復合材料在國外海軍航空器上的應用發展進程
復合材料自問世以來就一直在航空工業中發揮著重要作用，具有比強度高、比模量高、力學性能可設計性強以及耐腐蝕性能好等一系列優點，是輕質高效結構設計理想的材料。國外對復合材料在海軍航空器上的應用非常重視。裝備于海軍的軍用航空器用于在海洋上空執行戰斗和保障任務，其要求是：適應海洋環境，抗腐蝕能力強；導航設備與火控系統先進，具有全天候作戰能力。復合材料在國外海軍航空器上應用具有如下突出的優點：優良的力學性能；優異的抗疲勞和耐腐蝕性（可耐酸、堿、海水侵蝕）；可實現20%~30%的結構減重；優良的聲、磁、電性能（透波、透聲性好，無磁性，介電性能優良）；其結構有利于整體設計和制造，可在提高飛機結構效率和可靠性的同時，采用低成本整體制造工藝降低制造成本[1]。近20年來，復合材料原材料和成型技術得到飛速發展，特別是復合材料在幾大主要機型（如F-35，F-18）中的應用成功，更加增強了復合材料在海軍航空器中的應用前景。
復合材料在國外海軍航空器上的應用進程
自20世紀60年代初以來國外開始在軍用飛機上研究使用復合材料，經過多年的努力，復合材料對海軍軍用飛機的輕型化和提高機動性能起到了關鍵作用。表1為國外海軍航空器上復合材料應用的具體情況[2]。
由表1可以看出，隨著海軍軍用機先進性的提高，復合材料的用量也在增加，這充分說明復合材料的用量已成為衡量軍用飛機先進性的重要標志。
在海軍航空器上，玻璃纖維復合材料主要應用在有特殊電性能要求的功能結構件中，如機頭罩、天線罩和雷達罩等。在美國海軍中扮演著極其重要角色的E-2“鷹眼”系列艦載預警機自20世紀60年代初問世以來便在雷達罩上使用玻璃纖維復合材料，進入21世紀后，為了滿足美國海軍網絡中心站的迫切需要，美國開始著手發展更加先進的“鷹眼”艦載預警機，命名為E-2D預警機，如圖1所示，其特點是選用玻璃纖維復合材料制造新型八槳葉NP2000螺旋槳，取代了E-2C上的鋼制材料四葉螺旋槳。新型螺旋槳不僅振動更小、噪聲更低，而且減少了零件數目，降低了維修費用，可以在機翼上直接更換單個槳葉，利用維修設備在飛機上就可以平衡螺旋槳。
碳纖維具有優良的比強度、比剛度等力學性能，70年代碳纖維復合材料先應用在軍用飛機一些受力較小的結構件上，如艙門、口蓋、整流罩、副翼等，之后逐漸過度到垂尾、平尾等受力較大的尾翼部件上，今天已應用到機身、機翼等主要受力件中。1970年，美國海軍先將硼復合材料應用在F-14的水平安定面上，用以實現能夠在航母上起降，短距離起飛及著艦等迫切目的，該機型是美國第三代戰機里個裝備海軍使用，也是戰后第三代戰斗機早服役的機型，令美國海軍獲得了極大的優勢，此后各國軍機尾翼一級部件均為復合材料，此時復合材料約占結構總重量的5%。1974年，美國海軍提出輕量、低價和可擔任多重任務的戰斗機VFAX研究計劃。1976年美國海軍率先研制了F-18的復合材料機翼，并于80年代初進入服役，把復合材料用量提高到了13%左右，國外將其稱為復合材料發展史上一個里程碑事件，此后上各國新研制的軍機機翼以下的部件幾乎無一例外均是復合材料[3]。F-18的改進機型E/R型機體結構使用復合材料的比例已經增加至22%，包括中機身與后機身、主翼前緣、后緣襟翼與進氣道。在80年代，美國麥道飛機公司又將碳纖維復合材料應用在“AV-8B”飛機的機翼、前機身和尾翼上，該飛機是美國海軍陸戰隊的垂直/短距起落攻擊機，全機所用碳纖維的重量約占飛機結構總重量的26%，使整機減重9%，有效載荷比AV-8A飛機增加了1倍。圖2為AV-8B機體制造材料圖標。
“AV-8B”飛機機體大量使用復合材料，此后機身上便開始應用復合材料，如F35B/C、“臺風”等。F-35B是短距離起降/垂直起降機種，用于裝備海軍陸戰隊，F-35C是艦載機型，是美國海軍代隱身艦載戰機。F35超過35%機身結構件和機體表面都使用碳纖維復合材料，其采用了整體式的復合材料結構，通過法蘭盤直接“貼身”地焊在機身兩側，沒有一個緊固件，不僅大大地減輕了結構重量，也大大減少了零件數量。
法國陣風戰斗機是達索公司為法國空海軍研制的超音速戰斗機，2002年在法國海軍部隊服役。“陣風”戰斗機機身結構大量采用復合材料常規半硬殼式結構，機身的50%采用碳纖維復合材料。復合材料的廣泛應用有利于飛機減重和防腐，這也使“陣風”具有7000h的全壽命飛行，換種說法就是“陣風”在30年內都具有可靠的性能。歐洲的“臺風”是公認的三代半戰斗機，采用了40%的復合材料。目前海軍的“臺風”戰機正在研制中，“臺風”戰斗機表面的70%都是碳纖維復合材料，只有15%是金屬材料。
復合材料在直升機上的應用超過在固定翼機上的應用，目前可達50%~80%的水平。如美國垂直起落傾斜發動機后又可高速巡航的V-22，共用復合材料3t，占結構總質量的50%；歐洲新研制的虎式（Tiger）直升機復合材料用量達80%。
無人機上復合材料的應用超過有人機，一般在50%~80%之間。重量輕、小型化、長航時、高隱蔽和高安全型等特性是無人機區別于有人機的顯著特點和技術發展方向，在材料方面復合材料的耐腐蝕性能可滿足無人機在惡劣環境下長儲存壽命的特殊要求。目前美國已經在X-45A、X-47A的概念驗證基礎上發展海軍通用的無人戰斗機，并將其列為未來25年優先發展的項目。X-47A是一架高度翼身融合的無尾飛翼布局飛機，整個機體除一些接頭采用鋁合金外幾乎全部采用了復合材料，堪稱全復合材料飛機。圖3為X-47無人戰斗機作戰想象圖及工裝上的外殼。由于無人機的生產批量大，復合材料的用量大，故有人估計至2020年其復合材料的耗量將可與有人機相匹敵，形成未來復合材料應用的大戶。圖4為復合材料在國外海軍航空器上的用量情況，可以看出，各類飛機上的復合材料，由小到大，由少到多，由弱到強，由結構到功能，其用量越來越多。飛機結構正在一步一步地走向復合材料化。
相關材料與制造技術的發展趨勢
復合材料在國外海軍航空器上的應用朝著高性能、低成本以及先進的自動化技術方向發展，先進復合材料指的是采用高性能增強材料增強的環氧、雙馬等樹脂基復合材料。
增強材料主要有玻璃纖維、硼纖維、碳纖維、芳綸纖維等。20世紀50年代末美國先成功研究高強度玻璃纖維，并在1960年成功研制的E-2預警機的垂直翼面和雷達天線罩上使用了玻璃纖維增強復合材料。從此，對于具有高強度、高模量、耐候性能好、介電性能好等要求的雷達天線罩材料均選用有較低的介電常數和正切損耗的玻璃纖維。硼纖維具有高強度、高模量等優點，美國60年代就開始研究應用硼/環氧復合材料用作飛機蒙皮、操作面等，終成功用于F-14的水平安定面上，后來由于硼纖維造價太貴，難操作，僅在金屬基復合材料上進行研究，用作飛機修理補片材料，70年代逐漸地被碳纖維所取代。碳纖維比重低，與其他高性能纖維相比具有高的比強度和比模量，且具有優異的耐腐蝕性能及優良的力學性能，F-18戰斗機的機翼成功使用碳纖維，使其成為纖維增強材料中發展迅速，應用范圍廣的先進復合材料。芳綸纖維是一種有機纖維，目前也用于天線罩的制造，但芳綸纖維的壓縮強度差，抗扭剪不強，且易吸潮，限制了其使用范圍。
樹脂方面環氧樹脂占統治地位，代176℃固化的脆性環氧仍然是今天次承力和中等承力結構復合材料的主要樹脂；價格較高的第二代176℃固化的增韌環氧樹脂復合材料主要用于沖擊后壓縮強度和濕熱壓縮強度要求較高的承力結構。雙馬來酰亞胺樹脂（BMI）的研究起步稍晚，但發展和應用速度很快，它的使用溫度一般為150~250℃，多用于先進飛機機身和機翼重要復合材料結構。美國空軍用F-22在選材上就突出強調高性能，樹脂以5250-4雙馬樹脂為主，大約占了70%以上的份額，余下的為環氧997-3樹脂。高性能必然導致高成本。到F-35時，用材思想發生了轉變，由突出強調高性能到突出強調低成本，故F-35復合材料樹脂90%以上為環氧樹脂，僅10%左右用了雙馬樹脂。至于F/A-18E/F則全部用了環氧樹脂，畢竟雙馬樹脂從材料到制造成本均較環氧樹脂高得多[4]。
目前，制造先進復合材料結構的主要方法是預浸料——熱壓罐成形工藝，鑒于此法存在一些限制，不少飛機公司和研究機構都在發展能顯著提高生產效益、縮短固化和裝配時間的制造技術，如采用縫合預成形或三維編織預形增強體的樹脂轉移成形法（RTM）、自動鋪帶技術和電子束固化等。
RTM是一種新型的閉模成型技術，近年來國外有較好較快的發展。該技術可不用熱壓罐和預浸料，成型速度快、能耗低，可降低成本[5-6]。F-35襟翼整流罩是至今為止使用低成本制造技術完成的大尺寸的航空復合材料零件。F-35的垂尾和平尾原來采用鋁合金蜂窩芯/復合材料蒙皮結構，為進一步減輕結構重量，成功的用RTM技術驗證了全復合材料結構的垂尾，使零件數從原來13個減少至1個，緊固件取消了1000個，實現了大型復雜復合材料結構件制造技術的突破。
自動鋪放技術是近30年來發展和廣泛應用的自動化制造技術，能夠顯著降低具有復雜形狀復合材料構件的制造成本，解決了復合材料零件的尺寸較大時，人工鋪層難度大、產品質量難以保證的問題[7]。F-35戰斗機進氣道、中機身翼身融合體蒙皮, 鷹RQ-4B大展弦比機翼均采用自動鋪帶工藝成型。圖5為F-35正在等待安裝的碳纖維增強機身蒙皮。
圖5 F-35正在等待安裝的碳纖維增強機身蒙皮
建議
海軍航空器飛機結構的復合材料化已成必然的趨勢，各類飛機結構的主體材料必將是復合材料而非金屬已是不爭的事實，這一趨勢將從根本上改變飛機結構設計和制造上的傳統，也將改變航空工業產業鏈的重組進程，能否適應這一重大變革，勢必影響和決定一個航空制造業的成敗興衰，對此如果沒有清醒的認識，落后將是長期的、不可避免的，為此提出如下的相關發展建議：
?。?）先進復合材料是一種被40年來應用的歷史證明了的性能優異的新材料，上已達成“復合材料是航空工業結構的未來”這一共識。對此要在思想和理念上有充分的認識，跟上航空工業已存在并將進一步發展的飛機結構復合材料化的大趨勢，有關部門應在該領域進行戰略上的發展研究，要加大投資力度，加快設備改造力度，從而加速航空復合材料產業的發展。
?。?）重視預研，加強基礎研究，密切結合工程實際。需要逐步攻克設計、材料和制造諸領域的關鍵技術問題，徹底改變復合材料應用效益不足，較普遍存在的“不好用，不敢用，不愛用”，實質是“不會用”的現象，使預研為應用提供強有力的必要的技術支撐。
?。?）在復合材料領域，嚴重缺乏有經驗的專業技術人才，特別是缺乏掌握現代復合材料技術的設計人才和工程制造人才，即人才現狀遠不能滿足發展的需求。國際上認為培養一個成熟的復合材料設計師至少需要10年。故應加大人才培養力度和培訓力度，各飛機公司及設計院對此也要給以足夠的重視。
?。?）注意加強國際的合作和交流。當前復合材料的技術發展存在著國際化的趨勢，強調“采用上新的技術，生產優秀的產品”，成果共享，風險共擔。在發展復合材料技術時，也應充分注意，對內整合，對外合作，融入的復合材料技術圈，合作共贏，跟上復合材料技術發展和前進的步伐。
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復合材料在國外海軍航空器上的應用進程
自20世紀60年代初以來國外開始在軍用飛機上研究使用復合材料，經過多年的努力，復合材料對海軍軍用飛機的輕型化和提高機動性能起到了關鍵作用。表1為國外海軍航空器上復合材料應用的具體情況[2]。
由表1可以看出，隨著海軍軍用機先進性的提高，復合材料的用量也在增加，這充分說明復合材料的用量已成為衡量軍用飛機先進性的重要標志。
在海軍航空器上，玻璃纖維復合材料主要應用在有特殊電性能要求的功能結構件中，如機頭罩、天線罩和雷達罩等。在美國海軍中扮演著極其重要角色的E-2“鷹眼”系列艦載預警機自20世紀60年代初問世以來便在雷達罩上使用玻璃纖維復合材料，進入21世紀后，為了滿足美國海軍網絡中心站的迫切需要，美國開始著手發展更加先進的“鷹眼”艦載預警機，命名為E-2D預警機，如圖1所示，其特點是選用玻璃纖維復合材料制造新型八槳葉NP2000螺旋槳，取代了E-2C上的鋼制材料四葉螺旋槳。新型螺旋槳不僅振動更小、噪聲更低，而且減少了零件數目，降低了維修費用，可以在機翼上直接更換單個槳葉，利用維修設備在飛機上就可以平衡螺旋槳。
碳纖維具有優良的比強度、比剛度等力學性能，70年代碳纖維復合材料先應用在軍用飛機一些受力較小的結構件上，如艙門、口蓋、整流罩、副翼等，之后逐漸過度到垂尾、平尾等受力較大的尾翼部件上，今天已應用到機身、機翼等主要受力件中。1970年，美國海軍先將硼復合材料應用在F-14的水平安定面上，用以實現能夠在航母上起降，短距離起飛及著艦等迫切目的，該機型是美國第三代戰機里個裝備海軍使用，也是戰后第三代戰斗機早服役的機型，令美國海軍獲得了極大的優勢，此后各國軍機尾翼一級部件均為復合材料，此時復合材料約占結構總重量的5%。1974年，美國海軍提出輕量、低價和可擔任多重任務的戰斗機VFAX研究計劃。1976年美國海軍率先研制了F-18的復合材料機翼，并于80年代初進入服役，把復合材料用量提高到了13%左右，國外將其稱為復合材料發展史上一個里程碑事件，此后上各國新研制的軍機機翼以下的部件幾乎無一例外均是復合材料[3]。F-18的改進機型E/R型機體結構使用復合材料的比例已經增加至22%，包括中機身與后機身、主翼前緣、后緣襟翼與進氣道。在80年代，美國麥道飛機公司又將碳纖維復合材料應用在“AV-8B”飛機的機翼、前機身和尾翼上，該飛機是美國海軍陸戰隊的垂直/短距起落攻擊機，全機所用碳纖維的重量約占飛機結構總重量的26%，使整機減重9%，有效載荷比AV-8A飛機增加了1倍。圖2為AV-8B機體制造材料圖標。
“AV-8B”飛機機體大量使用復合材料，此后機身上便開始應用復合材料，如F35B/C、“臺風”等。F-35B是短距離起降/垂直起降機種，用于裝備海軍陸戰隊，F-35C是艦載機型，是美國海軍代隱身艦載戰機。F35超過35%機身結構件和機體表面都使用碳纖維復合材料，其采用了整體式的復合材料結構，通過法蘭盤直接“貼身”地焊在機身兩側，沒有一個緊固件，不僅大大地減輕了結構重量，也大大減少了零件數量。
法國陣風戰斗機是達索公司為法國空海軍研制的超音速戰斗機，2002年在法國海軍部隊服役。“陣風”戰斗機機身結構大量采用復合材料常規半硬殼式結構，機身的50%采用碳纖維復合材料。復合材料的廣泛應用有利于飛機減重和防腐，這也使“陣風”具有7000h的全壽命飛行，換種說法就是“陣風”在30年內都具有可靠的性能。歐洲的“臺風”是公認的三代半戰斗機，采用了40%的復合材料。目前海軍的“臺風”戰機正在研制中，“臺風”戰斗機表面的70%都是碳纖維復合材料，只有15%是金屬材料。
復合材料在直升機上的應用超過在固定翼機上的應用，目前可達50%~80%的水平。如美國垂直起落傾斜發動機后又可高速巡航的V-22，共用復合材料3t，占結構總質量的50%；歐洲新研制的虎式（Tiger）直升機復合材料用量達80%。
無人機上復合材料的應用超過有人機，一般在50%~80%之間。重量輕、小型化、長航時、高隱蔽和高安全型等特性是無人機區別于有人機的顯著特點和技術發展方向，在材料方面復合材料的耐腐蝕性能可滿足無人機在惡劣環境下長儲存壽命的特殊要求。目前美國已經在X-45A、X-47A的概念驗證基礎上發展海軍通用的無人戰斗機，并將其列為未來25年優先發展的項目。X-47A是一架高度翼身融合的無尾飛翼布局飛機，整個機體除一些接頭采用鋁合金外幾乎全部采用了復合材料，堪稱全復合材料飛機。圖3為X-47無人戰斗機作戰想象圖及工裝上的外殼。由于無人機的生產批量大，復合材料的用量大，故有人估計至2020年其復合材料的耗量將可與有人機相匹敵，形成未來復合材料應用的大戶。圖4為復合材料在國外海軍航空器上的用量情況，可以看出，各類飛機上的復合材料，由小到大，由少到多，由弱到強，由結構到功能，其用量越來越多。飛機結構正在一步一步地走向復合材料化。
相關材料與制造技術的發展趨勢
復合材料在國外海軍航空器上的應用朝著高性能、低成本以及先進的自動化技術方向發展，先進復合材料指的是采用高性能增強材料增強的環氧、雙馬等樹脂基復合材料。
增強材料主要有玻璃纖維、硼纖維、碳纖維、芳綸纖維等。20世紀50年代末美國先成功研究高強度玻璃纖維，并在1960年成功研制的E-2預警機的垂直翼面和雷達天線罩上使用了玻璃纖維增強復合材料。從此，對于具有高強度、高模量、耐候性能好、介電性能好等要求的雷達天線罩材料均選用有較低的介電常數和正切損耗的玻璃纖維。硼纖維具有高強度、高模量等優點，美國60年代就開始研究應用硼/環氧復合材料用作飛機蒙皮、操作面等，終成功用于F-14的水平安定面上，后來由于硼纖維造價太貴，難操作，僅在金屬基復合材料上進行研究，用作飛機修理補片材料，70年代逐漸地被碳纖維所取代。碳纖維比重低，與其他高性能纖維相比具有高的比強度和比模量，且具有優異的耐腐蝕性能及優良的力學性能，F-18戰斗機的機翼成功使用碳纖維，使其成為纖維增強材料中發展迅速，應用范圍廣的先進復合材料。芳綸纖維是一種有機纖維，目前也用于天線罩的制造，但芳綸纖維的壓縮強度差，抗扭剪不強，且易吸潮，限制了其使用范圍。
樹脂方面環氧樹脂占統治地位，代176℃固化的脆性環氧仍然是今天次承力和中等承力結構復合材料的主要樹脂；價格較高的第二代176℃固化的增韌環氧樹脂復合材料主要用于沖擊后壓縮強度和濕熱壓縮強度要求較高的承力結構。雙馬來酰亞胺樹脂（BMI）的研究起步稍晚，但發展和應用速度很快，它的使用溫度一般為150~250℃，多用于先進飛機機身和機翼重要復合材料結構。美國空軍用F-22在選材上就突出強調高性能，樹脂以5250-4雙馬樹脂為主，大約占了70%以上的份額，余下的為環氧997-3樹脂。高性能必然導致高成本。到F-35時，用材思想發生了轉變，由突出強調高性能到突出強調低成本，故F-35復合材料樹脂90%以上為環氧樹脂，僅10%左右用了雙馬樹脂。至于F/A-18E/F則全部用了環氧樹脂，畢竟雙馬樹脂從材料到制造成本均較環氧樹脂高得多[4]。
目前，制造先進復合材料結構的主要方法是預浸料——熱壓罐成形工藝，鑒于此法存在一些限制，不少飛機公司和研究機構都在發展能顯著提高生產效益、縮短固化和裝配時間的制造技術，如采用縫合預成形或三維編織預形增強體的樹脂轉移成形法（RTM）、自動鋪帶技術和電子束固化等。
RTM是一種新型的閉模成型技術，近年來國外有較好較快的發展。該技術可不用熱壓罐和預浸料，成型速度快、能耗低，可降低成本[5-6]。F-35襟翼整流罩是至今為止使用低成本制造技術完成的大尺寸的航空復合材料零件。F-35的垂尾和平尾原來采用鋁合金蜂窩芯/復合材料蒙皮結構，為進一步減輕結構重量，成功的用RTM技術驗證了全復合材料結構的垂尾，使零件數從原來13個減少至1個，緊固件取消了1000個，實現了大型復雜復合材料結構件制造技術的突破。
自動鋪放技術是近30年來發展和廣泛應用的自動化制造技術，能夠顯著降低具有復雜形狀復合材料構件的制造成本，解決了復合材料零件的尺寸較大時，人工鋪層難度大、產品質量難以保證的問題[7]。F-35戰斗機進氣道、中機身翼身融合體蒙皮, 鷹RQ-4B大展弦比機翼均采用自動鋪帶工藝成型。圖5為F-35正在等待安裝的碳纖維增強機身蒙皮。
圖5 F-35正在等待安裝的碳纖維增強機身蒙皮
建議
海軍航空器飛機結構的復合材料化已成必然的趨勢，各類飛機結構的主體材料必將是復合材料而非金屬已是不爭的事實，這一趨勢將從根本上改變飛機結構設計和制造上的傳統，也將改變航空工業產業鏈的重組進程，能否適應這一重大變革，勢必影響和決定一個航空制造業的成敗興衰，對此如果沒有清醒的認識，落后將是長期的、不可避免的，為此提出如下的相關發展建議：
?。?）先進復合材料是一種被40年來應用的歷史證明了的性能優異的新材料，上已達成“復合材料是航空工業結構的未來”這一共識。對此要在思想和理念上有充分的認識，跟上航空工業已存在并將進一步發展的飛機結構復合材料化的大趨勢，有關部門應在該領域進行戰略上的發展研究，要加大投資力度，加快設備改造力度，從而加速航空復合材料產業的發展。
?。?）重視預研，加強基礎研究，密切結合工程實際。需要逐步攻克設計、材料和制造諸領域的關鍵技術問題，徹底改變復合材料應用效益不足，較普遍存在的“不好用，不敢用，不愛用”，實質是“不會用”的現象，使預研為應用提供強有力的必要的技術支撐。
?。?）在復合材料領域，嚴重缺乏有經驗的專業技術人才，特別是缺乏掌握現代復合材料技術的設計人才和工程制造人才，即人才現狀遠不能滿足發展的需求。國際上認為培養一個成熟的復合材料設計師至少需要10年。故應加大人才培養力度和培訓力度，各飛機公司及設計院對此也要給以足夠的重視。
?。?）注意加強國際的合作和交流。當前復合材料的技術發展存在著國際化的趨勢，強調“采用上新的技術，生產優秀的產品”，成果共享，風險共擔。在發展復合材料技術時，也應充分注意，對內整合，對外合作，融入的復合材料技術圈，合作共贏，跟上復合材料技術發展和前進的步伐。
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