱身座艙蓋比原先減重約50%；電磁波吸收率從40%提高到80%。

2.4 熱防護(hù)結(jié)構(gòu)技術(shù)

高超聲速飛機(jī)在大氣層內(nèi)飛行時(shí)，高速氣流導(dǎo)致飛行器頭錐、翼前緣駐點(diǎn)區(qū)間表面產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力和氣動(dòng)噪聲，缺乏熱保護(hù)系統(tǒng)的飛行器結(jié)構(gòu)表面溫度估計(jì)達(dá)1600℃，飛機(jī)部件（如進(jìn)氣道、后機(jī)身及尾翼）都處于高溫強(qiáng)噪聲環(huán)境中[15][16]。在長(zhǎng)時(shí)間承受氣動(dòng)加熱條件下，為保證飛行器主體結(jié)構(gòu)及內(nèi)部?jī)x器設(shè)備的安全，須使用高效耐高溫結(jié)構(gòu)和熱防護(hù)結(jié)構(gòu)，2017年9月，美國(guó)空軍裝備司令部下屬的美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室向美國(guó)集創(chuàng)（II）公司授予了一份價(jià)值230萬(wàn)美元的科研合同，開發(fā)滿足熱性能要求的高超聲速飛機(jī)材料，目的是為未來高超聲速飛機(jī)儲(chǔ)備可用的材料及其加工工藝技術(shù)。該公司此前與國(guó)防部和NASA聯(lián)合開展過高超聲速飛機(jī)熱防護(hù)系統(tǒng)的科研工作。2019年2月，美國(guó)國(guó)防部先進(jìn)研究計(jì)劃局（DARPA）正式發(fā)布“高超聲速飛機(jī)材料架構(gòu)與表征”（MACH）項(xiàng)目的招標(biāo)書，開展兩個(gè)技術(shù)領(lǐng)域的研究：一是開發(fā)全集成被動(dòng)熱管理系統(tǒng)，以可擴(kuò)展的凈形制造技術(shù)和先進(jìn)熱設(shè)計(jì)來冷卻前緣；二是專注于下一代高超聲速飛機(jī)材料研究，利用高保真計(jì)算能力為未來冷卻高超聲速飛機(jī)前緣部位的應(yīng)用開發(fā)新型主動(dòng)/被動(dòng)熱管理概念、涂層和結(jié)構(gòu)材料等。2020年，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室授予巴特爾紀(jì)念研究所價(jià)值4630萬(wàn)美元的合同，開展高超聲速熱防護(hù)碳/碳復(fù)合材料研究，提高其生產(chǎn)能力，以應(yīng)對(duì)當(dāng)前和未來的高超聲速飛機(jī)系統(tǒng)研制需求。

3 結(jié)論

歐美等航空強(qiáng)國(guó)已啟動(dòng)第六代戰(zhàn)斗機(jī)、高超聲速飛機(jī)等先進(jìn)航空武器裝備的論證和研究，以此為牽引，對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)提出了更加輕量化、智能化、耐高溫、抗毀傷、低成本的技術(shù)發(fā)展需求。圍繞先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)技術(shù)、智能變體結(jié)構(gòu)技術(shù)、多功能結(jié)構(gòu)技術(shù)和熱防護(hù)結(jié)構(gòu)技術(shù)等方向，國(guó)外開展了大量的研究，并取得顯著成果

1）先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)方面，國(guó)外針對(duì)大型整體碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的一體化成型工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法等方面開展研究，進(jìn)一步探索了復(fù)合材料優(yōu)化設(shè)計(jì)空間，減輕了結(jié)構(gòu)重量，提高了結(jié)構(gòu)效率，減少了結(jié)構(gòu)連接件和緊固件的數(shù)量，提高了結(jié)構(gòu)制造成熟度。

2）變體結(jié)構(gòu)方面，國(guó)外以歐盟SARISTU項(xiàng)目和美國(guó)ACTE項(xiàng)目分別采用機(jī)械機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的機(jī)翼前后緣結(jié)構(gòu)變形和形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的機(jī)翼前后緣結(jié)構(gòu)變形兩條技術(shù)路徑，關(guān)鍵技術(shù)成熟度已推至5～6級(jí)，基本具備工程應(yīng)用的條件。美國(guó)MADCAT項(xiàng)目則探索了更加顛覆式的飛機(jī)結(jié)構(gòu)變形方案，為變體結(jié)構(gòu)提供了嶄新的思路。3）多功能結(jié)構(gòu)方面，國(guó)外在智能蒙皮天線和儲(chǔ)能承載一體化結(jié)構(gòu)方面開展研究，智能蒙皮天線在飛機(jī)結(jié)構(gòu)減重和隱身等方面發(fā)揮作用，儲(chǔ)能承載一體化結(jié)構(gòu)為未來電動(dòng)飛機(jī)發(fā)展打下技術(shù)基礎(chǔ)。4）熱防護(hù)結(jié)構(gòu)方面，國(guó)外通過多年研究與工程實(shí)踐，體系化地解決高超聲速飛機(jī)的材料、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)與驗(yàn)證、制造工藝等關(guān)鍵技術(shù)，已經(jīng)積累了豐富的型號(hào)經(jīng)驗(yàn)，建成了高超聲速飛機(jī)研發(fā)能力。

[1] 楊偉. 關(guān)于未來戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)展的若干討論[J]. 航空學(xué)報(bào), 2020, 41(6): 8-19.[Yang Wei. Some discussions on the development of future fighter jets[J]. Acta Aeronautica Sinica, 2020, 41(6): 8-19.]

[2] 閆曉婧, 楊濤, 藥紅紅. 國(guó)外第六代戰(zhàn)斗機(jī)概念方案與關(guān)鍵技術(shù)[J]. 航空科學(xué)技術(shù),2018,29(4):18-26.[Yan Xiaojing, Yang Tao, Yao Honghong. Conceptual schemes and key technologies of foreign sixth-generation fighter jets[J].Aviation Science and Technology, 2018, 29(4):18-26.]

[3] The UK. Ministry of Defence. Combat air strategy: An ambitious vision for the future[R]. 2018.

[4] 黃濤. 變革！美空軍“下一代空中主宰”項(xiàng)目將推動(dòng)“數(shù)字工業(yè)革命”字工業(yè)革命空天防務(wù)觀察.[Huang Tao. change! The US Air Force’s “next generation air domination” project will promote the “digital industrial revolution” [R]. Air and Space Defense Observation.]

[5] Airbus. Demonstrator phase launched: future combat air system takes major step forward[R]. 2020.

[6] 廖南杰. 美國(guó)防部調(diào)整關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)優(yōu)先順序，微電子升至第一[R]. 空天防務(wù)觀察, 2020. [Liao Nanjie. the US Department of defense adjusted the priority of key technology research and development, and microelectronics rose to the top [R]. Aerospace Defense Observation, 2020.]

[7] 王曉軍, 馬雨嘉, 王磊, 等. 飛行器復(fù)合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)科學(xué): 物理學(xué)力學(xué)天文學(xué), 2018, 48(1): 22-37. [Wang Xiaojun, Ma Yujia, Wang Lei, et al. Research progress in the optimization design of aircraft composite materials[J]. Science in China: Physics Mechanics Astronomy, 2018, 48(1): 22-37.]

[8] 劉順臻, 姜洪博, 王韜, 等. 復(fù)合材料主承力構(gòu)件后壓力框制造技術(shù)研究[J]. 航空科學(xué)技術(shù), 2019, 30(7): 40-46.[Liu Shunzhen, Jiang Hongbo, Wang Tao, et al. Research on the manufacturing technology of the back pressure frame of the main bearing member of composite materials[J]. Aviation Science and Technology, 2019, 30(7): 40-46.]

[9] 王彬文, 楊宇, 錢戰(zhàn)森, 等. 機(jī)翼變彎度技術(shù)研究進(jìn)展[J/OL].航空學(xué)報(bào): 1-23[2021-05-26]. http://kns.cnki.net /kcms/detail/11. 1929.V.20201215.1053.017.html. [Wang Binwen, Yang Yu, Qian Zhansen, et al. Research progress in wing camber technology[J/OL]. Acta Aeronautica: 1-23[2021-05-26]. http://kns. cnki. net/kcms/ detail/11.1929.V.20201215.1053.017.html.]

[10] DomenicoS, Joan M M G. Design, analysis and experimental testing of a morphing wing [J]. 25thAIAA/AHSA daptive Structures Conference, 2017.

[11] Shi Rongqi, Peng Jie. Morphing strategy design for variable-wing aircraft[C].15thAIAA Aviation Technology, Integration, and Operations Conference, 2015.

[12] 李小飛, 張夢(mèng)杰, 王文娟, 等. 變彎度機(jī)翼技術(shù)發(fā)展研究[J].航空科學(xué)技術(shù), 2020,31(2):12-24. [Li Xiaofei, Zhang Mengjie, Wang Wenjuan, et al. Research on the development of variable camber wing technology [J]. Aviation Science and Technology, 2020, 31(2): 12-24.]

[13] Yao Y, JacabT, Luke C, et al. Ultra-thin, ultra-lightweight, and multifunctional skin for highly deformable structures[J]. AIAA Scitech 2019 Forum, 2019.

[14] Vivek M, Erik D O, Thomas A O. Structural analysis of test flight vehicles with multifunctional energy storage[J]. AIAA Scitech 2019 Forum, 2019.

[15] 鄒學(xué)鋒, 潘凱, 燕群, 等.多場(chǎng)耦合環(huán)境下高超聲速飛行器結(jié)構(gòu)動(dòng)強(qiáng)度問題綜述[J]. 航空科學(xué)技術(shù), 2020, 31(12): 6-18.[Zou Xuefeng, Pan Kai, Yan Qun, et al. Review of dynamic strength of hypersonic aircraft structure in multi-field coupling environment[J]. Aeronautical Science and Technology, 2020, 31(12): 6-18.]

[16] H K River, et al. Detection of hydrogen leakage in a composite sandwich structure at cryogenic temperature [J]. Journal of Spacecraft and Rockets, 2002, 39(3): 452-459.

Overview of the Structural Technology Development of Foreign Next-Generation Fighters and Hypersonic Aircraft

MA Zheng

（Chinese Aeronautical Establishment , Beijing 100029, China）

Focusing on aviation equipment such as sixth-generation fighters and hypersonic aircraft, the paper carries out the analysis of typical technical characteristics of foreign advanced aircraft, and puts forward the development requirements of advanced aircraft structure technology based on the technical characteristics. Then, review the development status of key technologies such as advanced composite material structures, smart variant structures, multifunctional structures, and thermal protection structures，Provide reference for future technological development.

Sixth-generation fighter; Hypersonic aircraft; Composite material structure; Morphing structure; Multifunctional structure; Thermal protection structure

V211

A

1006-3919(2021)05-0015-07

10.19447/j.cnki.11-1773/v.2021.05.003

2021-06-28；

2021-08-27

馬征（1976—），女，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：高性能計(jì)算，人工智能，航空科技管理，航空科技戰(zhàn)略研究；(100029)北京市朝陽(yáng)區(qū)小關(guān)街道安外小關(guān)東里14號(hào)中航發(fā)展大廈B座.